DE102013224851A1

DE102013224851A1 - Kettenelement

Info

Publication number: DE102013224851A1
Application number: DE102013224851.2A
Authority: DE
Inventors: Monir Asgarpour
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2015-06-11
Also published as: CN105793445B; CN105793445A; US11035436B2; WO2015081938A1; US20160245367A1

Abstract

Kettenelement (2), insbesondere für eine Kraftübertragungskette eines Kettentriebes, welches aus einem Kohlenstoff enthaltenden Material, insbesondere Stahl, gebildet ist, gekennzeichnet durch eine Kernschicht (5) mit einem Gefüge aus einer ferritischen Matrix mit wenigstens einer darin verteilten Hartphase und einer gehärteten Randschicht (6) mit einem martensitischen Gefüge.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kettenelement, welches aus einem Kohlenstoff enthaltenden Material, insbesondere Stahl, gebildet ist.
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 auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik, zum Einsatz. Derartige Kettenelemente sind aufgrund der bei deren Betrieb herrschenden hohen mechanischen Beanspruchungen üblicherweise aus mechanisch besonders beanspruchbaren Stählen gebildet.
Um der Ausbildung einsatzbedingter Reibungs- und Verschleißerscheinungen entgegen zu wirken, sind gängige Kettenelemente regelmäßig im Hinblick auf die Eigenschaftskombination aus Duktilität, Härte Festigkeit und Zähigkeit verbesserungswürdig.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kettenelement anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Kettenelement der eingangs genannten Art gelöst, welches sich erfindungsgemäß durch eine Kernschicht mit einem Gefüge aus einer ferritischen Matrix mit wenigstens einer darin verteilten Hartphase und einer gehärteten Randschicht mit einem martensitischen Gefüge auszeichnet.
Das erfindungsgemäße Kettenelement ist grundsätzlich aus einem auf Kohlenstoff basierenden Material gebildet. Dabei kann es sich insbesondere um einen unlegierten oder legierten Stahl handeln. Es ist also möglich, das Eigenschaftsspektrum des das erfindungsgemäße Kettenelement bildenden Materials durch Zulegierung bestimmter Legierungselemente bereits von Haus aus zu beeinflussen, d. h. insbesondere im Hinblick auf eine bestimmte Anwendungssituation des Kettenelements, anzupassen.
Dass das Kettenelement bildende Material ist jedoch, insbesondere thermisch bzw. thermochemisch, so modifiziert, dass eine Kernschicht und eine diese umgebende Randschicht gebildet ist. Die Randschicht des erfindungsgemäßen Kettenelements grenzt unmittelbar an die Kernschicht an. Mithin bildet die Randschicht die nach außen freiliegende Außen- bzw. Oberfläche des erfindungsgemäßen Kettenelements.
Die Kernschicht weist ein Gefüge bestehend aus einer ferritischen Matrix mit wenigstens einer darin verteilten Hartphase auf. Das Gefüge der Kernschicht ist also im Wesentlichen wenigstens zweiphasig. Die ferritische Matrix ist aus Ferrit gebildet oder enthält im Wesentlichen Ferrit. Der Ferrit verleiht der Kernschicht und sonach auch dem erfindungsgemäßen Kettenelement aufgrund seiner vergleichsweise geringen Härte eine besondere Duktilität und Zähigkeit. Da die Hartphase deutlich härter als die ferritische Matrix ist, unterscheidet sich die Hartphase von der ferritischen Matrix insbesondere durch ihre Härte.
Die gehärtete Randschicht weist ein martensitisches Gefüge auf. Das Gefüge der Randschicht ist also im Wesentlichen einphasig. Die Randschicht ist aus Martensit gebildet oder enthält als wesentlichen Anteil Martensit. Das martensitische Gefüge verleiht der Randschicht und sonach auch dem erfindungsgemäßen Kettenelement eine hohe Härte. Da die Randschicht deutlich härter als die Kernschicht ist, unterscheidet sich die gehärtete Randschicht insbesondere durch ihre Härte von der Kernschicht.
