DE102016005833A1 - Shaft, in particular crankshaft, and method for producing such a shaft - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle, und eine Welle, insbesondere eine Kurbelwelle, welche zumindest abschnittsweise in wenigstens einem Radius und/oder in wenigstens einer Hohlkehle eine andere chemische Zusammensetzung als ein Grundkörper der Welle aufweist, wobei der Radius und/oder die Hohlkehle zumindest abschnittsweise martensitisch und/oder bainitisch gehärtet ist bzw. sind.The invention relates to a method for producing a shaft, in particular a crankshaft, and a shaft, in particular a crankshaft, which at least partially in at least one radius and / or in at least one groove has a different chemical composition than a main body of the shaft, wherein the radius and / or the groove is at least partially cured martensitic and / or bainitic or are.

Description

Die Erfindung betrifft eine Welle, insbesondere eine Kurbelwelle, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Welle gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 4.The invention relates to a shaft, in particular a crankshaft, according to the preamble of patent claim 1 and a method for producing such a shaft according to the preamble of patent claim 4.

Eine solche, beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildete Welle und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Welle sind beispielsweise bereits aus der DE 2 226 530 A1 bekannt. Die Welle weist dabei zumindest abschnittsweise in wenigstens einem Radius und/oder in wenigstens einer Hohlkehle eine andere chemische Zusammensetzung als ein Grundkörper der Welle auf. Bei dem Verfahren wird somit die Welle zumindest abschnittsweise in wenigstens einem Radius und/oder in wenigstens einer Hohlkehle mit einer anderen chemischen Zusammensetzung als ein Grundkörper der Welle ausgebildet und zumindest lokal im Bereich des Radius und/oder der Hohlkehle gegenüber wenigstens einem sich an den Radius beziehungsweise die Hohlkehle anschließenden Teilbereich der Welle zumindest mittels Wärmeeinwirkung gehärtet wird,Such, for example, designed as a crankshaft shaft and a method for producing such a shaft are for example already in the DE 2 226 530 A1 known. The shaft has at least partially in at least one radius and / or in at least one groove on a different chemical composition than a main body of the shaft. In the method, the shaft is thus at least partially formed in at least one radius and / or in at least one groove with a different chemical composition than a main body of the shaft and at least locally in the region of the radius and / or the groove opposite at least one to the radius or the groove subsequent subregion of the shaft is hardened at least by the action of heat,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Welle und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Welle besonders vorteilhaft gehärtet werden kann.Object of the present invention is to develop a shaft and a method of the type mentioned in such a way that the shaft can be cured particularly advantageous.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Welle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a shaft with the features of claim 1 and by a method having the features of claim 4. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the remaining claims.

Um eine Welle der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass die beispielsweise als Kurbelwelle für eine Hubkolbenmaschine ausgebildete Welle besonders vorteilhaft gehärtet werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen dass, der Radius und/oder die Hohlkehle zumindest abschnittsweise martensitisch und/oder bainitisch gehärtet ist beziehungsweise sind. Dadurch weist die Welle in dem üblicherweise hochbelasteten Bereich des Radius beziehungsweise der Hohlkehle eine besonders vorteilhafte Härte und somit Stabilität auf, wobei ein überwiegender Teil der Welle aus einem kostengünstigen Werkstoff, aus welchem zumindest der Grundkörper gebildet ist, hergestellt werden kann.In order to further develop a shaft of the type specified in the preamble of patent claim 1 such that the shaft formed, for example, as a crankshaft for a reciprocating engine can be hardened particularly advantageously, it is provided according to the invention that the radius and / or the groove are at least partially martensitic and / or bainitic is cured or are. As a result, the shaft in the usually highly loaded region of the radius or the groove has a particularly advantageous hardness and thus stability, wherein a predominant part of the shaft of a cost-effective material from which at least the main body is formed, can be produced.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Radius und/oder die Hohlkehle zumindest abschnittweise mechanisch verfestigt ist beziehungsweise sind. Mit anderen Worten ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass die Welle beziehungsweise der Grundkörper im Bereich des Radius beziehungsweise der Hohlkehle zumindest abschnittsweise mechanisch verfestigt ist. Hierdurch kann eine besonders hohe Festigkeit der Welle im Bereich des Radius beziehungsweise der Hohlkehle realisiert werden.Alternatively or additionally, it can be provided that the radius and / or the groove is at least partially mechanically consolidated or are. In other words, it is alternatively or additionally provided that the shaft or the base body is at least partially mechanically consolidated in the region of the radius or the groove. In this way, a particularly high strength of the shaft in the region of the radius or the groove can be realized.

Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Grundkörper der Welle aus Stahl gebildet ist, wobei der Radius und/oder die Hohlkehle zumindest abschnittsweise einen um mindestens 0,1 Gewichtsprozent höheren Kohlenstoffanteil, insbesondere einen um mindestens 0,15 Gewichtsprozent höheren Kohlenstoffanteil, als der Grundkörper aufweist. Mit anderen Worten ist der Kohlenstoffanteil im Bereich des Radius beziehungsweise der Hohlkehle zumindest 0,1 Gewichtsprozent, insbesondere zumindest 0,15 Gewichtsprozent, höher als der Kohlenstoffanteil des Grundkörpers, sodass in dem Bereich des Radius beziehungsweise der Hohlkehle eines besonders hohe Härte realisiert werden kann.It has been found to be particularly advantageous if the main body of the shaft is formed of steel, wherein the radius and / or the groove at least partially a higher by at least 0.1 percent by weight carbon content, in particular by at least 0.15 weight percent higher carbon content, as the main body has. In other words, the carbon content in the region of the radius or the groove is at least 0.1 weight percent, in particular at least 0.15 weight percent, higher than the carbon content of the base body, so that in the region of the radius or the groove of a particularly high hardness can be realized.

Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 4 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass die beispielsweise als Kurbelwelle für eine Hubkolbenmaschine ausgebildete Welle besonders vorteilhaft gehärtet werden kann, ist erfindungsgemäß ein erster Schritt vorgesehen, bei welchem ein zumindest Kohlenstoff aufweisendes Material gezielt partiell auf den Bereich des Radius beziehungsweise der Hohlkehle aufgebracht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner einen sich vorzugsweise zeitlich an den ersten Schritt anschließenden zweiten Schritt, bei welchem das auf den Bereich aufgebrachte Material mittels wenigstens eines Lasers erhitzt wird, wodurch der Bereich unter Einlegieren des Materials in den Bereich gehärtet wird. Mit anderen Worten wird bei dem zweiten Schritt das Material, während das Material auf den Bereich aufgebracht ist, mit wenigstens einem Laser beziehungsweise einem Laserstrahl beaufschlagt und dadurch erhitzt. Dadurch wird das Material in den Bereich des Radius beziehungsweise der Hohlkehle einlegiert, wodurch die Welle partiell beziehungsweise lokal, das heißt in dem Bereich des Radius beziehungsweise der Hohlkehle gehärtet wird. Ein Härten des sich an den Bereich des Radius beziehungsweise der Hohlkehle anschließenden Teilbereichs der Welle unterbleibt jedoch, sodass die Welle, insbesondere der Grundkörper, aus einem kostengünstigen Grundwerkstoff hergestellt werden kann.To further develop a method specified in the preamble of claim 4 such that the example formed as a crankshaft for a reciprocating engine shaft can be cured particularly advantageous, a first step is provided according to the invention, in which an at least carbon-containing material targeted partially to the area of Radius or the groove is applied. The inventive method further comprises a second step preferably subsequent to the first step, in which the material applied to the region is heated by means of at least one laser, whereby the region is hardened while alloying the material into the region. In other words, in the second step, the material, while the material is applied to the area, is applied with at least one laser or a laser beam and thereby heated. As a result, the material is alloyed in the region of the radius or the groove, whereby the shaft is partially or locally, that is hardened in the region of the radius or the groove. A hardening of the adjoining the region of the radius or the groove portion of the shaft is omitted, however, so that the shaft, in particular the body can be made of a cost base material.

Der Grundwerkstoff kann mittels des Materials partiell aufgekohlt und dadurch gehärtet werden, sodass nicht der gesamte Grundwerkstoff gehärtet werden muss. Insgesamt kann so die Welle auf besonders kostengünstige Weise hergestellt werden, wobei der Grundwerkstoff beispielsweise ein kostengünstiger, kohlenstoffarmer Werkstoff sein kann. Durch das partielle beziehungsweise lokale Aufkohlen und Härten des Grundwerkstoffes können hohe Druckeigenspannungen realisiert werden, wodurch die Belastbarkeit der Welle im Vergleich zu herkömmlichen Wellen deutlich gesteigert werden kann. Insbesondere ist es möglich, den Grundwerkstoff mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens partiell aufzukohlen und dadurch zu härten, insbesondere in hochbelasteten Bereichen wie Bereichen von Radien und/oder Hohlkehlen, sodass die Welle als sehr belastbares und robustes Bauteil auf kostengünstige Weise hergestellt werden kann. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Druckeigenspannungen im Bereich des Radius beziehungsweise der Hohlkehle im Vergleich zu konventionellen Härteverfahren signifikant gesteigert werden, wobei die Welle insgesamt besonders kostengünstig hergestellt werden kann.The base material can be partially carburized by the material and thereby hardened, so that not the entire base material must be cured. Overall, so the wave can be made in a particularly cost-effective manner, the base material may be, for example, a low-cost, low-carbon material. Due to the partial or local carburizing and hardening of the base material can high Compressive residual stresses can be realized, whereby the load capacity of the shaft can be significantly increased compared to conventional waves. In particular, it is possible to partially carburize the base material by means of the method according to the invention and thereby to harden, in particular in highly stressed areas such as areas of radii and / or grooves, so that the shaft can be produced as a very durable and robust component in a cost effective manner. By means of the method according to the invention, the residual compressive stresses in the region of the radius or the fillet can be significantly increased in comparison to conventional hardening methods, wherein the shaft as a whole can be produced particularly inexpensively.

