DE102010048134A1

DE102010048134A1 - Vergütungsstahl

Info

Publication number: DE102010048134A1
Application number: DE102010048134A
Authority: DE
Inventors: Ernst Strian; Ihor Mys; Dieter Adler
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-10-11
Filing date: 2010-10-11
Publication date: 2012-04-12
Also published as: WO2012048917A1; US20120216642A1; US9267195B2

Abstract

Ein wälzfester Vergütungsstahl, mit den in Masseanteilen am Gesamtgewicht angegebenen Elementen: 0,5% bis einschließlich 0,6% Kohlenstoff (C), 0,0031% bis einschließlich 0,005% Bor (B) und 3,5 Teile oder mehr Teile Titan (Ti) im Verhältnis zu 1 Teil Stickstoff (S).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen wälzfesten Vergütungsstahl, und daraus gebildetes Stangenmaterial, sowie Verfahren zur Herstellung einer Gewindespindel und einem Zahnstangenteil aus diesem Stangenmaterial.
Beim Kontakt zweier Körper entsteht unter den Berührungsflächen ein mehrachsiger Spannungszustand, der über die Vergleichsspannungs- oder Schubspannungshypothese in eine Werkstoffanstrengung umgerechnet werden kann. Dies ist auch der Fall, wenn beide Körper aufeinander abrollen; beispielsweise kann eine Kugel auf einer Ebene oder in einer Kugelrille abrollen. Ein Werkstoff ist wälzfest, wenn er diese Beanspruchung dauerhaft überstehen kann, ohne dass es zur Schädigung durch Werkstoffermüdung kommt. Eine ungenügende Wälzfestigkeit zeigt sich zuerst in einer Gefügeumwandlung bzw. in fortgeschrittenem Stadium in einer Zerstörung der Laufbahnkontur durch Ausbrechen kleiner Materialanteile. Je nach Berührungsart (Punkt oder Linienkontakt) gilt eine Härte von 58 HRc oder 650 HV am Ort der höchsten Pressung als ausreichend für die geforderte Wälzfestigkeit.
Vergütungsstähle eignen sich aufgrund ihres Kohlenstoffgehaltes zum Härten mit anschließendem Anlassen. Ein Vergütungsstahl kann ein legierter Stahl sein. Eine Legierung wird beschrieben, indem die prozentualen Massenanteile ihrer Komponenten angegeben sind. Die zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung angegebenen Prozentangaben sind Massenangaben, die den prozentualen Anteil am Gesamtgewicht angeben. Zu den Vergütungsstählen zählen Stähle für das Randschichthärten gemäß DIN 17212. Bei der partiellen Härtung – in der Randschicht des Bauteils – weist lediglich die Randschicht ein martensitisches Gefüge auf, wobei der Kern ein Vergütungsgefüge aufweist.
Als Härten bezeichnet man den Vorgang der raschen Abkühlung aus dem Austenitgebiet heraus, wobei eine Umwandlung des Austenits in Martensit erfolgt.
Unter Anlassen versteht man ein Erwärmen nach vorausgegangener Härtung auf eine Temperatur unterhalb ”Ac1”. Dies kann mit dem Ziel einer Vergütungsbehandlung erfolgen oder zum Abbau von inneren Spannungen im Gefüge. Ac1 bezeichnet im Eisen-Kohlenstoffdiagramm den ersten Umwandlungspunkt beim Aufheizen des Stahles. Dieser Umwandlungspunkt kennzeichnet den Beginn der alpha-gamma-Umwandlung (Beginn der Austenitbildung).
Stangenmaterial bezeichnet insbesondere Stäbe mit beliebigem Querschnittsprofil, beispielsweise Rechteckprofile und Rundprofile. Die Länge der Stäbe kann je nach Verwendung variieren, Längen bis zu mehreren Metern Länge sind möglich.
Ein bekannter Vergütungsstahl Cf53 mit der Werkstoffnummer 1.2113 wird für eine anschließende Bearbeitung normal geglüht oder GKZ-geglüht werden.
Bei dem Normalisieren soll im Material eine einheitliche Gefügestruktur mit feinem Korn ausgebildet werden. Es wird zum Beseitigen von ungleichmäßigen und groben Gefügen angewandt.
