DE102019114729A1

DE102019114729A1 - Kurbelwelle und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE102019114729A1
Application number: DE102019114729.8A
Authority: DE
Inventors: Jianghuai Yang; James D. Cremonesi; Paul J. Gelazin; Qigui Wang; Daniel J. Wilson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-08-07
Filing date: 2019-06-01
Publication date: 2020-02-13
Also published as: US20210087645A1; CN110821946A; US10883154B2; US11905992B2; US20200048727A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle für einen Verbrennungsmotor mit einer Vielzahl von Zapfen, die ein gehärtetes Gehäuse mit einer ersten Mikrostruktur aufweisen. Die Kurbelwelle besteht aus einem Stahl, der zwischen etwa 0,3 Gew.-% und 0,77 Gew.-% Kohlenstoff umfasst. Die erste Mikrostruktur des gehärteten Gehäuses der Zapfen umfasst zwischen etwa 15 % und 30 % Ferrit und einen Martensitrest und die daraus resultierende unterirdische Eigenspannung zwischen 310 MPa und 620 MPa.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Verfahren zur Herstellung von Kurbelwellen für Verbrennungsmotoren und insbesondere auf Härteverfahren, die gehärtete hochverschleißfeste Oberflächen mit geringer unterseitiger Eigenspannung bereitstellen.
Herkömmliche Verfahren zum Härten von Kurbelwellen aus Kohlenstoffstahl beinhalten das Erwärmen der Zapfenoberflächen, sodass das Mikrogefüge beim Abschrecken zu 100 % Martensit führt. Die daraus resultierende Eigenspannung in der Kurbelwelle war für die Konstruktion der Kurbelwelle zu hoch, da sie anfällig für Ermüdungsrisse war; insbesondere aufgrund des Untergrundes unterhalb des gehärteten Zapfengehäuses.
Dementsprechend besteht in der Technik Bedarf an verbesserten Härteverfahren, welche die Oberflächenhärtespezifikationen einhalten und gleichzeitig die Eigenspannungen in der Kurbelwelle reduzieren.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Offenbarung umfasst eine Kurbelwelle für einen Verbrennungsmotor. Die Kurbelwelle beinhaltet eine Vielzahl von Zapfen, die jeweils eine Oberfläche und ein gehärtetes Gehäuse aufweisen. Die Kurbelwelle beinhaltet ferner einen Stahl mit bis zu etwa 0,77 Gew.-% Kohlenstoff. Das gehärtete Gehäuse weist eine erste Mikrostruktur auf, die Ferrit und Martensit umfasst.
In einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung weist die Oberfläche der Vielzahl von Zapfen eine Oberflächenhärte zwischen HRC 40 und 50 auf.
In einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst die erste Mikrostruktur bis zu 50 % Ferrit.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst die erste Mikrostruktur zwischen etwa 15 % und 30 % Ferrit.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst der Stahl zwischen 0,3 Gew.-% und 0,77 Gew.-% Kohlenstoff.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst der Stahl 0,38 Gew.-% Kohlenstoff.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst die Kurbelwelle eine Restspannung zwischen 310 MPa und 620 MPa.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst die Kurbelwelle eine Restspannung zwischen etwa 400 MPa und 550 MPa.