Bedingt durch seinen besonderen strukturellen Aufbau, bestehend aus einer Kernschicht mit einem Gefüge aus einer ferritischen Matrix mit wenigstens einer darin verteilten Hartphase und einer gehärteten Randschicht mit einem martensitischen Gefüge weist das erfindungsgemäße Kettenelement eine besondere Eigenschaftskombination aus Duktilität, Härte Festigkeit und Zähigkeit auf. Die Ausprägung der einzelnen Eigenschaften lässt sich insbesondere im Rahmen der Herstellung des erfindungsgemäßen Kettenelements beeinflussen bzw. steuern.
Die gehärtete Randschicht kann über eine martensitische Umwandlung zumindest der oberflächennahen Bereiche des Kettenelements gebildet sein. Mithin wird das Kettenelement zur Ausbildung der gehärteten Randschicht zweckmäßig einer Maßnahme zur Umwandlung von nicht martensitischem Gefüge in martensitisches Gefüge erfolgen. Wie sich im Weiteren noch ergibt, kann eine solche Maßnahme beispielsweise in einem abrupten Abkühlen, d. h. Abschrecken, eines zuvor oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmten Kettenelements bestehen.
Die in der Kernschicht verteilte Hartphase kann ebenso aus Martensit gebildet sein oder Martensit enthalten. Das Gefüge der Hartphase kann sonach ebenso martensitisch sein. Entsprechend kann das Gefüge der Kernschicht einem Gefüge eines Dualphasenstahls entsprechen, dessen Gefüge sich charakteristisch durch eine ferritische Matrix mit darin, insbesondere inselartig, verteilten martensitischen Strukturen auszeichnet. Das Verhältnis von ferritischem Gefüge zu martensitischem Gefüge kann beispielsweise 80% Matrix / 20% martensitischer Hartphase sein. Der Anteil der martensitischen Hartphase sollte 20% nicht überschreiten. Eine gemäß einem Dualphasenstahl ausgebildete Kernschicht verleiht dem erfindungsgemäßen Kettenelement eine vergleichsweise niedrige und somit für Umformprozesse günstige Streckgrenze und eine vergleichsweise hohe Zugfestigkeit.
Die gehärtete Randschicht kann eine Härte von 600–1800 HV (Härte Vickers), insbesondere größer 1000 HV, aufweisen. Die vergleichsweise hohe Härte der gehärteten Randschicht trägt wesentlich zu der Verschleißfestigkeit des erfindungsgemäßen Kettenelements bei. Selbstverständlich kann die Härte der Randschicht in Ausnahmen auch unterhalb 600 HV bzw. oberhalb 1800 HV liegen.
Bei dem erfindungsgemäßen Kettenelement kann es sich z. B. um eine Kettenlasche (Kettenplatte) oder eine Kettenhülse oder einen Kettenbolzen handeln. Selbstverständlich kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Kettenelement auch um andere Bestandteile einer Kette, insbesondere einer Kraftübertragungskette, wie beispielsweise einer Zahnkette, handeln.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem Kohlenstoff enthaltenden Material, insbesondere Stahl, gebildeten Kettenelements, mit einer Kernschicht mit einem Gefüge aus einer ferritischen Matrix mit wenigstens einer darin verteilten Hartphase und einer gehärteten Randschicht mit einem martensitischen Gefüge. Das erfindungsgemäße Verfahren dient sonach insbesondere der Herstellung eines erfindungsgemäßen Kettenelements.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Bereitstellen eines aus einem Kohlenstoff enthaltenden Material, insbesondere Stahl, gebildeten Kettenelements,
– Erwärmen und Halten des Kettenelements auf einer oberhalb der Austenitisierungstemperatur des das Kettenelement bildenden Materials liegende Temperatur derart, dass eine einheitliche Austenitphase gebildet wird,
– Durchführen wenigstens einer Maßnahme zum Einbringen von Kohlenstoff in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements,
– Abschrecken des Kettenelements derart, dass sich eine Kernschicht mit einem Gefüge aus einer ferritischen Matrix mit wenigstens einer darin verteilten Hartphase und eine gehärtete Randschicht mit einem martensitischen Gefüge bildet.

