DE102012217020A1

DE102012217020A1 - Kettenelement

Info

Publication number: DE102012217020A1
Application number: DE102012217020.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Poiret; Monir Asgarpour
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Catensys Germany GmbH
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2032-09-22
Also published as: CN104662329A; DE102012217020B4; US9958030B2; CN104662329B; WO2014044418A1; US20150233447A1

Abstract

Kettenelement (2), insbesondere Kettenbolzen (4) zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder (3), welches aus einem Kohlenstoff enthaltenden Grundmaterial (5), insbesondere Stahl, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Bor und Vanadium enthaltende Randschicht (7) aufweist, wobei die Randschicht (7) mittels eines Verfahrens hergestellt ist, wobei in einem ersten Verfahrensschritt eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials (5) gebildete Kohlenstoff und Vanadium enthaltende Zwischenschicht (6) und in einem folgenden zweiten Verfahrensschritt die Randschicht (7) durch Umwandlung der Zwischenschicht (6) durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht (6) gebildet ist.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Kettenelement, welches aus einem Kohlenstoff enthaltenden Grundmaterial, insbesondere Stahl, gebildet und als, insbesondere in Kettenantrieben verwendete, Kette oder als Teil einer solchen Kette wie z. B. als Kettenbolzen ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Gebiet der Erfindung
Hintergrund der Erfindung
Gattungsgemäße Kettenelemente werden z. B. als Kettenantriebe oder Teile entsprechender Kettenantriebe zur Übertragung von Kräften verwendet und kommen in einer Vielzahl an unterschiedlichen Gebieten der Technik, wie beispielsweise im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik, zum Einsatz.
Kettenelemente sind aufgrund der bei deren Betrieb herrschenden hohen mechanischen Beanspruchungen üblicherweise aus mechanisch besonders beanspruchbaren Stählen gebildet. Weiterhin ist es bekannt, Kettenelemente, insbesondere in den andere Kettenelemente oder sonstige Bauteile kontaktierenden Bereichen, mit einer die mechanischen Eigenschaften beeinflussenden Oberflächenmodifizierung, insbesondere Oberflächenhärtung zu versehen, worunter beispielsweise eine verschleißfeste und gegenüber korrosiven Medien stabile Beschichtung zu verstehen ist. Eine entsprechende Oberflächenmodifizierung, das heißt insbesondere die Ausbildung einer besonderen Randschicht, kann beispielsweise dazu dienen, dem das Kettenelement bildenden Grundmaterial im Bereich seiner Oberfläche ein verändertes Eigenschaftsspektrum zu verleihen. So kann beispielsweise ein Material, insbesondere ein Stahl, mit einer bestimmten Festigkeit und Zähigkeit mit einer besonders verschleißfesten und korrosionsstabilen Randschicht versehen und so gezielt in seinen mechanischen Eigenschaften verändert werden. Bekannte Verfahren zur Modifizierung der Oberfläche von Stählen, das heißt zur Ausbildung entsprechender Randschichten sind beispielsweise Aufkohlen (Carburieren), Nitrieren und/oder die Aufbringung von auf Titan oder Molybdän basierenden Beschichtungen.
Allerdings sind die durch entsprechende Prozesse ausgebildeten Randschichten im Hinblick auf die besonders verschleißintensiven und gegebenenfalls zusätzlich korrosiv wirkenden Bedingungen im Anwendungsbereich entsprechender Kettenelemente, welche sich z. B. durch Kontaminierung mit Schmiermitteln oder Schmiermittelrückständen oder Verbrennungsrückständen von Verbrennungsmotoren ergeben, für die spätere Anwendung häufig nicht oder nur bedingt zufriedenstellend.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein, insbesondere im Hinblick auf Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit verbessertes, Kettenelement anzugeben.