Das Material wird beispielsweise als Pulver, Draht, Band oder Plättchen, insbesondere Klebeplättchen, auf den Bereich aufgebracht, sodass das Material, welches eine kohlenstoffhaltige Substanz darstellt, besonders gezielt und partiell auf die Welle beziehungsweise auf den Grundwerkstoff aufgebracht werden kann. Unter dem gezielten partiellen Aufbringen des Materials ist ein lediglich lokales Aufbringen des Materials zu verstehen, sodass nicht die gesamte Welle beziehungsweise der gesamte Grundwerkstoff mit dem Material versehen wird, sondern das zumindest Kohlenstoff aufweisende Material wird lediglich im Bereich wenigstens eines Radius beziehungsweise einer Hohlkehle auf die Welle aufgebracht, sodass sich wenigstens ein an den Radius beziehungsweise die Hohlkehle anschließender Teilbereich der Welle nicht mit dem Material versehen wird. Somit wird nicht die gesamte Welle aufgekohlt beziehungsweise gehärtet, sondern es erfolgt ein lediglich partielles beziehungsweise lokales Aufkohlen und somit Härten der Welle, sodass die Welle lediglich im Bereich des Radius beziehungsweise der Hohlkehle beziehungsweise lediglich in Bereichen von Radien beziehungsweise Hohlkehlen, und nicht etwa in sich daran anschließenden Teilbereichen gehärtet wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass jeweiliges, zumindest Kohlenstoff aufweisendes Material in jeweiligen Bereichen jeweiliger Radien beziehungsweise Hohlkehlen aufgebracht wird, sodass die Welle gegenüber sich an jeweilige, an die Radien beziehungsweise Hohlkehlen anschließenden weiteren Teilbereichen der Welle aufgekohlt und dadurch gehärtet wird. Dadurch ist es möglich, gezielt hochbelastete Bereiche der Welle aufzukohlen und somit zu härten, wobei ein Aufkohlen und Härten anderer, geringer belasteter Teilbereiche der Welle unterbleiben kann.The material is applied, for example as a powder, wire, tape or platelets, in particular adhesive platelets, to the area, so that the material which constitutes a carbonaceous substance, can be particularly targeted and partially applied to the shaft or to the base material. Under the targeted partial application of the material is only a local application of the material to understand, so that not the entire shaft or the entire base material is provided with the material, but the at least carbon-containing material is only in the range of at least one radius or a groove on the Applied wave, so that at least one subsequent to the radius or the groove portion of the shaft is not provided with the material. Thus, not the entire shaft is carburized or hardened, but there is only partial or local carburization and thus hardening of the shaft, so that the shaft only in the radius or the groove or only in areas of radii or grooves, and not in itself hardened subsections is hardened. In particular, it can be provided that respective material having at least carbon is applied in respective regions of respective radii or fillets, so that the shaft is carburized and hardened relative to respective further portions of the shaft adjoining the radii or fillets. This makes it possible to carburize targeted highly stressed areas of the shaft and thus to harden, with a carburizing and hardening of other, less loaded portions of the shaft can be omitted.

Ferner kann vorgesehen sein, dass der Radius beziehungsweise die Hohlkehle im Bereich wenigstens eines Lagers angeordnet ist, über welches die Welle beispielsweise an einem Gehäuse gelagert werden kann. Durch das gezielte partielle Aufkohlen und Härten der Welle kann beispielsweise der Durchmesser des Lagers besonders klein gefertigt werden, sodass Material und Bearbeitungszeit eingespart werden können. Darüber hinaus kann der Verschleiß von Werkzeugen zum Bearbeiten des Lagers gering gehalten werden. Ebenso kann der Energieverbrauch zum Herstellen der Welle gering gehalten werden, sodass die Welle besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden kann. Ferner kann dadurch das Gewicht der Welle reduziert werden, sodass sich ein besonders geringes Trägheitsmoment der Welle realisieren lässt. In der Folge kann eine besonders hohe Leistungsfähigkeit einer die Welle umfassenden Maschine wie beispielsweise eines Verbrennungsmotors realisiert werden, sodass der Verbrennungsmotor mit einem geringen Kraftstoffverbrauch und mit hohen Drehzahlen betrieben werden kann.Furthermore, it can be provided that the radius or the groove is arranged in the region of at least one bearing, via which the shaft can be mounted, for example, on a housing. The targeted partial carburizing and hardening of the shaft, for example, the diameter of the bearing can be made very small, so that material and processing time can be saved. In addition, the wear of tools for machining the bearing can be kept low. Likewise, the energy consumption for producing the shaft can be kept low, so that the shaft can be made particularly time-consuming and inexpensive. Furthermore, this can reduce the weight of the shaft, so that a particularly low moment of inertia of the shaft can be realized. As a result, a particularly high performance of a shaft-comprising machine such as an internal combustion engine can be realized, so that the internal combustion engine can be operated with low fuel consumption and high speeds.

Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Bereich zeitlich nach dem Einlegieren des Materials mittels einer Wärmequelle, insbesondere mittels eines Lasers, erwärmt und dadurch neu gehärtet und/oder angelassen wird. Dadurch kann sich eine besonders gleichmäßige Diffusion des Kohlenstoffes in dem Bereich des Radius beziehungsweise der Hohlkehle einstellen.It has proven to be particularly advantageous if the region is heated in time after the alloying in of the material by means of a heat source, in particular by means of a laser, and is thereby newly hardened and / or tempered. As a result, a particularly uniform diffusion of the carbon in the region of the radius or the groove can be established.

Alternativ oder zusätzlich kann zu den erwähnten thermischen Behandlungen mit Hilfe eines Lasers auch mit anderen Wärmequellen, beispielsweise mit Hilfe eines Elektronenstrahls gearbeitet werden.Alternatively or additionally, it is also possible to work with the heat treatments mentioned with the aid of a laser with other heat sources, for example with the aid of an electron beam.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in der einzigen Fig. ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht auf eine als Kurbelwelle ausgebildete Welle für ein Kraftfahrzeug, wobei die Welle lokal aufgekohlt und dadurch gehärtet wird, indem zumindest Kohlenstoff aufweisendes Material gezielt partiell auf wenigstens einen Bereich eines Radius beziehungsweise einer Hohlkehle aufgebracht und mittels eines Lasers in den Bereich einlegiert wird.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing; 1 shows a schematic perspective view of a crankshaft for a motor vehicle, wherein the shaft is locally carburized and hardened by at least partially depositing at least carbon-bearing material on at least a portion of a radius or a groove a laser is alloyed in the area.

Die einzige Fig. zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Perspektivansicht eine Welle, welche vorliegend als Kurbelwelle für eine Hubkolbenmaschine ausgebildet ist. Die Hubkolbenmaschine ist insbesondere als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und kommt beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug zum Einsatz, welches mittels der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine wird auch als Verbrennungsmotor bezeichnet.The single FIGURE shows a detail in a schematic perspective view of a shaft, which is presently designed as a crankshaft for a reciprocating engine. The reciprocating engine is designed in particular as a reciprocating internal combustion engine and is used, for example, in a motor vehicle, which can be driven by means of the reciprocating internal combustion engine. The reciprocating internal combustion engine is also referred to as an internal combustion engine.

In seinem fertig hergestellten Zustand umfasst der Verbrennungsmotor ein Kurbelgehäuse, an welchem die Kurbelwelle um eine Drehachse relativ zu dem Kurbelgehäuse drehbar gelagert ist. Hierzu umfasst die Kurbelwelle eine Mehrzahl von Wellenzapfen, welche in axialer Richtung der Kurbelwelle hintereinander beziehungsweise aufeinanderfolgend angeordnet sind. Von diesen Wellenzapfen ist in der Fig. ein mit 10 bezeichneter Wellenzapfen erkennbar. Zumindest auf einer Seite schließt sich an den Wellenzapfen 10 eine Kurbelwange 12 der Kurbelwelle an. An die Kurbelwange 12 schließt sich in axialer Richtung ein in der Fig. ausschnittsweise erkennbarer Hubzapfen 14 der Kurbelwelle an, wobei an dem Hubzapfen 14 ein Pleuel des Verbrennungsmotors drehbar gelagert werden kann.In its finished state, the internal combustion engine comprises a crankcase in which the crankshaft is rotatably mounted about an axis of rotation relative to the crankcase. For this purpose, the crankshaft comprises a plurality of shaft journals, which are arranged one behind the other or in succession in the axial direction of the crankshaft. Of these shaft journal is in the Fig. A with 10 identified shaft journal recognizable. At least on one side joins the shaft journal 10 a crank arm 12 the crankshaft. To the crank arm 12 closes in the axial direction in the Fig. A detail recognizable crank pin 14 the crankshaft, wherein on the crank pin 14 a connecting rod of the internal combustion engine can be rotatably mounted.

Der Wellenzapfen 10 bildet eine Lagerstelle, über welcher die Kurbelwelle im fertig hergestellten Zustand des Verbrennungsmotors drehbar an dem Kurbelgehäuse gelagert ist. Die Lagerstelle wird auch als Lager oder Hauptlager bezeichnet. Aus der Fig. ist erkennbar, dass der Wellenzapfen 10 außenumfangsseitig zylindrisch ausgebildet ist beziehungsweise die Form eines zumindest im Wesentlichen geraden Kreiszylinders aufweist, sodass der Wellenzapfen 10 und somit das Lager einen vorgebbaren Durchmesser, insbesondere Außendurchmesser, aufweisen.The shaft journal 10 forms a bearing over which the crankshaft is rotatably mounted in the finished state of the engine to the crankcase. The bearing is also referred to as bearing or main bearing. From the Fig. It can be seen that the shaft journal 10 The outer peripheral side is cylindrical or has the shape of an at least substantially straight circular cylinder, so that the shaft journal 10 and thus the bearing have a predeterminable diameter, in particular outer diameter.