In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein aus einem auf Kohlenstoff enthaltenden Material gebildetes Kettenelement bereitgestellt. Das bereitzustellende oder bereitgestellte Kettenelement ist typischerweise aus einem härtbaren Stahl gebildet. Es kann sich dabei um einen unlegierten oder legierten Stahl handeln. Bei dem Kettenelement kann es sich beispielsweise um eine Kettenlasche (Kettenplatte) oder eine Kettenhülse oder einen Kettenbolzen handeln.
In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kettenelement auf eine oberhalb der Austenitisierungstemperatur des das Kettenelement bildenden Materials liegende Temperatur, d. h. typischerweise oberhalb 723°C temperiert und dort gehalten, so dass eine einheitliche Austenitphase gebildet wird. Die Gefügestruktur des Kettenelements wird sonach austenitisiert und homogenisiert, bis ein (im Wesentlichen) einheitliches austenitisches Gefüge vorliegt.
Konkrete Temperaturen und Haltedauern hängen von der konkreten chemischen Zusammensetzung, insbesondere der anteilsmäßigen chemischen Zusammensetzung, des das Kettenelement bildenden Ausgangsmaterials sowie von der erwünschten chemischen Zusammensetzung, insbesondere der erwünschten anteilsmäßigen chemischen Zusammensetzung, des herzustellenden Kettenelements ab.
Typischerweise wird das Kettenelement auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 830 und 1000°C, insbesondere oberhalb 830°C, erwärmt. Das Kettenelement wird auf der oberhalb der Austenitisierungstemperatur liegenden Temperatur typischerweise für 10 bis 60 Minuten gehalten. Sowohl die Temperatur als auch die Haltedauer betreffend können in Ausnahmefällen selbstverständlich Abweichungen von den angegebenen Werten gegeben sein. Wesentlich ist, dass eine einheitliche Überführung des Gefüges des Kettenelements in eine austenitische Phase stattfindet.
In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens eine Maßnahme zum Einbringen von Kohlenstoff in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements durchgeführt. Neben Kohlenstoff können hierbei weitere Elemente in die oberflächennahen Bereiche des Kettenelements eingebracht werden. Für den dritten Schritt ist wesentlich, dass eine Anreicherung von Kohlenstoff in der Oberfläche respektive in oberflächennahen Bereichen des Kettenelements erfolgt, welche die Grundlage für die folgende Ausbildung der gehärteten Randschicht des herzustellenden Kettenelements darstellt.
Bei der Maßnahme zum Einbringen von Kohlenstoff in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements kann es sich beispielsweise um ein Aufkohlen (Karburieren) handeln. Im Rahmen des Aufkohlens können feste, flüssige oder gasförmige Aufkohlungsmittel eingesetzt werden. Bei der Maßnahme kann es sich beispielsweise auch um ein Karbonitrieren, d. h. eine besondere Form des Einsatzhärtens, in welcher neben Kohlenstoff auch Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements eingebracht werden, handeln.
In einem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Abkühlen bzw. Abschrecken des Kettenelements derart, dass sich eine Kernschicht, mit einem Gefüge aus einer ferritischen Matrix mit wenigstens einer darin verteilten Hartphase, welche insbesondere ebenso aus Martensit gebildet ist oder Martensit enthält, und eine Randschicht mit einem martensitischen Gefüge bildet. Die durch die Abschreckung bedingte unterschiedliche Gefügeausbildung zwischen der Kernschicht und der Randschicht ergibt sich durch die vorherige Anreicherung der die Randschicht bildenden oberflächennahen Bereiche des Kettenelements mit Kohlenstoff, so dass hier aufgrund des im Vergleich hohen Kohlenstoffgehalts eine martensitische Umwandlung besonders begünstigt erfolgt.
Die Abschreckung kann z. B. durch Einbringen des erwärmten Kettenelements in ein Ölbad oder ein Salzbad realisiert werden. Je nach Wahl des Abschreckmediums kann die Abschreckung auf unterschiedliche Temperaturen erfolgen. Typischerweise wird das Kettenelement auf eine Temperatur im Bereich zwischen 0 und 400°C, insbesondere zwischen 25 und 300°C, abgeschreckt.
Grundsätzlich lassen sich über eine Änderung und Einstellung bestimmter Prozessparameter im Rahmen einzelner oder mehrerer Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens unterschiedliche Eigenschaften des herzustellenden Kettenelements realisieren. Derart lassen sich insbesondere die Schichtdicke, die Gefügehomogenität etc. der Kernschicht bzw. der Randschicht gezielt variieren.
Grundsätzlich gelten sämtliche Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Kettenelement analog für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein Kettenelement in Form einer Kettenplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3–5 die wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Kettenelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt einen charakteristischen Ausschnitt einer Kette 1. Die Kette 1 ist aus mehreren miteinander verbundenen Kettenelement 2 gebildet. Ersichtlich umfasst die Kette 1 daher mehrere Kettenelemente 2 in Form von aufeinander folgend angeordneten, insbesondere laschenförmigen, Kettenplatten 3, welche über Kettenbolzen 4 miteinander verbunden sind. Die Kette 1 kann als Zahnkette ausgebildet sein und so beispielsweise zur Kraftübertragung im Antriebsstrang oder als Teil des Antriebsstranges eines Kraftfahrzeugs dienen.