Zur Lösung des Problems ist bei einem Kettenelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass es eine Bor und Vanadium enthaltende Randschicht aufweist, wobei die Randschicht mittels eines Verfahrens hergestellt ist, wobei in einem ersten Verfahrensschritt eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials gebildete Kohlenstoff und Vanadium enthaltende Zwischenschicht und in einem folgenden zweiten Verfahrensschritt die Randschicht durch Umwandlung der Zwischenschicht durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht gebildet ist.
Die Zwischenschicht ist also durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des das Kettenelement bildenden Grundmaterials, das heißt insbesondere des das Kettenelement bildenden Stahls, gebildet und enthält im Wesentlichen Kohlenstoff und Vanadium, das heißt insbesondere Kohlenstoff-Vanadium-Verbindungen wie z. B. Vanadiumkarbid (VC). Die Randschicht ist zeitlich nachfolgend durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor in die zeitlich zuvor gebildete Zwischenschicht gebildet, wobei die Zwischenschicht vollständig in die Randschicht umgewandelt wird, und enthält im Wesentlichen Bor und Vanadium, das heißt insbesondere Bor-Vanadium-Verbindungen wie z. B. Vanadiumborid (VB₂). Demnach liegt die Zwischenschicht nur temporär vor und ist, nachdem die Randschicht durch vollständige Umwandlung der Zwischenschicht gebildet ist, nicht mehr vorhanden.
Die durch Umwandlung der Zwischenschicht gebildete Randschicht des erfindungsgemäßen Kettenelements grenzt unmittelbar an das das Kettenelement bildende bzw. wenigstens teilweise aus diesem gebildete Grundmaterial an. Mithin bildet die Randschicht insbesondere die freiliegende Oberfläche des erfindungsgemäßen Kettenelements.
Das erfindungsgemäße Kettenelement weist durch die Randschicht ein verbessertes Eigenschaftsprofil auf. Insbesondere weist das erfindungsgemäße Kettenelement durch die Ausbildung der Randschicht sowohl im Hinblick auf seine mechanischen Eigenschaften, wie insbesondere Oberflächenhärte, wobei weiterhin regelmäßig eine ausreichende Duktilität gewährleistet ist, Verschleißfestigkeit, Überrollfestigkeit etc., als auch auf seine Korrosionsbeständigkeit gegenüber korrosiven Medien, das heißt insbesondere den eingangs genannten Schmiermitteln wie, insbesondere degradierten, Schmierölen oder Schmierfetten etc., ein hervorragendes Eigenschaftsprofil auf.
Mithin kann das erfindungsgemäße Kettenelement z. B. ohne Weiteres unter den dort regelmäßig mechanisch wie auch korrosiv hoch beanspruchenden Betriebsbedingungen als Teil des Antriebsstrangs moderner Kraftfahrzeuge eingesetzt werden, wo es sich durch seine im Vergleich zu konventionellen Kettenelementen verbesserte Standzeit auszeichnet. Dies begründet sich insbesondere durch die vorgenannte erhöhte Verschleißfestigkeit gegenüber von im Betrieb des Kraftfahrzeugs entstehenden, aus Komponenten des Antriebsstrangs durch Verschleiß entstammenden abrasiven Partikeln wie auch der erhöhten Korrosionsbeständigkeit gegenüber der durch degradierte Schmiermittel bedingten korrosiven Umgebung der Randschicht des erfindungsgemäßen Kettenelements.
Die Ausbildung sowohl der Zwischenschicht als auch der Randschicht hat vorzugweise keinen oder nur einen geringfügigen Einfluss auf die Eigenschaften des das erfindungsgemäße Kettenelement bildenden Kohlenstoff enthaltenden Materials bzw. Grundmaterials, bei welchem es sich insbesondere um einen Stahl wie z. B. SAE 1010, SAE 1012, SAE 8620, DIN 16MnCr5 handelt, bzw. dessen Grundgefüge, in seinen Eigenschaften unverändert. Bevorzugt wird als Grundmaterial ein Werkstoff, d. h. insbesondere ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,8 Gew.-% verwendet. Das das Kettenelement bildende Grundmaterial kann beispielsweise auch aus Stählen vom Typ CK75 oder 100Cr6 gebildet sein.