Die vorliegende Offenbarung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Eisenwerkstücks. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines bearbeiteten Werkstücks aus einem Stahl, der bis zu 0,77 Gew.-% Kohlenstoff umfasst, und worin das Werkstück einen ersten Zapfen mit einer Oberfläche umfasst, das Erwärmen der Oberfläche des ersten Zapfens auf eine interkritische Temperatur und das Abschrecken der Oberfläche des ersten Zapfens mit einem Abschreckmedium, das eine Abkühlungsrate zwischen 15 und 20 °C/sec erreicht.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner das Temperieren des Werkstücks.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung wird ein bearbeitetes Werkstück bereitgestellt, das aus einem Stahl besteht, der bis zu 0,77 Gew.-% Kohlenstoff umfasst, und worin das Werkstück einen ersten Zapfen mit einer Oberfläche umfasst, wobei ferner das Bereitstellen eines bearbeiteten Werkstücks aus einem Stahl umfasst, der zwischen 0,3 und 0,77 Gew.-% Kohlenstoff umfasst.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst das Erwärmen der Oberfläche des ersten Zapfens auf eine interkritische Temperatur ferner das Erwärmen der Oberfläche des ersten Zapfens auf zwischen etwa 724 °C und 820 °C und das Abschrecken der Oberfläche des ersten Zapfens mit einem Abschreckmedium, das eine Abkühlrate zwischen 15 und 20 °C/sec erreicht, sowie das Abschrecken der Oberfläche des ersten Zapfens mit einer Öl- oder Polymerlösung.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst das Erwärmen der Oberfläche des ersten Zapfens auf eine interkritische Temperatur ferner das Erwärmen der Oberfläche des ersten Zapfens auf zwischen etwa 724 °C und 760 °C.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung wird ein bearbeitetes Werkstück bereitgestellt, das aus einem Stahl besteht, der bis zu 0,77 Gew.-% Kohlenstoff umfasst, und worin das Werkstück einen ersten Zapfen mit einer Oberfläche umfasst, wobei ferner das Bereitstellen eines bearbeiteten Werkstücks aus einem Stahl umfasst, der zwischen 0,38 Gew.-% Kohlenstoff umfasst.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst das Erwärmen der Oberfläche des ersten Zapfens auf eine interkritische Temperatur ferner das Erwärmen der Oberfläche des ersten Zapfens auf zwischen etwa 724 °C und 822 °C.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst das Erwärmen der Oberfläche des ersten Zapfens auf eine interkritische Temperatur ferner das Erwärmen der Oberfläche des ersten Zapfens auf zwischen etwa 780 °C und 810 °C.
Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie anderen Eigenschaften und Funktionen der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ohne Weiteres hervor.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1A ist eine Ansicht einer Kurbelwelle für einen Verbrennungsmotor gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
1B ist eine Querschnittsansicht der Kurbelwelle für einen Verbrennungsmotor gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
2A und 2B sind Ansichten eines Pleuelzapfens einer Kurbelwelle gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Aushärten bestimmter Oberflächen einer Kurbelwelle gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung darstellt;
4 ist ein Abschnitt eines Phasendiagramms für ein Eisen - Kohlenstoffsystem gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine Grafik, welche die Abkühlraten einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung und deren Auswirkungen auf die Phasenumwandlung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung darstellt, und
6 ist eine Mikrofotografie einer Probe einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.

BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, wird in den 1A, 1B und 2 eine Kurbelwelle für Verbrennungsmotoren (ICE) veranschaulicht und nun beschrieben. Die Kurbelwelle, bezeichnet mit der Referenznummer 10, ist ein komplizierter und wichtiger Teil des ICE. Der Hauptzweck der Kurbelwelle 10 ist die Übertragung von Hin- und Herbewegung und Kraft auf Drehbewegung und Drehmoment. Die Kurbelwelle 10 beinhaltet eine Vielzahl von Hauptzapfen 12, Pleuelzapfen 14, Gegengewichte 16, einen Pfosten 18 und einen Flansch 20. Insbesondere beinhalten die Hauptzapfen 12 und die Pleuelzapfen 14 jeweils die Oberflächen 42 und ein gehärtetes Gehäuse 44. Die Oberflächen 42 der Hauptzapfen 12 und Pleuelzapfen 14 sind so konzipiert, dass sie den Auflageflächen der Einsätze im Motorblock bzw. in der Pleuelstangenanordnung gegenüberliegen (nicht dargestellt). Die Hauptzapfen 12 sind beispielsweise drehbar durch die Hauptlager des Motorblocks (nicht dargestellt) gelagert. Die Pleuelzapfen 14 sind drehbar mit den Pleuellagern der Pleuelstange und der Kolbenanordnung verbunden (nicht dargestellt). Das gehärtete Gehäuse 44 der Hauptzapfen 12 und der Pleuelzapfen 14 dringen bis zu einer Tiefe D von der Oberfläche 42 der Hauptzapfen 12 und der Pleuelzapfen 14 ein. Aufgrund des Zwecks und der Funktion von Zapfenoberflächen 42 ist die Materialspezifikation für die Oberflächenaushärtung größer als die anderen Merkmale der Kurbelwelle 10. Da die Kurbelwelle 10 jedoch die Funktion hat, die Hin- und Herbewegung auf eine Drehbewegung zu übertragen, ist sie auch hohen Drehmomentbelastungen und Biegekräften ausgesetzt. In dieser Hinsicht ist die Mehrheit der Kurbelwelle 10 mit einer hohen Zähigkeit spezifiziert, um katastrophale oder ermüdungsbedingte Ausfälle zu vermeiden. Somit ist eine Kurbelwelle 10 mit einer hohen Streckgrenze und Zähigkeit, die zum Erhöhen der Festigkeit an kritischen Oberflächen weiterverarbeitet wird, ideal.