Bei dem GKZ-Glühen steht die Veränderung der Bruchdehnung und der Härte im Vordergrund. Durch die Glühung verliert der streifenförmige Zementit an Festigkeit und kann seinem Streben nach einem Körper mit möglichst geringer Oberfläche nachgehen. Es bildet sich körniger Zementit, deswegen spricht man auch von Glühen auf kugeligen Zementit (GKZ-Glühen). Dadurch ist der Werkstoff leichter umformbar und spanbar.
Durch Weichglühen wird eine Verbesserung der Bearbeitbarkeit bei Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt größer 0,4 Gewichts-Prozent erreicht. Es besteht eine Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von Gefügeanteilen (Ferrit, Perlit), und deren Verteilung sowie Einformungsgrad der Carbiden. Diese geglühten Stähle weisen eine vergleichsweise geringe Kernfestigkeit auf.
Die genannten Vergütungsstähle werden oftmals als Rundstäbe vorvergütet. Bei mittleren und höheren Durchmessern – 20 bis 40 mm – können eine ungleichmäßige Durchhärtbarkeit oder Vergütbarkeit gegeben sein und folglich inhomogene mechanische Eigenschaften sowie Eigenspannungen und Verzug die Folge sein. Beispielsweise kann der niedrig legierte Vergütungsstahl Cf53 nur als Stangenmaterial bis zu einem Durchmesser unterhalb 20 mm durchvergütet werden. Das durchvergütete Stangenmaterial weist ein über den Querschnitt gesehen weitgehend homogenes Vergütungsgefüge auf.
Die vorvergüteten Rundstäbe können spangebend oder umformtechnisch bearbeitet und schließlich gehärtet und angelassen werden. Bei der Härtung wird oftmals lediglich die Randschicht gehärtet.
Eine definierte und in relative engen Grenzen tolerierte Anhebung der mechanischen Eigenschaften kann über eine Vergütungsbehandlung des Stabquerschnittes geschehen. Dies ist eine Grundlage für beherrschte Kaltumformprozesse. Aus dem Vergütungsgefüge heraus ist eine noch bessere Härtbarkeit der Randschicht möglich.
Für eine qualitativ gute Vergütungsbehandlung ist die Einhärtung ein wichtiger Maßstab. Ziel einer Vergütungsbehandlung im Sinne der o. g. Anwendung ist die Erzeugung gleichmäßiger mechanischer Eigenschaften.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen Vergütungsstahl anzugeben, der eine verbesserte Vergütbarkeit insbesondere von Stangenmaterial aufweist.
Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe durch den Vergütungsstahl gemäß Anspruch 1 gelöst. Die in Masseanteilen angegebenen Komponenten sowie das Verhältnis von Titan zu Stickstoff lassen sich in der Analyse – bspw. Spektralanalyse – in bekannter Weise ermitteln.
Der erfindungsgemäße Werkstoff mit Zugabe von Bor in den prozentual angegebenen Massenanteilen in Verbindung mit wenigstens 3,5 Teilen Titan zu einem Teil Stickstoff ermöglicht die Bereitstellung eines wälzfesten Vergütungsstahles, der durchvergütbar und randschichtbar ist. Der erfindungsgemäße Vergütungsstahl zeichnet sich durch einen Steilabfall in der Jominy Kurve aus, der gegenüber einem vergleichbaren bekannten Vergütungsstahl um den Faktor 2 weg von der Stirnfläche verschoben ist. Demzufolge kann Stangenmaterial bis zu 40 mm Durchmessern mit gleichmäßiger Einhärtung bereitgestellt werden.
Insbesondere kann ein aus diesem erfindungsgemäßen Vergütungsstahl hergestelltes Stangenmaterial als Halbzeug bereitgestellt werden, wobei Durchmesser bis zu 40 mm durchvergütbar und randschichtbar sind. Dieses Stangenmaterial kann auf wenigstens 550 MPa Streckgrenze im Kern durchvergütet werden. Dieses Stangenmaterial eignet sich hervorragend zur Herstellung von Gewindespindeln von Kugelgewindetrieben oder Zahnstangen von Zahnstangenlenkungen. Insbesondere derartige Zahnstangen unterliegen als Sicherheitsbauteil besonders hohen Anforderungen.
Randschichthärtbare Stähle sind in der DIN 17212 beschrieben. Sie lassen sich üblicherweise im vergüteten Zustand durch örtliches Erhitzen und Abschrecken in der Randzone härten, ohne dass die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften des Kerns wesentlich beeinflusst werden. Der Vergütungsstahl Cf53 zählt zu diesen Stählen. Zum Härten der Randzone werden diese Stähle flamm- oder induktionsgehärtet. Diese Härteverfahren sind in der DIN 17014 angegeben.