Die Randschicht lässt sich gedanklich von dem übrigen Material des Kettenelements derart abgrenzen, dass einen im Vergleich zu dem das Kettenelement bildenden Grundmaterial höheren Anteil an Vanadium und Bor bzw. Vanadium-Bor-Verbindungen, wie z. B. VB₂, aufweist, was sich z. B. anhand von Schliffbildern darstellen lässt.
Gleichermaßen lässt sich derart erläutern, was erfindungsgemäß unter einem oberflächennahen Bereich des Kettenelements zu verstehen ist, nämlich jener Bereich des Kettenelements, in welchem die insbesondere Bor und Vanadium bzw. Vanadium-Bor-Verbindungen, wie z. B. VB₂, enthaltende Randschicht, ausgebildet ist.
Die Zwischenschicht ist erfindungsgemäß durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials des Kettenelements ausgebildet. Mithin kann in Abhängigkeit der jeweiligen im Rahmen der Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials des Kettenelements konkret ausgewählten respektive verwendeten Prozessparameter wie z. B. Temperatur, Druck, Dauer etc. gezielt Einfluss auf die auszubildende bzw. ausgebildete Kohlenstoff und Vanadium enthaltende Zwischenschicht genommen werden. Insbesondere sind derart die Eindringtiefe der Vanadiumatome respektive Vanadiumverbindungen sowie die Konzentration der Vanadiumatome respektive Vanadiumverbindungen wie insbesondere Kohlenstoff-Vanadium-Verbindungen mit gegebenenfalls unterschiedlichen Zusammensetzungen in der Zwischenschicht prozesstechnisch beeinflussbar bzw. kontrollierbar.
Gleiches gilt für die nachfolgende Ausbildung der Randschicht, das heißt, dass auch hier in Abhängigkeit der jeweiligen im Rahmen der Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht konkret ausgewählten respektive verwendeten Prozessparameter wie z. B. Temperatur, Druck, Dauer etc. gezielt Einfluss auf die auszubildende bzw. ausgebildete Bor und Vanadium bzw. Vanadium-Bor-Verbindungen enthaltende Randschicht genommen werden kann. Insbesondere sind derart die Eindringtiefe der Boratome respektive Borverbindungen sowie die Konzentration der Boratome respektive Borverbindungen wie insbesondere Vanadium-Bor-Verbindungen mit gegebenenfalls unterschiedlichen Zusammensetzungen in der Randschicht während der Ausbildung der Randschicht durch Umwandlung der Zwischenschicht prozesstechnisch beeinflussbar bzw. kontrollierbar.
Wie im Weiteren noch erläutert wird, können sowohl die Zwischenschicht als auch die Randschicht jeweils insbesondere über thermochemische Verfahren zur Diffusion von Vanadium, das heißt Vanadiumatomen und/oder Vanadiumverbindungen, in das Grundmaterial des Kettenelements im Rahmen der Ausbildung der Zwischenschicht bzw. Maßnahmen zur Diffusion von Bor, das heißt Boratomen und/oder Borverbindungen, in die Zwischenschicht im Rahmen der Ausbildung der Randschicht bzw. der Umwandlung der Zwischenschicht ausgebildet werden.
Die wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials des Kettenelements zur Ausbildung der Zwischenschicht umfasst hierbei vorteilhaft ein, insbesondere thermochemisches, Vanadieren des Grundmaterials des Kettenelements. Die wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht zur Umwandlung der Zwischenschicht, d. h. zur Ausbildung der Randschicht umfasst vorteilhaft ein, insbesondere thermochemisches, Borieren der Zwischenschicht.