Eine der Herausforderungen bei der Herstellung der Kurbelwelle 10 nach diesen Vorgaben besteht darin, dass das bestehende Verfahren zum Aushärten zu hohe Eigenspannungen im umgebenden Material verursacht. Wie in den 2A und 2B zu sehen ist, hat sich im Pleuelzapfen 14 der ausgefallenen Kurbelwelle 10 ein Ermüdungsriss 22 gebildet. 2B verdeutlicht die Bruchfläche 24, wobei der Riss 22 aus einem Bereich 26 mit hohen Eigenspannungen stammt, die nach dem bestehenden Härtungsprozess in der Kurbelwelle belassen wurden. Die Kurbelwelle 10 beinhaltet auch mehrere gebohrte Durchgänge 28, die im Inneren der Kurbelwelle 10 ausgebildet sind, um dem Zapfen und den Lagerflächen Schmierflüssigkeit zuzuführen. Die Durchgänge 28 neigen auch dazu, Spannungsrisskanäle zu fungieren, wobei viele Versagensrisse entstehen können.
Unter Bezugnahme auf 3 und 4 ist 3 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren oder einen Härtungsprozess für eine Kurbelwelle 10 abbildet. Das Verfahren, bezeichnet durch die Referenznummer 100, beginnt mit einem ersten Schritt 102 zum Bereitstellen einer bearbeiteten Kurbelwelle 10. Während die vorliegende Offenbarung jedoch das Verfahren zum Behandeln einer Kurbelwelle 10 im Einzelnen beschreibt, kann das Verfahren zum Behandeln einer beliebigen Anzahl von Stahlteilen verwendet werden, welche die durch die Verwendung dieses Verfahrens erzielten mechanischen Eigenschaften erfordern, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. In dem in 4 dargestellten Beispiel wird die Kurbelwelle aus einem 1538MV Stahl geschmiedet. Um bei der Beschreibung des Verfahrens 100 zu helfen, ist das Diagramm von 4 ein Teil des Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramms 30, das zur Veranschaulichung bereitgestellt wird. Kurz gesagt, ist vertikal 32 die Temperatur in °C des Systems oder des Materialabschnitts aufgezeichnet. Als horizontal 34 dargestellt ist der Kohlenstoffgehalt (C) des Systems in Gewichtsprozent (Gew.-%). Der 1538MV-Stahl umfasst einen Kohlenstoffgehalt von 0,38 Gew.-% 35. Somit nimmt die Legierung ab 0,38 Gew.-% C die Phasenform an, wie im Phasendiagramm 30 dargestellt. Bei einer Systemtemperatur unter 727 °C oder einer eutektischen Temperatur von 36, der hat der 1538MV-Stahl und in diesem Zusammenhang die meisten Stähle die Phasen von Ferrit α und Hartmetall Fe₃C im Gleichgewicht. Wenn die Systemtemperatur über 727 °C ansteigt, jedoch unter der Temperatur A_c3 im Gleichgewicht, sind die im System vorhandenen Phasen Ferrit α und Austenit γ.