Die 0,2-%-Dehngrenze R_p0,2 – oder Streckgrenze – beschreibt diejenige (einachsige) mechanische Spannung, bei der die auf die Anfangslänge der Probe bezogene bleibende Dehnung nach Entlastung genau 0,2% beträgt.
Der Kern des Stangenmaterials bezeichnet etwa die Querschnittsmitte des Stangenmaterials.
Der Stirnabschreckversuch nach Jominy (DIN EN ISO 642) dient der Prüfung der Härtbarkeit von Stahl. Ermittelt wird die höchsterreichbare Härte beim Abschreckhärten (Aufhärten) und der Verlauf der Härte in die Tiefe bei einem bestimmten Querschnitt (Einhärten). Bei dem Stirnabschreckversuch nach Jominy wird eine zylindrische Stahlprobe von 100 Millimetern Länge und 25 Millimetern Durchmesser nach dem werkstoffabhängigen Normalglühen auf Härtetemperatur erwärmt, dann innerhalb von 5 Sekunden aus dem Ofen genommen und an der Stirnseite von unten mindestens 10 min lang mit einem 20°C warmen Wasserstrahl abgeschreckt. Danach wird die Zylindermantelfläche gegenüberliegend um 0,4 bis 0,5 Millimeter plan abgeschliffen. Ausgehend vom Rand der abgeschreckten Stirnfläche wird schrittweise (1,5 – 3 – 5 – 7 – 9 – 11 – 13 – 15 – 20 – 25 – 30 – ... Millimeter) die Härte nach Rockwell (HRC) oder nach Vickers (HV) gemessen.
Erfindungsgemäße Vergütungsstähle haben einen Kohlenstoffgehalt von 0,5% bis einschließlich 0,6%. Kohlenstoffgehalte außerhalb dieses Bereichs sind für die Erfindung nicht vorgesehen. Der Kohlenstoffgehalt wird aufgrund seines Einflusses auf die Fließspannung des Werkstoffes begrenzt. Kohlenstoff hebt in Summe mit anderen Elementen die Fließspannung. Des weiteren steigert ein C-Gehalt von mehr als 0.7% den Martensitanteil praktisch nicht mehr; eine Untergrenze für die Bildung von 100% Martensit ist bei ca. 0,5 Gew.-% Kohlenstoff zu sehen.
Es wurde erkannt, dass die Beimischung von Bor in dem erfindungsgemäß vorgesehenen Bereich bei Vergütungsstählen mit dem angegebenen Kohlenstoffgehalt insbesondere bei Stangenmaterial Vorteile bringt: so konnte bei Stangen bis zu einem Durchmesser von 40 mm ein homogenes Vergütungsgefüge über den ganzen Querschnitt erreicht werden. Somit ist die gute Bearbeitbarkeit der erfindungsgemäßen Vergütungsstähle in einem Umformverfahren gewährleistet.
Als Umformverfahren für erfindungsgemäße Vergütungsstähle kommt insbesondere das an sich Walzen oder Rollieren im kalten Zustand in Betracht.
Das gelöste Bor neigt infolge seiner hohen Bindungsenergie zur Segregation an den Korngrenzen. Dieses an den Korngrenzen segregierte Bor verhindert dort die zur Ferritkeimbildung notwendige Selbstdiffusion des Eisens und Diffusion des Kohlenstoffs. Dies führt zur einer Verschiebung der diffusionsgesteuerten Umwandlung zu längeren Umwandlungszeiten hin, welche im positiven Sinn folglich eine Steigerung der Vergütbarkeit und Härtbarkeit bewirkt.
Wie aus der Praxis bekannt ist, besitzt Bor eine hohe Affinität zum Stickstoff und Sauerstoff. Um eine Verbesserung der Durchhärtbarkeit durch gelöstes Bor zu erreichen, muss demnach eine Abbindung und Ausscheidung des Bors als Bornitrid sowie Abbindung durch Sauerstoff verhindert werden. Das Bor muss also in gelöster Form im Austenitgitter vorliegen, um wirksam im Sinn der Erfindung zu sein.
Der härtesteigernde Effekt vom Bor ist seit langem bekannt und wird beim Einsatz- und Vergütungsstählen mit niedrigen und mittleren Kohlenstoffgehalten (bis 0,4%) genutzt. In diesen Anwendungsbereichen werden durch den Einsatz von Bor die mit herkömmlichen, legierten Stählen vergleichbaren Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften erreicht.