Die Randschicht weist beispielsweise eine Härte von 1000–3000 HV (Härte Vickers), insbesondere größer 1500 HV, auf. Die sonach jeweils hohe Härte der Randschicht trägt wesentlich zu der verbesserten Verschleißfestigkeit des erfindungsgemäßen Kettenelements bei. Selbstverständlich kann die Härte der Randschicht in Ausnahmen auch unterhalb 1000 HV sowie oberhalb 3500 HV liegen.
Die Randschicht weist beispielsweise eine Schichtdicke von 1 bis 25 μm, bevorzugt von 5 bis 20 μm, auf. Wie erwähnt, kann die Schichtdicke der Randschicht insbesondere über eine Auswahl und Einstellung der im Rahmen ihrer Ausbildung angewandten Prozessparameter beeinflusst werden. Das Gleiche gilt für die Zwischenschicht, welche in die Randschicht umzuwandeln ist. Demzufolge ist es grundsätzlich auch möglich, dass bedingt durch die im Rahmen der jeweiligen Maßnahmen zur Ausbildung der Zwischenschicht und der Randschicht verwendeten Prozessparameter die Zwischenschicht eine größere Schichtdicke als die im Folgenden ausgebildete Randschicht aufweist, oder umgekehrt. Selbstverständlich kann die Schichtdicke der Randschicht in Ausnahmen auch unterhalb 1 μm sowie oberhalb 25 μm liegen.
Das erfindungsgemäße Kettenelement ist insbesondere ein Kettenbolzen zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder einer Kette. Kettenbolzen sind regelmäßig hoch beanspruchte Komponente einer Kette, so dass die erfindungsgemäße Ausbildung einer Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht, wobei die Randschicht mittels eines Verfahrens hergestellt ist, wobei in einem ersten Verfahrensschritt eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials gebildete Kohlenstoff und Vanadium enthaltende Zwischenschicht und in einem folgenden zweiten Verfahrensschritt die Randschicht durch Umwandlung der Zwischenschicht durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht gebildet ist, besonders zweckmäßig ist.
Grundsätzlich gelten sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Kettenelement analog für den erfindungsgemäßen Kettenbolzen.
Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem Kohlenstoff enthaltenden Grundmaterial, insbesondere Stahl, gebildeten Kettenelements, insbesondere eines Kettenbolzens zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder, mit einer Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte Schritte Bereitstellen eines aus einem Kohlenstoff enthaltenden Grundmaterial, insbesondere Stahl, gebildeten Kettenelements, Durchführen wenigstens einer Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials zur Ausbildung einer Kohlenstoff und Vanadium enthaltenden Zwischenschicht und nachfolgendes Durchführen wenigstens einer Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht, so dass die Zwischenschicht unter Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht in die Randschicht umgewandelt wird. Der Verfahrensschritt des Durchführens der wenigstens einen Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials zur Ausbildung einer Kohlenstoff und Vanadium enthaltenden Zwischenschicht kann als erster Verfahrensschritt zur Ausbildung des Kettenelements erachtet werden. Der Verfahrensschritt des Durchführens der wenigstens einen Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht, so dass die Zwischenschicht unter Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht in die Randschicht umgewandelt wird, kann als zweiter Verfahrensschritt zur Ausbildung des Kettenelements erachtet werden.
Dabei wird vorteilhaft als wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials des Kettenelements zur Ausbildung der Kohlenstoff und Vanadium enthaltenden Zwischenschicht ein, insbesondere thermochemisches, Vanadieren des Grundmaterials durchgeführt. Als wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht während des Umwandelns der Zwischenschicht zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht wird vorteilhaft ein, insbesondere thermochemisches, Borieren durchgeführt.
Im Rahmen des zur Ausbildung der Zwischenschicht vorteilhaft vorgesehenen thermochemischen Vanadierens des Grundmaterials des Kettenelements erfolgt z. B. eine Aufbringung eines Vanadium enthaltenden Pulvers oder einer Vanadium enthaltenden Paste auf das Grundmaterial des Kettenelements, wobei unter Einfluss von Temperatur eine Diffusion von Vanadium aus dem Pulver oder der Paste in das Grundmaterial des Kettenelements erfolgt.