Im Folgenden werden die Welle selbst sowie ein Verfahren zur Herstellung der Welle beschrieben. Die Welle weist dabei zumindest abschnittsweise in wenigstens einem Radius und/oder in wenigstens einer Hohlkehle eine andere chemische Zusammensetzung als ein Grundkörper der Welle auf. Um dabei die Welle besonders vorteilhaft härten zu können, ist beziehungsweise sind der Radius und/oder die Hohlkehle zumindest abschnittsweise martensitisch und/oder bainitisch gehärtet. Alternativ oder zusätzlich ist beziehungsweise sind der Radius und/oder die Hohlkehle zumindest abschnittweise mechanisch verfestigt.In the following, the shaft itself and a method of manufacturing the shaft will be described. The shaft has at least partially in at least one radius and / or in at least one groove on a different chemical composition than a main body of the shaft. In order to be able to harden the shaft in a particularly advantageous manner, the radius and / or the fillet is at least partially hardened martensitic and / or bainitic. Alternatively or additionally, the radius and / or the groove are at least partially mechanically consolidated.

Bei dem Verfahren wird die Kurbelwelle lokal im Bereich 16 des wenigstens einen Radius beziehungsweise der wenigstens einen Hohlkehle gegenüber wenigstens einem sich an den Radius beziehungsweise die Hohlkehle anschließenden Teilbereich der Kurbelwelle zumindest mittels Wärmeinwirkung gehärtet. Mit anderen Worten ist in dem Bereich 16 ein Radius beziehungsweise eine Hohlkehle der Kurbelwelle angeordnet. An den Radius beziehungsweise die Hohlkehle, das heißt an den Bereich 16 schließen sich in axialer Richtung der Kurbelwelle beidseitig weitere Teilbereiche 18 der Kurbelwelle an, wobei die Kurbelwelle in dem Bereich 16, nicht jedoch in den sich an den Bereich 16 anschließenden Teilbereichen 18 aufgekohlt und dadurch gehärtet wird. Dadurch wird die Kurbelwelle nicht etwa vollständig beziehungsweise insgesamt, sondern lediglich lokal und somit partiell gehärtet, sodass die Kurbelwelle als robustes und belastbares Bauteil besonders kostengünstig hergestellt werden kann.In the process, the crankshaft becomes local in area 16 the at least one radius or the at least one groove opposite to at least one adjoining the radius or the groove portion of the crankshaft hardened at least by the action of heat. In other words, in the field 16 a radius or a groove of the crankshaft is arranged. To the radius or the groove, that is to the area 16 close in the axial direction of the crankshaft on both sides more sections 18 the crankshaft, with the crankshaft in the range 16 but not in the area 16 subsequent subareas 18 carburized and thereby hardened. As a result, the crankshaft is not completely or completely, but only locally and thus partially hardened, so that the crankshaft can be made particularly cost-effective as a robust and resilient component.

Dabei wird die Kurbelwelle, insbesondere ihr Grundkörper, aus einem kostengünstigen und insbesondere kohlenstoffarmen Grundwerkstoff hergestellt, wobei der Grundwerkstoff lokal beziehungsweise partiell aufgekohlt und dadurch gehärtet wird. Die vorigen und folgenden Ausführungen bezüglich des Aufkohlens und des dadurch bewirkten lokalen Härtens der Kurbelwelle beziehungsweise des Grundwerkstoffes im Bereich 16 können ohne weiteres auch auf andere, in der Fig. nicht gezeigte Bereiche der Kurbelwelle übertragen werden, in denen beispielsweise wenigstens ein Radius beziehungsweise wenigstens eine Hohlkehle angeordnet ist. Der Bereich eines solchen Radius beziehungsweise einer solchen Hohlkehle ist üblicherweise ein hochbelasteter Bereich der Kurbelwelle, in dem hohe Belastungen, insbesondere hohe Spannungen, auftreten können. Durch das lokale Aufkohlen und Härten der Kurbelwelle in diesen Bereichen, das heißt im vorliegenden Beispiel in dem Bereich 16, können die hochbelasteten Bereiche ertüchtigt werden, sodass die Kurbelwelle auch hohe Belastungen schadfrei ertragen und gleichzeitig aus einem besonders kostengünstigen Grundwerkstoff hergestellt werden kann. Im vorliegenden Beispiel ist der Bereich 16 ein Übergangsbereich, über welchen der Wellenzapfen 10 in die Kurbelwange 12 übergeht.In this case, the crankshaft, in particular its base body, made of a low-cost and low-carbon base material in particular, wherein the base material is locally or partially carburized and thereby cured. The previous and following remarks regarding the carburizing and the resulting local hardening of the crankshaft or the base material in the area 16 can be readily transferred to other, not shown in the Fig. areas of the crankshaft, in which, for example, at least one radius or at least one groove is arranged. The range of such a radius or such a groove is usually a highly loaded area of the crankshaft, in which high loads, in particular high voltages, can occur. By the local carburizing and hardening of the crankshaft in these areas, that is in the present example in the area 16 , the heavily loaded areas can be upgraded, so that the crankshaft can withstand high loads without damage and at the same time can be manufactured from a particularly cost-effective base material. In this example, the range is 16 a transition region over which the shaft journal 10 in the crank arm 12 passes.