Jedoch war die Fachwelt der Auffassung, dass die Zugabe von Bor in Bezug auf die Streckgrenze bei Stählen ab einem Kohlenstoffäquivalent von etwa 0,45% nahezu wirkungslos wurde: in dem Heft 1/93, „Thyssen Technische Berichte" wurde der Aufsatz „Einsatz von Bor in hochfesten Feinkornbaustählen” veröffentlicht, der auf Seite 72 in Bild 8 ein Diagramm zeigt, in dem der Zusammenhang zwischen der Streckgrenze und dem Borgehalt aufgezeigt wird.
Die Erfindung ist aus wirtschaftlicher Sicht besonders günstig: zwar können zur Verbesserung der Vergütbarkeit und der Durchhärtbarkeit bekannte Stähle teure Legierungselemente wie Chrom, Nickel oder Molybdän anstelle von Bor in vergleichsweise hohen Konzentrationen aufweisen, die dem Basiswerkstoff Cf53 hinzugefügt werden. Alternativ können Werkstoffe wie 50CrMo4 eingesetzt werden. In beiden Fällen ist jedoch mit deutlich höheren Kosten bei der Anschaffung vom Basiswerkstoff zu rechnen.
Stickstoff ist bei der Stahlherstellung grundsätzlich anwesend. Nur ausnahmsweise und mit erheblichem Aufwand lassen sich stickstofffreie Stähle herstellen. Erfindungsgemäße Stähle haben einen möglichst geringen Stickstoffgehalt, um die erforderliche Zugabe von Titan im Verhältnis von wenigstens 3,5 Teilen zu 1 Teil Stickstoff gering zu halten. Für erfindungsgemäße Vergütungsstähle hat sich eine obere Begrenzung auf 0,035% Stickstoff als sinnvoll herausgestellt: einerseits ist die erforderliche Zugabe von Titan in vertretbaren Grenzen gehalten; andererseits ist der Aufwand bei der Herstellung eines möglichst stickstofffreien Stahls begrenzt.
Zur Vermeidung der Abbindung von Bor durch Stickstoff ist bei dem erfindungsgemäßen Vergütungsstahl Titan als Inhibitor im Verhältnis Titan zu Stickstoff im Verhältnis von 3,5:1 und größer enthalten. In der Reihe der Nitridbildner ist das Element Ti noch stärker als Bor eingestuft (d. h. ist affiner zu Stickstoff und bildet noch vor Bor eine Verbindung mit Stickstoff), so dass Ti für die Stickstoffbindung gut geeignet ist. Denkbar ist auch die Zugabe eines alternativen Nitridbildners, jedoch hat sich aus wirtschaftlichen Gründen die Zugabe von Titan als geeignet herausgestellt.
In Analogie unterstützt Aluminium – mit dieser Wirkung allerdings etwas schwächer als Titan – die Stabilisierung eines ausreichend wirksamen, freien, ungebundenen Bor Anteiles. Die Zugabe vom Legierungselement Aluminium dient der Desoxidation der Schmelze und der Vermeidung der Abbindung des Bors durch Sauerstoff.
Desoxidation bedeutet einen Entzug von Sauerstoff aus Metallschmelzen. Die zur Desoxidation der Schmelze erforderliche Al-Konzentration liegt bei 0,01–0,1%. Aluminium ist ein Element, das zur Verbindung mit Sauerstoff neigt und in Al-beruhigten Stählen zur Desoxidation (zusammen mit Silizium) Verwendung findet. Darüber hinaus verbindet es sich auch mit Stickstoff in Form kleinster feinkornstabilsierend wirkender Ausscheidungen. Diese Ausscheidungen tragen zur Behinderung des unerwünschten Kornwachstums bei der Wärmebehandlung bei.
Des Weiteren kann der erfindungsgemäße Vergütungsstahl zur Herstellung von mechanischen Komponenten eingesetzt werden, die eine homogene Vergütbarkeit bzw. Härtbarkeit auch bei größeren Wandstärken bzw. Durchmessern erfordern und beispielsweise randschichtgehärtet werden müssen.
Wenn der erfindungsgemäße Vergütungsstahl als Stangenmaterial ausgeführt und im Anschluß an eine umformtechnische Bearbeitung randschichtgehärtet und angelassen wird, ist eine verbesserte gleichmäßige Einhärtung bei gleichmäßig zähem Kern erzielt gegenüber anderen, bekannten Vergütungsstählen.