Ausgehend von einer beispielhaften Vanadium enthaltenden Pulvermischung, welche Fe-V, Al₂O₃, NH₄Cl umfasst, können zur Ausbildung der Zwischenschicht bei Temperaturen von z. B. 950–1250°C die chemischen Reaktionen gemäß Gleichungen (1)–(4) erfolgen. NH₄Cl ↔ NH_3(g) + HCl_(g) (1) V + 2HCl_(g) ↔ VCl₂ + H_2(g) (2) V + 3HCl_(g) ↔ VCl₃ + 1,5H_2(g) (3) 2VCl₃ ↔ VCl₂ + VCl_4(g) (4)
Bei weiterer Erhöhung der Temperatur können die gemäß Gleichung (4) gebildeten, insbesondere gasförmigen, Vanadium-Chlorid-Verbindungen mit dem Grundmaterial, das heißt Stahl und sonach einer Eisenverbindung, des Kettenelements gemäß den Gleichungen (5) und (6) chemisch miteinander reagieren, wobei sich die im Wesentlichen Vanadiumkarbid (VC) enthaltende Zwischenschicht ausbildet. VCl_4(g) + 2Fe ↔ V + 2FeCl_2(g) (5) VCl_3(g) + 1,5Fe ↔ V + 1,5FeCl_2(g) (6) V + C ↔ VC (7)
Mithin sind die in den Gleichungen (1) bis (7) dargestellten chemischen Vorgänge allesamt Teil des Vanadierens des Grundmaterials des Kettenelements zur Ausbildung der Zwischenschicht, in welcher sonach letztlich im Wesentlichen Kohlenstoff-Vanadium-Verbindungen wie z. B. Vanadiumkarbid (VC) vorliegen.
Bei im Vergleich reduzierten Temperaturen im Bereich von ca. 950–1000°C kann im Weiteren das Borieren des Kettenelements, das heißt der zuvor gebildeten Zwischenschicht erfolgen. Ebenso ausgehend von einem Bor oder Borverbindungen enthaltenden Pulver, welches auf die Zwischenschicht aufgebracht wird, erfolgt eine Diffusion von Bor in die Zwischenschicht, in welcher es mit den dort vorhandenen Kohlenstoff-Vanadiumverbindungen, das heißt insbesondere Vanadiumkarbid (VC) wechselwirkt bzw. insbesondere gemäß Gleichung (8) reagiert, wobei die Zwischenschicht vollständig in die Randschicht umgewandelt wird, wobei die Randschicht gebildet wird. VC + B ↔ VB₂ + C (8)
Die Randschicht weist sonach als Bor-Vanadium-Verbindung insbesondere Vanadiumborid (VB₂) auf. Eisen-Borid-Verbindungen werden nicht bzw., wenn überhaupt, nur in geringfügigem Maß gebildet.
Die wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials zur Ausbildung der Kohlenstoff und Vanadium enthaltenden Zwischenschicht kann in einem Temperaturbereich von 900–1300°C, insbesondere 950–1250°C, durchgeführt werden. Die wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht kann in einem Temperaturbereich von 800–1100°C, insbesondere 950–1000°C, durchgeführt werden. Über die Temperatur bei der Durchführung der wenigstens einen Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials zur Ausbildung der Zwischenschicht respektive bei der Durchführung der wenigstens einen Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht zur Umwandlung der Zwischenschicht bzw. zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht kann prozesstechnisch Einfluss auf die Eigenschaften wie z. B. Härte, Eindringtiefe, Homogenität etc. sowohl der Zwischenschicht als auch der nachfolgend gebildeten Randschicht genommen werden. Selbstverständlich können die genannten Temperaturen bzw. Temperaturbereiche in Ausnahmen auch über- oder unterschritten werden.