Um nun den Bereich 16 auf besonders vorteilhafte Weise härten zu können, umfasst das Verfahren einen ersten Schritt, bei welchem ein zumindest Kohlenstoff aufweisendes Material 20 gezielt partiell auf den Bereich 16 des Radius beziehungsweise der Hohlkehle aufgebracht wird. Das Verfahren umfasst ferner einen sich zeitlich an den ersten Schritt anschließenden zweiten Schritt, bei welchem das zumindest kohlenstoffhaltige Material 20 mittels wenigstens eines Lasers beziehungsweise mittels wenigstens eines Laserstrahls erhitzt wird, wodurch das Material 20 in den Bereich 16 und somit in den Grundwerkstoff einlegiert wird. Alternativ zu einem Laser kann auch eine andere Wärmequelle, beispielsweise ein Elektronenstrahl verwendet werden. Hierdurch wird der Bereich 16, nicht jedoch die Teilbereich 18 gezielt gehärtet. Durch dieses partielle beziehungsweise lokale und gezielte Aufkohlen und somit Härten der Kurbelwelle, kann die Kurbelwelle mit besonders vorteilhaften mechanischen Eigenschaften bedarfsgerecht ausgestaltet werden, sodass sich eine besonders hohe mechanische Belastbarkeit der Welle realisieren lässt. Durch das gezielte Aufkohlen ist es möglich, trotz der Verwendung des Grundwerkstoffes, welcher einen unter Umständen nur relativ geringen Kohlenstoffgehalt aufweist, in dem Bereich 16 einen hinreichenden Kohlenstoffgehalt zu realisieren, da das kohlenstoffhaltige Material 20 in den Bereich 16 einlegiert wird. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, in dem Bereich 16 eine Metalllegierung gezielt herzustellen, deren Zusammensetzung sich von der Zusammensetzung der Teilbereiche 18 beziehungsweise des Grundwerkstoffes unterscheidet. Insbesondere ist es denkbar, dass das Material 20 an sich eine Metalllegierung ist, welche in den Bereich 16 und somit in den Grundwerkstoff einlegiert wird.Order now the area 16 harden in a particularly advantageous manner, the method comprises a first step, in which a material having at least carbon 20 targeted partially on the area 16 the radius or the groove is applied. The method further comprises a second step subsequent to the first step, in which the at least carbonaceous material 20 is heated by means of at least one laser or by means of at least one laser beam, whereby the material 20 in the area 16 and thus alloyed into the base material. As an alternative to a laser, another heat source, for example an electron beam, can also be used. This will be the area 16 , but not the subarea 18 specifically hardened. Through this partial or local and targeted carburizing and thus hardening of the crankshaft, the crankshaft can be configured as required with particularly advantageous mechanical properties, so that a particularly high mechanical load capacity of the shaft can be realized. Through targeted carburizing it is possible, despite the use of the base material, which may have only a relatively low carbon content in the area 16 to realize a sufficient carbon content, since the carbonaceous material 20 in the area 16 is alloyed. This is it for example, possible in the field 16 to produce a metal alloy specifically, the composition of which depends on the composition of the subregions 18 or the base material. In particular, it is conceivable that the material 20 in itself a metal alloy which is in the range 16 and thus alloyed into the base material.

Insbesondere ist es möglich, dass das Material 20 in Pulverform, das heißt als Pulver oder aber als Draht oder Band oder Plättchen, insbesondere Klebeplättchen, auf den Bereich 16 aufgebracht wird. Beispielsweise wird das Material 20 auf den Bereich 16 aufgeklebt beziehungsweise mittels eines Klebstoffes an dem Bereich 16 fixiert, insbesondere vor dem Einlegieren. Durch dieses Fixieren des Materials 20 vor dem Einlegieren kann der Bereich 16 besonders gezielt und bedarfsgerecht mit dem Material 20 versehen werden. Insbesondere ist es möglich, dass das Material 20 Molybdän und/oder Mangan und/oder Kobalt mit oder ohne jeweils 30 Prozent Mischanteil und als Rest Eisen und/oder Graphit aufweist.In particular, it is possible that the material 20 in powder form, that is, as a powder or as a wire or tape or platelets, in particular adhesive platelets, on the area 16 is applied. For example, the material becomes 20 on the area 16 glued or by means of an adhesive to the area 16 fixed, especially before alloying. By this fixing of the material 20 before alloying can the area 16 particularly targeted and needs-based with the material 20 be provided. In particular, it is possible that the material 20 Molybdenum and / or manganese and / or cobalt with or without each 30 percent mixing proportion and the remainder iron and / or graphite.