Das aus dem erfindungsgemäßen Vergütungsstahl hergestellte Stangenmaterial kann auf wenigstens 550 MPa Streckgrenze vergütet werden.
Bislang wurden aus Stangenmaterial hergestellte Gewindespindeln beispielsweise aus dem Vergütungsstahl Cf53 vorwiegend im GKZ geglühten Zustand hergestellt. Bei einem Durchmesser von etwa 30 mm ermöglicht der bekannte Cf53 eine nur ungleichmäßige Durchhärtbarkeit, wobei die gewünschte Dehngrenze R_p0,2 von min 550 MPa nicht erreicht wurde.
Durch die Beimischung von geringen Mengen des Legierungselements Bor in den prozentual angegebenen Masseanteilen und von Titan kann beispielsweise eine generelle Verbesserung der Vergütbarkeit vom Grundwerkstoff Cf53 – also mit dem Ziel eines möglichst gleichmäßigen Vergütungsgefüges – erzielt werden. Dieser so weitergebildete erfindungsgemäße Vergütungsstahl wird nachstehend Cf53B genannt.
Die Zusammensetzung des bekannten Cf53 ist im wälzlagertechnischen Sinn geeignet, eine voll tragfähige, martensitisch gehärtete Randschicht zu erzeugen. Gemessen an der sogenannten Randschichthärtetiefe erreicht der erfindungsgemäße Vergütungsstahl Cf53B unter den technischen Randbedingungen – Abschreckleistung – eine Einhärtung (600 HV) zwischen 4 mm und 6 mm gemessen von einer Stirnseite einer Stirnabschreckprobe. Das Gefüge im Kern besteht in der Regel aus einer Mischung von Perlit und Ferrit mit entsprechend niedrigen mechanischen Eigenschaften (bspw. Streckgrenze).
Cf53 ist ein weit verbreiteter Stahl für die Oberflächenhärtung oder Randschichthärtung. Diese Stahl wird eingesetzt für die Herstellung beispielsweise von Bolzen, Schnecken, Getrieberädern, Wellen, Spindeln, Nockenwellen, Wälzlager.
Gegenüber dem konventionellem Cf53 beispielsweise ergeben sich mit dem erfindungsgemäßen Cf53B folgende, generelle Vorteile: Durchvergütbarkeit bis einem Durchmesser von ca. 40 mm, ein deutlich homogeneres Gefüge als bei vergütetem Cf53 auch bei kleineren Durchmessern; eine Reduzierung der Eigenspannungen und des Verzugs gegenüber dem konventionellen, vergüteten Cf53.
Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Werkstoffs Cf53B im vergüteten Zustand sind im Vergleich zum Basiswerkstoff Cf53 im GKZ Zustand weitere Vorteile zu erwarten: Erhöhung der Kernfestigkeit, z. B. für Gewindespindeln von Kugelgewindetrieben mit verringertem Durchmesser; gezielte und genaue Einstellung und Steuerung der mechanischen Eigenschaften; eine deutlich bessere Beherrschung von empfindlichen Fertigungsprozessen, wie z. B. Rollieren vom Kugelgewinde an Gewindespindeln von Kugelgewindetrieben; generelle Verbesserung der Härtbarkeit der Randschicht, beispielsweise beim Induktivhärten.
Aus wirtschaftlicher Sicht stellt der erfindungsgemäße modifizierte Werkstoff Cf53B als Rohmaterial eine lediglich geringfügig teuere Alternative zum Basiswerkstoff Cf53 dar.
Cf53 (1.1213 nach DIN 17212) hat eine Zusammensetzung von 0,5–0,57% C, 0,15–0,35% Si, 0,5–0,7% Mn, 0,15–0,3% Cr, 0,02–0,08% Al. Erfindungsgemäß werden Bor und Titan hinzugefügt.
Erfindungsgemäße Vergütungsstähle weisen vorzugsweise eine Zusammensetzung von 0,5–0,6% C, 0,–0,35% Si, 0,5–0,9% Mn, 0–0,3% Cr, zulegiert mit 0,003–0,005% Bor auf; ferner Titan im Verhältnis Titan-/Stickstoff ≥ 3,5:1 und Aluminium von 0,01% bis 0,1%.