Es ist möglich, dass die wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials zur Ausbildung der Kohlenstoff und Vanadium enthaltenden Zwischenschicht und die wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht je für eine Dauer von 1–24 Stunden, insbesondere 2–8 Stunden, durchgeführt werden. Über die Dauer der jeweiligen Maßnahmen sowohl zur Ausbildung der Zwischenschicht als auch der nachfolgend gebildeten Randschicht, das heißt insbesondere die jeweilige Dauer für das thermochemische Vanadieren des Grundmaterials des Kettenelements und für das diesem nachfolgende thermochemische Borieren der Zwischenschicht kann prozesstechnisch Einfluss auf die Eigenschaften wie z. B. Härte, Eindringtiefe, Homogenität etc. der Zwischenschicht genommen werden. Selbstverständlich kann bzw. können die Maßnahmen zur Ausbildung der Zwischenschicht und/oder der Randschicht in Ausnahmen auch kürzer oder länger als die genannten Zeiten erfolgen.
Die Maßnahmen zur Ausbildung der Randschicht werden vorteilhaft derart durchgeführt, dass die Randschicht eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 25 μm, aufweist. Insbesondere können die Maßnahmen zur Ausbildung der Zwischenschicht als auch der nachfolgend gebildeten Randschicht derart ausgeführt werden, dass die Zwischenschicht eine Schichtdicke von 1 bis 25 μm, bevorzugt von 1 bis 5 μm, und die nachfolgend gebildete Randschicht eine Schichtdicke von 1–25 μm, bevorzugt von 5 bis 20 μm, aufweist, oder umgekehrt.
Grundsätzlich gelten sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines aus einem Kohlenstoff enthaltenden Grundmaterial, insbesondere Stahl, gebildeten Kettenelements, insbesondere eines Kettenbolzens zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder, mit einer Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht analog für das erfindungsgemäße Kettenelement sowie für den erfindungsgemäßen Kettenbolzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen charakteristischen Ausschnitt einer Kette, umfassend mehrere Kettenelemente;
2 ein Kettenelement in Form eines Kettenbolzens zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder einer Kette; und
3–6 die wesentlichen Verfahrensschritte während der Herstellung eines Kettenelements.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt einen charakteristischen Ausschnitt einer Kette 1, umfassend mehrere Kettenelemente 2. Die Kette 1 kann als Zahnkette ausgebildet sein und so beispielsweise zur Kraftübertragung im Antriebsstrang oder als Teil des Antriebsstranges eines Kraftfahrzeugs dienen.
Ersichtlich umfasst die Kette 1 mehrere Kettenelemente 2 in Form von aufeinander folgend angeordneten, insbesondere laschenförmigen, Kettengliedern 3, welche über Kettenbolzen 4 miteinander verbunden sind. 2 zeigt eine gesonderte Darstellung eines Kettenelements 2 in Form eines Kettenbolzens 4 zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder 3 einer Kette 1.
Die die Kette 1 bildenden Kettenelemente 2, das heißt die Kettenglieder 3 und die Kettenbolzen 4 sind aus einem metallischen, auf Kohlenstoff und Eisen basierenden Grundmaterial 5, das heißt einem Stahl wie z. B. CK75, gebildet. Die Kettenelemente 2 wurden zwei verschiedenen thermochemischen Oberflächenbehandlungen unterzogen.
Nach dem Bereitstellen (vgl. 3) eines aus einem Kohlenstoff und Eisen enthaltenden Grundmaterial 5, d. h. einem Stahl, wie z. B. CK75, gebildeten Kettenelement 2 erfolgt als Erstes eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in das Grundmaterial 5 des Kettenelements 2, wobei sich eine unmittelbar an das Grundmaterial 5 angrenzende Zwischenschicht 6, welche im Wesentlichen Kohlenstoff und Vanadium bzw. Kohlenstoff-Vanadium-Verbindungen wie insbesondere Vanadiumkarbid (VC) enthält, ausbildet (vgl. 4).