Zum Aufbringen des Materials 20 auf den Bereich 16 können unterschiedliche Auftragsverfahren verwendet werden. Beispielsweise wird das Material 20 durch Magnetisieren beziehungsweise mittels Magnetkraft an dem Bereich 16 beziehungsweise an dem Grundwerkstoff gehalten. Insbesondere ist ein Magnetisieren ohne Haftvermittler oder aber mit Haftvermittlerschicht denkbar, unter deren Vermittlung das Material 20 in dem Bereich 16 vor dem Einlegieren fixiert wird. Ferner kann Graphitieren wie beispielsweise bei der Beschichtung eines Kolbenhemds mit Dünnschichtsiebdruck zum Einsatz kommen. Ferner ist es denkbar, Metallführung und Durchmischung mit einer exothermen Speiserkappe und Wirbelstrommischwerk zum Einsatz zu bringen.For applying the material 20 on the area 16 Different application methods can be used. For example, the material becomes 20 by magnetization or by magnetic force at the area 16 or held on the base material. In particular, a magnetizing without adhesion promoter or with a primer layer is conceivable, under whose mediation the material 20 in that area 16 is fixed before alloying. Further, graphitization such as coating a piston skirt with thin film screen printing may be used. Furthermore, it is conceivable to use metal guidance and thorough mixing with an exothermic feeder cap and eddy current mixer.

Vor dem Einlegieren des Materials 20 in den Bereich 16, insbesondere vor dem Aufbringen des Materials 20 auf den Bereich 16, kann eine Vorbehandlung mit Plasmareinigung und Reduzierung der Oberflächenspannung auf beispielsweise 42 Millinewton pro Meter durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich ist ein induktives Vorerwärmen des einen lokalen Radienbereich darstellenden Bereichs 16 möglich, um Härterisse zu vermeiden beziehungsweise die Härterissanfälligkeit gering zu halten.Before alloying the material 20 in the area 16 especially before applying the material 20 on the area 16 , pretreatment with plasma cleaning and surface tension reduction to, for example, 42 millinewtons per meter can be performed. Alternatively or additionally, an inductive preheating of the region representing a local radius region 16 possible in order to avoid hardening cracks or to keep the susceptibility to hardening low.

Grundsätzlich kann es vorteilhaft sein, nach dem Einlegieren den Bereich 16 mit Hilfe einer Wärmequelle, insbesondere mit Hilfe eines Lasers, ein weiteres Mal zu erwärmen und dabei den Bereich 16 zunächst zu austenitisieren, um dort nach dem Abschrecken in einer Art Umhärtevorgang ein feineres Härtegefüge zu erzeugen.In principle, it may be advantageous after alloying the area 16 with the help of a heat source, in particular with the help of a laser, to heat once again while the area 16 austenitize first to produce a finer hardness structure there after quenching in a kind of Umhärtevorgang.

Zusätzlich oder alternativ kann es ferner vorteilhaft sein, nach dem Einlegieren den Bereich 16 mit Hilfe einer Wärmequelle, insbesondere mit Hilfe eines Lasers, ein weiteres Mal zu erwärmen. Dieser Prozessschritt dient dazu, das Gefüge anzulassen beziehungsweise zu entspannen.Additionally or alternatively, it may also be advantageous, after alloying the area 16 with the help of a heat source, in particular with the help of a laser, to heat again. This process step serves to start or relax the structure.

Als besonders vorteilhaft hat es sich ferner gezeigt, wenn der Bereich 16 nach dem Einlegieren des Materials 20 mechanisch nachverfestigt wird. Zum mechanischen Nachverfestigen kommt beispielsweise Rollieren zum Einsatz, wodurch der Bereich 16 nach dem Einlegieren nachverfestigt wird.It has also proven to be particularly advantageous if the range 16 after alloying the material 20 is mechanically strengthened. For mechanical post consolidation, for example, burnishing is used, whereby the area 16 is post-solidified after alloying.

Durch das Erhitzen des Materials 20 wird dieses aufgeschmolzen und in den Grundwerkstoff lokal einlegiert, um dadurch ein besonders vorteilhaftes Gefüge, insbesondere Härtegefüge, des Grundwerkstoffs zu schaffen. Durch dieses lokale Aufkohlen und somit Härten werden Druckeigenspannungen in dem Bereich 16 im Vergleich zu konventionellen Härteverfahren signifikant gesteigert. Mit anderen Worten kommt es durch das Verfahren zur Erhöhung der Druckeigenspannungen im Gefüge und somit zur Erhöhung der Härte, sodass die Kurbelwelle partiell mit besonders vorteilhaften mechanischen Eigenschaften ausgestaltet werden kann.By heating the material 20 this is melted and locally alloyed into the base material, thereby creating a particularly advantageous structure, in particular hardness structure of the base material. This local carburization and thus hardening will cause residual compressive stresses in the area 16 significantly increased compared to conventional hardening processes. In other words, it comes by the method for increasing the compressive residual stresses in the structure and thus to increase the hardness, so that the crankshaft can be partially designed with particularly advantageous mechanical properties.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 2226530 A1 [0002] DE 2226530 A1 [0002]