Der wirtschaftlich besonders günstige erfindungsgemäße Cf53B ist zum Durchvergüten sowie zum Randschichthärten geeignet. Mit der Erfindung wurde erkannt, dass bei dem erfindungsgemäßen Cf35B der ohnehin im Cf53 enthaltene Chromanteil die Eigenschaften des aus diesem Stahl gebildeten Stangenmaterials im Hinblick auf die Wälzfestigkeit verbessert. Ursächlich für die verbesserte Wälzfestigkeit ist im Zusammenspiel mit dem Bor ein feineres Gefüge.
Der erfindungsgemäße Vergütungsstahl kann zu Stangenmaterial mit kreisförmigem oder polygonförmigen Querschnitt gewalzt werden. Dieses Stangenmaterial kann in einer Kaltumformung vorzugsweise zu Gewindespindeln von Kugelgewindetrieben oder zu Zahnstangen von Zahnstangenlenkungen umgeformt werden.
Erfindungsgemäße Stabstähle mit einem Durchmesser bis zu etwa 40 mm können durchvergütet werden und weisen über den gesamten Querschnitt ein homogenes Vergütungsgefüge auf. Die umformtechnisch hergestellten Gewindespindeln oder Zahnstangen können randschichtgehärtet werden und weisen in der Randschicht ein Martensitgefüge auf.
Eine Gewindespindel eines Kugelgewindetriebes bezeichnet eine Spindel, an deren Außenumfang eine schraubenförmig um die Spindelachse gewundene Kugelrille zum Abwälzen von Kugeln ausgebildet ist.
Für die Kaltumformung des Stabstahles zu einer Gewindespindel kann in günstiger Weise das bekannte Profildurchlaufwalzen angewendet werden. Der Stabstahl wird in einen Walzspalt des Walzwerkzeuges eingeführt. Das Walzwerkzeug hat Walzen, an deren Mantelfläche das am Stabstahl zu walzende Kugelrillenprofil ausgebildet ist. Unter Andruck der Walzen gegen den Stabstahl als zu bearbeitendes Werkstück und Rotation der Walzen wird die Kugelrille in die Mantelfläche des Werkstücks eingewalzt, wobei das Werkstück aufgrund der Formgebung des Walzwerkzeugs unter der Rotation der Walzen einen axialen Vorschub erfährt, so dass am Umfang des Werkstücks die schraubenförmig um die Spindelachse gewundene Kugelrille eingewalzt wird. Im Anschluss an den Walzvorgang kann die Gewindespindel randschichtgehärtet werden.
Die erfindungsgemäßen Gewindespindeln sind in besonders vorteilhafter Weise für die Verwendung in einer elektromechanischen Lenkung eines Kraftfahrzeuges geeignet. Bei diesen elektromechanischen Lenkungen ist oftmals eine Zahnstangenlenkung vorgesehen. Eine Lenkstange ist einerseits an ein Lenkrad angeschlossen und andererseits mit einem Lenkritzel versehen. Das Lenkritzel kämmt mit einer Verzahnung der Zahnstange. Die Zahnstange weist in ihrer Verlängerung die Gewindespindel auf. Die Gewindespindel ist Teil eines Kugelgewindetriebes, bei dem eine Spindelmutter unter Zwischenschaltung von Kugeln in Wirkeingriff mit der Gewindespindel steht. Ein Elektromotor ist mit seinem Rotor direkt oder unter Zwischenschaltung eines Getriebes an die Spindelmutter angeschlossen. Unter Betätigung des Elektromotors rotiert die Spindelmutter. Die Rotation der Spindelmutter wird in eine axiale Bewegung der Gewindespindel und somit der Zahnstange umgewandelt. Lenkbetätigungen durch den Fahrer werden durch den angeschlossenen Elektromotor unterstützt. In günstiger Weise können die Zahnstange und die Gewindespindel einstückig zu einem Zahnstangenelement miteinander verbunden sein. Mit dem erfindungsgemäßen Vergütungsstahl kann ein Zahnstangenelement aus Stangenmaterial umformtechnisch bereitgestellt werden, wobei die Verzahnung des Zahnstangenabschnitts sowie die schraubenförmig gewundene Kugelrille an einem gemeinsamen, einstückig ausgeführten Bauteil ausgeführt sind.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Vergütungsstahl ermöglicht die Herstellung schlank gebauter Zahnstangen oder Zahnstangenelemente. Die Hersteller von Kraftfahrzeugen streben bei den beschriebenen elektromechanischen Lenkungen Zahnstangen oder Zahnstangenelemente mit einer 0,2%-Dehngrenze R_p0,2 von größer 550 MPa an. Zwar sind Vergütungsstähle bekannt, die diese Forderung erfüllen, bspw. die Vergütungsstähle 42CrMo4 mit einer 0,2%-Dehngrenze R_p0,2 von etwa 900 MPa, oder der 50CrMo4; jedoch sind diese Stähle sehr teuer. Der erfindungsgemäße Vergütungsstahl ist demgegenüber deutlich kostengünstiger und erfüllt zudem die Forderung nach einer 0,2% Dehngrenze von weit über 550 MPa.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von drei Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 den Härteverlauf durch einen aus erfindungsgemäßem Vergütungsstahl gebildeten Rundstab mit 28 mm Durchmesser,
2 die Einhärtetiefe bei einem konventionellen Vergütungsstahl und bei einem erfindungsgemäßen Vergütungsstahl, ermittelt im Stirnabschreckversuch,
3 eine kombinierte Zahnstange einer Zahnstangenlenkung mit Spindelmutter, hergestellt aus einem erfindungsgemäßen Vergütungsstahl, und
4 die kombinierte Zahnstange aus 3, jedoch ohne Spindelmutter.