Nachfolgend wurde eine Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht 6 durchgeführt, wobei die Zwischenschicht 6 vollständig in eine Randschicht 7 umgewandelt wird (vgl. 5), d. h. es wird eine Randschicht 7, welche im Wesentlichen Bor und Vanadium bzw. Bor-Vanadium-Verbindungen wie insbesondere Vanadiumborid (VB₂) enthält, ausgebildet (vgl. 6).
Demnach liegt die Zwischenschicht 6 nur temporär vor und ist, nachdem die Randschicht 7 durch vollständige Umwandlung der Zwischenschicht 6 gebildet ist, nicht mehr vorhanden.
Die Randschicht 7 kann als die Außenfläche des Kettenelements 2 erachtet werden.
Konkret wird als Maßnahme zur Ausbildung der Zwischenschicht 6 ein thermochemisches Vanadieren des Kettenelements 2 durchgeführt, bei welchem aus einem auf das Kettenelement 2 aufgebrachten Vanadium bzw. Vanadiumverbindungen enthaltenden Pulver oder einer Vanadium bzw. Vanadiumverbindungen enthaltenden Paste bei erhöhten Temperaturen im Bereich von 950–1250°C Vanadiumatome bzw. Vanadiumverbindungen in das Grundmaterial 5 des Kettenelements 2 diffundieren, wodurch sich die Zwischenschicht 6 bildet.
Als nachfolgend durchgeführte Maßnahme zur Umwandlung der Zwischenschicht 6 bzw. zur Ausbildung der Randschicht 7 wird ein thermochemisches Borieren der Zwischenschicht 6 durchgeführt, bei welchem aus einem auf die Zwischenschicht 6 aufgebrachten Bor bzw. Borverbindungen enthaltenden Pulver oder einer Bor bzw. Borverbindungen enthaltenden Paste bei erhöhten Temperaturen im Bereich von 950–1000°C Boratome bzw. Borverbindungen in die im Wesentlichen Vanadium-Kohlenstoff-Verbindungen wie Vanadiumkarbid enthaltende Zwischenschicht 6 diffundieren, wodurch die Zwischenschicht 6 in die Randschicht 7 umgewandelt wird, wodurch sich die Randschicht 7 bildet.
Die Prozessdauer für die Durchführung des Vanadierens respektive des diesem nachfolgenden Borierens kann z. B. jeweils insgesamt 6 Stunden betragen.
Die gebildete Randschicht 7 weist z. B. eine Dicke von ca. 20 μm auf.
Die Härte der Randschicht 7 liegt bei ca. 2500 HV (Härte Vickers).
Die Randschicht 7 verleiht dem Kettenelement 2 ein verbessertes Eigenschaftsprofil, wobei insbesondere die Verschleißfestigkeit bedingt durch die hohe Härte im Bereich von ca. 2500 HV der Randschicht 7 sowie die Korrosionsbeständigkeit verbessert ist.
Die Herstellung eines Kettenelements 2, insbesondere eines Kettenbolzens 4 zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder 3, mit einer Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht 7 erfolgt durch ein Verfahren mit den Schritten Bereitstellen eines aus einem Kohlenstoff enthaltenden Grundmaterial 5, insbesondere Stahl, gebildeten Kettenelements 2 (vgl. 3), Durchführen wenigstens einer Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials 5 zur Ausbildung einer Kohlenstoff und Vanadium enthaltenden Zwischenschicht 6 (vgl. 4) und nachfolgendes Durchführen wenigstens einer Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht 6, so dass die Zwischenschicht 6 unter Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht 7, in die Randschicht 7 umgewandelt wird (vgl. 5, 6).