2 zeigt eine gesonderte Darstellung eines Kettenelements 2 in Form einer Kettenplatte 3, welche im in einer Kette 1 verbauten Zustand über in dieser ausgebildete Bohrungen von Kettenbolzen 4 durchsetzt und derart mit einer weiteren Kettenplatte 3 verbunden ist. Die in 2 gezeigte Darstellung ist eine Längsschnittansicht durch das Kettenelement 2.
Das Kettenelement 2 ist ursprünglich aus einem metallischen, auf Kohlenstoff und Eisen basierenden Material, das heißt einem Stahl wie z. B. CK75, gebildet. Ersichtlich weist das in 2 gezeigte fertige Kettenelement 2 eine Kernschicht 5 sowie eine diese umgebende Randschicht 6 auf.
Die Kernschicht 5 und die Randschicht 6 unterscheiden sich durch ihre Gefügestrukturen und ihre daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Härte, Duktilität und Zähigkeit. Die Kernschicht 5 weist ein Gefüge aus einer ferritischen Matrix mit einer darin verteilten martensitischen Hartphase auf, so dass das Gefüge der Kernschicht 5 dem Gefüge eines Dualphasenstahls entspricht. Die Kernschicht 5 verleiht dem Kettenelement 2 sonach insbesondere eine bestimmte Duktilität, Festigkeit und Zähigkeit.
Dagegen weist die Randschicht 6 allein ein martensitisches Gefüge auf. Die Randschicht 6 ist also aus Martensit gebildet, was ihr und dem Kettenelement 2 eine hohe Härte verleiht. Die Härte der Randschicht 6 liegt bei ca. 1200 HV (härte Vickers). Die Schichtdicke der Randschicht 6 liegt beispielsweise bei ca. 15 µm.
Die 3–5 zeigen die wesentlichen Verfahrensschritte im Rahmen der Herstellung eines, wie z. B. in den 1, 2 gezeigten, Kettenelements 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In dem in 3 dargestellten Verfahrensschritt wird ein zuvor bereitgestelltes Kettenelement 2, welches aus einem Stahl gebildet ist, auf eine Temperatur oberhalb der Austenisitisierungstemperatur des das Kettenelement 2 bildenden Materials, d. h. typischerweise auf mehr als 830°C, erhitzt und dort für eine bestimmte Dauer, z. B. eine halbe Stunde, gehalten. Sowohl die Temperatur als auch die Haltedauer kann insbesondere in Abhängigkeit der konkreten chemischen Zusammensetzung des bereitgestellten Kettenelements 2 bzw. der erwünschten Eigenschaften des herzustellenden Kettenelements 2 variieren.
Die Erwärmung des Kettenelements 2 auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur und das Halten des Kettenelements 2 auf dieser Temperatur bedingt die Ausbildung eines einheitlichen austenitischen Gefüges (γ-Phase, wie in 3 durch den Buchstaben γ angedeutet).
In dem in 4 dargestellten Verfahrensschritt wird bzw. wurde wenigstens eine Maßnahme zum Einbringen zumindest von Kohlenstoff in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements 2 durchgeführt. Das Einbringen des Kohlenstoffs erfolgt insbesondere diffusiv bzw. thermochemisch. Das Einbringen des Kohlenstoffs kann z. B. über Karburieren (Aufkohlen) oder Karbonitrieren erfolgen. Es ist dabei wesentlich, dass eine Anreicherung von Kohlenstoff in der Oberfläche respektive in oberflächennahen Bereichen des Kettenelements 2 erfolgt, welche die Grundlage für die nachfolgende Ausbildung der gehärteten Randschicht 6 des Kettenelements 2 darstellt. Wie durch die Kennzeichnungen C1 und C2 angedeutet, ist der Kohlenstoffgehalt in dem durch die Strichlierung angedeuteten oberflächennahen Bereichen des Kettenelements 2 höher (C1) als in inneren Bereichen des Kettenelements 2 (C2).
In dem in 5 gezeigten Verfahrensschritt wurde das Kettenelement 2 in einem Ölbad oder einem Salzbad auf eine Temperatur im Bereich zwischen 25 und 300°C abgeschreckt. Die abrupte Abkühlung des Kettenelements 2 führt dazu, dass sich eine Kernschicht 5, mit einem Gefüge aus einer ferritischen Matrix (α-Phase, wie in 5 durch den Buchstaben α angedeutet) mit wenigstens einer darin inselartig verteilten martensitischen Hartphase (wie in 5 durch die Buchstaben MS angedeutet) und eine gehärtete Randschicht 6 mit einem martensitischen Gefüge MS bildet.
Die durch die Abschreckung bedingte unterschiedliche Gefügeausbildung zwischen der Kernschicht 5 und der Randschicht 6 ergibt sich, wie erwähnt, durch die vorherige Anreicherung der die Randschicht 5 des Kettenelements 2 bildenden oberflächennahen Bereiche des Kettenelements 2 mit Kohlenstoff, so dass hier aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts eine martensitische Umwandlung besonders begünstigt erfolgt.
Die Abschreckung kann z. B. durch Einbringen des Kettenelements in ein Ölbad oder ein Salzbad erfolgen. Je nach Wahl des Abschreckmediums kann die Abschreckung auf unterschiedliche Temperaturen erfolgen. Typischerweise wird das Kettenelement auf eine Temperatur im Bereich zwischen 0 und 400°C, insbesondere zwischen 25 und 300°C, abgeschreckt.
Bezugszeichenliste