1 zeigt den Härteverlauf an einem durchvergüteten Rundstab mit 28 mm Durchmesser, wobei als erfindungsgemäßer Vergütungsstahl ein modifizierter Cf53 (1.1213 nach DIN 17212) verwendet wurde, dem ca 0,0033% Bor in die Schmelze beigemischt wurde. Deutlich ist ein nur schwacher Härteabfall vom Rand zur Stabmitte in Höhe von etwa 30 HV10 zu erkennen. Das beigemischte Bor gewährleistet ein homogenes Vergütungsgefüge über den ganzen Querschnitt. Der erfindungsgemäß modifizierte Cf53 wird als Cf35B bezeichnet (in den Figuren mit „E” gekennzeichnet).
2 zeigt in einer Gegenüberstellung den Cf53 (mit „K” gekennzeichnet) und den erfindungsgemäßen Cf53B (mit „E” gekennzeichnet) in einem Stirnabschreckversuch nach Jominy (DIN EN ISO 642). Dieses Verfahren dient der Prüfung der Härtbarkeit von Stahl. Ermittelt wird die höchsterreichbare Härte beim Abschreckhärten und der Verlauf der Härte in die Tiefe bei einem bestimmten Querschnitt (als Einhärtetiefe oder auch Einhärten bezeichnet). Bei dem Stirnabschreckversuch nach Jominy wird eine zylindrische Stahlprobe von 100 Millimetern Länge und 25 Millimetern Durchmesser nach dem werkstoffabhängigen Normalglühen auf Härtetemperatur erwärmt, dann innerhalb von 5 Sekunden aus dem Ofen genommen und an der Stirnseite von unten mindestens 10 min lang mit einem 20°C warmen Wasserstrahl abgeschreckt. Danach wird die Zylindermantelfläche gegenüberliegend um 0,4 bis 0,5 Millimeter plan abgeschliffen. Ausgehend vom Rand der abgeschreckten Stirnfläche wird schrittweise (1,5 – 3 – 5 – 7 – 9 – 11 – 13 – 15 – 20 – 25 – 30 – ... Millimeter) die Härte nach Rockwell (HRC) oder nach Vickers (HV) gemessen.
Der 2 kann entnommen werden, dass der. Härteverlauf in die Tiefe bei dem Cf53B deutlich höhere Werte gegenüber dem Cf53 anzeigt. Die ermittelten Werte sinken von einem Maximum bei 1,5 Millimeter ab, je weiter man sich von der abgeschreckten Stirnfläche entfernt. Während der Cf53 in einer Tiefe von 12 mm Werte unter 300 HV10 anzeigt, werden mit dem erfindungsgemäßen Cf53B ca 550 HV10 erreicht. Ferner ist der Härteabfall in die Tiefe bei dem Cf53 deutlich stärker ausgeprägt als bei dem Cf53B. Der erfindungsgemäße Cf53B hat demzufolge ein homogeneres Gefüge als der bekannte Cf53. Diese verbesserten Werkstoffeigenschaften sind auf die Beimischung des Bor zurückzuführen
Durch die erfindungsgemäß beschriebene Zugabe von Bor kann die Einhärtbarkeit des Cf53B auf sehr wirtschaftliche Art um den Faktor 2 bis 2,5 gegenüber dem bekannten Cf53 gesteigert werden.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Zahnstangenelement 1, bei dem eine Zahnstange 2 und eine Gewindespindel 3 einstückig miteinander verbunden sind. Die Zahnstange 2 ist mit einer Verzahnung 4 versehen, die durch eine Vielzahl von entlang ihrer Achse hintereinander angeordneten Zähnen 4a gebildet ist. Die Gewindespindel 3 ist mit einer schraubenförmig um ihre Achse gewundenen Kugelrille 5 versehen. Die Gewindespindel 3 ist Teil eines hier nicht abgebildeten, an sich bekannten Kugelgewindetriebes, bei dem Kugeln an Kugelrillen einer Spindelmutter und der Gewindespindel 3 abwälzen.