Claims (9)

Welle, insbesondere Kurbelwelle, welche zumindest abschnittsweise in wenigstens einem Radius und/oder in wenigstens einer Hohlkehle eine andere chemische Zusammensetzung als ein Grundkörper der Welle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius und/oder die Hohlkehle zumindest abschnittsweise martensitisch und/oder bainitisch gehärtet ist bzw. sind.Shaft, in particular crankshaft, which at least partially in at least one radius and / or in at least one groove has a different chemical composition than a main body of the shaft, characterized in that the radius and / or the groove is at least partially hardened martensitic and / or bainitic or are. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius und/oder die Hohlkehle zumindest abschnittweise mechanisch verfestigt ist bzw. sind.Shaft according to claim 1, characterized in that the radius and / or the groove is at least partially mechanically consolidated or are. Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper der Welle aus Stahl gebildet ist, wobei der Radius und/oder die Hohlkehle zumindest abschnittsweise einen um mindestens 0,1 Gewichtsprozent höheren Kohlenstoffanteil, insbesondere einen um mindestens 0,15 Gewichtsprozent höheren Kohlenstoffanteil, als der Grundkörper der Welle aufweist.Shaft according to claim 1 or 2, characterized in that the main body of the shaft is formed of steel, wherein the radius and / or the groove at least partially a by at least 0.1 percent by weight higher carbon content, in particular by at least 0.15 weight percent higher carbon content , as the main body of the shaft has. Verfahren zur Herstellung einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle, bei welchem die Welle zumindest abschnittsweise in wenigstens einem Radius und/oder in wenigstens einer Hohlkehle mit einer anderen chemischen Zusammensetzung als ein Grundkörper der Welle ausgebildet und zumindest lokal im Bereich (16) des Radius und/oder der Hohlkehle gegenüber wenigstens einem sich an den Radius beziehungsweise die Hohlkehle anschließenden Teilbereich (18) der Welle zumindest mittels Wärmeeinwirkung gehärtet wird, gekennzeichnet durch die Schritte: – Gezieltes partielles Aufbringen eines zumindest Kohlenstoff aufweisenden Materials (20) auf den Bereich (16) des Radius beziehungsweise der Hohlkehle; und – Erhitzen des Materials (16) mittels wenigstens eines Lasers, wodurch der Bereich (16) unter Einlegieren des Materials (20) in den Bereich (16) gehärtet wird.A method for producing a shaft, in particular a crankshaft, in which the shaft is formed at least in sections in at least one radius and / or in at least one groove with a different chemical composition than a main body of the shaft and at least locally in the area ( 16 ) of the radius and / or the groove opposite at least one adjoining the radius or the groove portion ( 18 ) of the shaft is cured at least by the action of heat, characterized by the steps: - targeted partial application of an at least carbon-containing material ( 20 ) on the area ( 16 ) of the radius or the groove; and - heating the material ( 16 ) by means of at least one laser, whereby the area ( 16 ) while alloying the material ( 20 ) in the area ( 16 ) is hardened. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (20) als Pulver, Draht, Band oder Plättchen auf den Bereich (16) aufgebracht wird.Method according to claim 4, characterized in that the material ( 20 ) as powder, wire, tape or platelets on the area ( 16 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (16) nach dem Einlegieren des Materials (20) mittels einer Wärmequelle, insbesondere mittels eines Lasers, erwärmt und dadurch erneut gehärtet und/oder angelassen wird.Method according to claim 4 or 5, characterized in that the area ( 16 ) after alloying the material ( 20 ) is heated by means of a heat source, in particular by means of a laser, and thereby hardened again and / or tempered. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (16) nach dem Einlegieren des Materials (20) mechanisch nachverfestigt, insbesondere rolliert, wird.Method according to one of claims 4 to 6, characterized in that the area ( 16 ) after alloying the material ( 20 ) mechanically strengthened, in particular, is rolled. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (20) kohlenstoffhaltig ist und zudem Eisen und/oder Chrom und/oder Molybdän und/oder Mangan und/oder Kobalt aufweist.Method according to one of claims 4 to 7, characterized in that the material ( 20 ) is carbonaceous and also has iron and / or chromium and / or molybdenum and / or manganese and / or cobalt. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (20) vor dem Einlegieren mittels Magnetkraft an dem Bereich (16) fixiert wird.Method according to one of claims 4 to 8, characterized in that the material ( 20 ) prior to alloying by magnetic force at the region ( 16 ) is fixed.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2226530A1 (en) 1972-05-31 1973-12-06 Aeg Elotherm Gmbh METHOD FOR INDUCTION HARDENING ON CROWNED SHAFTS

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