1: Kette
2: Kettenelement
3: Kettenplatte
4: Kettenbolzen
5: Kernschicht
6: Randschicht

Claims

Kettenelement (2), insbesondere für eine Kraftübertragungskette eines Kettentriebes, welches aus einem Kohlenstoff enthaltenden Material, insbesondere Stahl, gebildet ist, gekennzeichnet durch eine Kernschicht (5) mit einem Gefüge aus einer ferritischen Matrix mit wenigstens einer darin verteilten Hartphase und einer gehärteten Randschicht (6) mit einem martensitischen Gefüge.
Kettenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das martensitische Gefüge der gehärteten Randschicht (6) aus Martensit gebildet ist oder Martensit enthält.
Kettenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärtete Randschicht (6) über eine martensitische Umwandlung zumindest der oberflächennahen Bereiche des Kettenelements (2) gebildet ist.
Kettenelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Kernschicht (5) verteilte Hartphase aus Martensit gebildet ist oder Martensit enthält.
Kettenelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärtete Randschicht (6) eine Härte von 600–1800 HV, insbesondere größer 1000 HV, aufweist.
Kettenelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Kettenlasche oder eine Kettenhülse oder ein Kettenbolzen ist.
Verfahren zur Herstellung eines aus einem Kohlenstoff enthaltenden Material, insbesondere Stahl, gebildeten Kettenelements (2), insbesondere eines Kettenelements (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Kernschicht (5) mit einem Gefüge aus einer ferritischen Matrix mit wenigstens einer darin verteilten Hartphase und einer gehärteten Randschicht (6) mit einem martensitischen Gefüge, gekennzeichnet durch die Schritte: – Bereitstellen eines aus einem Kohlenstoff enthaltenden Material, insbesondere Stahl, gebildeten Kettenelements (2), – Erwärmen und Halten des Kettenelements (2) auf einer oberhalb der Austenitisierungstemperatur liegende Temperatur derart, dass eine einheitliche Austenitphase gebildet wird, – Durchführen wenigstens einer Maßnahme zum Einbringen von Kohlenstoff in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements (2), – Abschrecken des Kettenelements (2) derart, dass sich eine Kernschicht (5), mit einem Gefüge aus einer ferritischen Matrix mit wenigstens einer darin verteilten Hartphase und eine gehärtete Randschicht (6) mit einem martensitischen Gefüge bildet.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kettenelement (2) auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 830 und 1000°C, insbesondere oberhalb 830°C, erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kettenelement (2) auf der oberhalb der Austenitisierungstemperatur liegenden Temperatur für 10 bis 60 Minuten gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kettenelement (2) auf eine Temperatur im Bereich zwischen 0 und 400°C, insbesondere zwischen 25 und 300°C, abgeschreckt wird.