Die Verzahnung 4 und die Kugelrille 5 sind jeweils in einem Walzvorgang an einem Rundstab als Ausgangsmaterial erzeugt worden. Im Anschluss an diese umformtechnische Bearbeitung wird ein Randschichthärten und ein Anlassen durchgeführt. Das fertig gestellte Zahnstangenelement 1 hat eine 0,2% Dehngrenze deutlich oberhalb von 550 MPa.
4 zeigt das Zahnstangenelement 1 in perspektivischer Darstellung; deutlich ist die Verzahnung 4 zu erkennen, sowie eine stirnseitige Bohrung 6 für den Anschluß eines Lenkungsteils, beispielsweise einer hier nicht abgebildeten Spurstange.
Bezugszeichenliste

1: Zahnstangenelement
2: Zahnstange
3: Gewindespindel
4: Verzahnung
4a: Zähne
5: Kugelrille
6: Bohrung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 17212 [0003]
DIN 17212 [0019]
DIN 17014 [0019]
DIN EN ISO 642 [0022]
Heft 1/93, „Thyssen Technische Berichte” [0029]
DIN 17212 [0045]
DIN 17212 [0059]
DIN EN ISO 642 [0060]

Claims

Wälzfester Vergütungsstahl, mit den in Masseanteilen am Gesamtgewicht angegebenen Elementen: 0,5% bis einschließlich 0,6% Kohlenstoff (C), gekennzeichnet durch 0,0031% bis einschließlich 0,005% Bor (B) und 3,5 Teile oder mehr Teile Titan (Ti) im Verhältnis zu 1 Teil Stickstoff (S).
Wälzfester Vergütungsstahl nach Anspruch 1, mit 0% bis einschließlich 0,35% Silizium (Si), 0,5% bis einschließlich 0,9% Mangan (Mn), 0% bis einschließlich 0,3% Chrom (Cr), 0,01% bis einschließlich 0,1% Aluminium (Al).
Stangenmaterial, insbesondere Rundmaterial mit 10 bis 40 mm Durchmesser, gebildet aus dem wälzfesten Vergütungsstahl nach Anspruch 1, vergütet auf mindestens 550 MPa Streckgrenze im Kern.
Gewindespindel (3) eines Kugelgewindetriebes, gebildet aus dem Stangenmaterial nach Anspruch 3, wobei die Gewindespindel (3) eine schraubenförmig um die Spindelachse gewundene Kugelrille (5) zum Abwälzen von Kugeln aufweist.
Verfahren zur Herstellung der Gewindespindel (3) nach Anspruch 5, bei dem das Stangenmaterial in einem Umformverfahren zu der Gewindespindel (3) umgeformt wird, wobei die Kugelrille (5) in die Mantelfläche des vergüteten Stangenmaterials eingewalzt wird, und wobei die Gewindespindel (3) randschichtgehärtet und angelassen wird.
Zahnstange (2) einer Zahnstangenlenkung eines Kraftfahrzeuges, gebildet aus dem Stangenmaterial nach Anspruch 3, wobei eine Verzahnung (4) durch eine Vielzahl von in einer Reihe entlang der Zahnstange angeordneten Zähnen (4a) gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung der Zahnstange (2) nach Anspruch 6, bei dem das Stangenmaterial in einem Umformverfahren zu der Zahnstange (2) umgeformt wird, wobei die Verzahnung (4) in die Mantelfläche des vergüteten Stangenmaterials eingewalzt wird, und wobei die Zahnstange (2) randschichtgehärtet und angelassen wird.
Zahnstangenelement (1), mit der Zahnstange (2) nach Anspruch 6 und mit der Gewindespindel (3) nach Anspruch 4, wobei die Zahnstange (2) und die Gewindespindel (3) einstückig miteinander verbunden sind.