Wie erwähnt, wird als eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials 5 des Kettenelements 2 zur Ausbildung der Kohlenstoff und Vanadium enthaltenden Zwischenschicht 6 bevorzugt ein thermochemisches Vanadieren des Grundmaterials 5 durchgeführt und als Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht 6 zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht 7 bevorzugt ein thermochemisches Borieren der Zwischenschicht 6 durchgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Kette
2: Kettenelement
3: Kettenglied
4: Kettenbolzen
5: Grundmaterial
6: Zwischenschicht
7: Randschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

SAE 1010 [0011]
SAE 1012 [0011]
SAE 8620 [0011]
DIN 16MnCr5 [0011]

Claims

Kettenelement (2), insbesondere Kettenbolzen (4) zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder (3), welches aus einem Kohlenstoff enthaltenden Grundmaterial (5), insbesondere Stahl, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Bor und Vanadium enthaltende Randschicht (7) aufweist, wobei die Randschicht (7) mittels eines Verfahrens hergestellt ist, wobei in einem ersten Verfahrensschritt eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials (5) gebildete Kohlenstoff und Vanadium enthaltende Zwischenschicht (6) und in einem folgenden zweiten Verfahrensschritt die Randschicht (7) durch Umwandlung der Zwischenschicht (6) durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht (6) gebildet ist.
Kettenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht (7) aus VB₂ gebildet ist.
Kettenelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials (5) Vanadieren des Grundmaterials (5) umfasst und die wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht (6) Borieren der Zwischenschicht (6) umfasst.
Kettenelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht (7) eine Härte von 1000–3000 HV, insbesondere größer 1500 HV, aufweist.
Kettenelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht (7) eine Schichtdicke von 1 bis 25 μm, bevorzugt von 5 bis 20 μm, aufweist.
Kettenbolzen (4) zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder (3) einer Kette (1), welcher aus Kohlenstoff enthaltenden Grundmaterial (5), insbesondere Stahl, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Bor und Vanadium enthaltende Randschicht (7) aufweist, wobei die Randschicht (7) mittels eines Verfahrens hergestellt ist, wobei in einem ersten Verfahrensschritt eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials (5) gebildete Kohlenstoff und Vanadium enthaltende Zwischenschicht (6) und in einem folgenden zweiten Verfahrensschritt die Randschicht (7) durch Umwandlung der Zwischenschicht (6) durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht (6) gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines aus einem Kohlenstoff enthaltenden Grundmaterial (5), insbesondere Stahl, gebildeten Kettenelements (2), insbesondere eines Kettenbolzens (4) zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder (3), mit einer Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht (7), gekennzeichnet durch die Schritte: – Bereitstellen eines aus einem Kohlenstoff enthaltenden Grundmaterial (5), insbesondere Stahl, gebildeten Kettenelements (2), – Durchführen wenigstens einer Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials (5) zur Ausbildung einer Kohlenstoff und Vanadium enthaltenden Zwischenschicht (6) und nachfolgendes – Durchführen wenigstens einer Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht (6), so dass die Zwischenschicht (6) unter Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht (7), in die Randschicht (7) umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials (5) zur Ausbildung der Kohlenstoff und Vanadium enthaltenden Zwischenschicht (6) ein Vanadieren des Grundmaterials (5) durchgeführt wird und als Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht (6) zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht (7) ein Borieren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials (5) zur Ausbildung der Kohlenstoff und Vanadium enthaltenden Zwischenschicht (6) in einem Temperaturbereich von 900–1300°C, insbesondere 950–1250°C, durchgeführt wird und die wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht (6) zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht (7) in einem Temperaturbereich von 800–1100°C, insbesondere 950–1000°C, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Grundmaterials (5) zur Ausbildung der Kohlenstoff und Vanadium enthaltenden Zwischenschicht (6) und die wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor in die Zwischenschicht (6) zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht (7) je für eine Dauer von 1–24 Stunden, insbesondere 2–8 Stunden, durchgeführt werden.