Ein Schlüsselkonzept zum Verständnis der Eigenschaften eines Systems ist die Kenntnis des Prozentsatzes der Phasen im Gleichgewicht für einen bestimmten Kohlenstoffgehalt und die Temperatur des Systems. Unter Verwendung einer Hebelregelberechnung kann der Betrag einer bestimmten Phase, die im Gleichgewicht zu einer bestimmten Legierung, der Kohlenstoffgehalt und die Temperatur ermittelt werden. Bei einer Temperatur von 780 °C von T₁ für 1538MV-Stahl (C-Gehalt = 0,38 Gew.-%) liefert beispielsweise die folgende Gleichung den Ferrit- und Austenitphasenanteil: $w t % F e r r i t α = \frac{a - 0.38}{a - e} * 100 % = 30 %$
mit α = Kohlenstoffgehalt an der Soliduslinie 38 zwischen α + γ und γ Phasen bei 780 °C von T₁ und e = Kohlenstoffgehalt an der Soliduslinie 40 zwischen α + γ und α Phasen bei 780 °C von T₁ . Der Rest ist 70 % Austenit γ. Vergleicht man also den Anteil von Austenit γ bei 780 °C von T₁ mit dem von 100 % Austenit γ über der kritischen Temperatur 42 von 822 °C, so ergibt sich eine 30 %ige Reduzierung der Menge von Austenit γ. Wenn das System daher mit einer Abkühlrate von etwa 15 bis 20 °C/sec abgeschreckt wird, wird die Menge an Austenit γ, die in Martensit umgewandelt wird, um 30 % reduziert, wobei 30 % ungelöster Ferrit α übrig bleibt. Dies führt zu einer 30 %igen Reduzierung der Eigenspannungen durch die Umwandlung von Austenit γ in Martensit.
In einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung liefert die folgende Gleichung bei einer Temperatur von 810 °C von T₂ für 1538MV-Stahl (C-Gehalt = 0,38 Gew.-%) den Ferrit- und Austenitphasenanteil: $w t % F e r r i t α = \frac{b - 0.38}{b - f} * 100 % = 15 %;$
mit b = Kohlenstoffgehalt an der Soliduslinie 38 zwischen α + γ und γ Phasen bei 810 °C von T₂ und f = Kohlenstoffgehalt an der Soliduslinie 40 zwischen α + γ und α Phasen bei 810 °C von T₂ . Der Rest ist 85 % Austenit γ. Vergleicht man also den Anteil von Austenit γ bei 810 °C von T₂ mit dem von 100 % Austenit γ über der kritischen Temperatur 42 von 822 °C, so ergibt sich eine 15 %ige Reduzierung der Menge von Austenit γ. das Erwärmen des Systems auf 780 °C (T₁ ) bis 810 °C (T₂ ) gefolgt von einer Abschreckung mit einer Abkühlrate von etwa 15 bis 20 °C/sec zu einer Reduzierung der Eigenspannung zwischen 15 % und 30 %. Weitere Vorteile, die sich aus dem Verfahren 100 ergeben, sind eine Reduzierung der thermischen Belastung und zusätzlich zu verdichtender ungelöster Ferrit α und der Abbau zusätzlicher Eigenspannungen durch die Umwandlung von Austenit γ in Martensit. Des Weiteren liegt die Oberflächenhärte der behandelten Tränke zwischen etwa HRC 42 und 53 (die Oberflächenhärte von 100 % Martensit 1538MV liegt über HRC 58), da der Zweck des Verfahrens darin besteht, die Oberflächenhärte bestimmter Abschnitte der Kurbelwelle zu erhöhen.
Fortfahrend mit einem zweiten Schritt 104 des Verfahrens 100 werden die Hauptzapfen 12 und Pleuelzapfen 14 der Kurbelwelle 10 auf eine interkritische Temperatur erwärmt. Die interkritische Temperatur ist definiert als eine Temperatur zwischen der eutektischen Temperatur 36 von 727 °C und der Temperatur der Soliduslinie 38 zwischen den Phasen α + γ und γ. Auf diese Weise würde nicht der gesamte erwärmte Abschnitt 100 % Austenit γ enthalten. Im vorliegenden Beispiel liegt die interkritische Temperatur zwischen 780 °C (T₁ ) und 810 °C (T₂ ). Das Erwärmen der Kurbelwelle 10 erfolgt mit Induktions- oder Lasererwärmung. Es können jedoch auch andere Verfahren zur lokalen Erwärmung verwendet werden, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können die im vorliegenden Beispiel verwendeten Temperaturen um Temperaturen zwischen den interkritischen Temperaturen Ac₁ und Ac₃ oder knapp über der eutektischen Temperatur 36 von 727 °C und knapp unter der Temperatur der Soliduslinie 38 zwischen den Phasen α + γ und γ erweitert werden. Natürlich wird beim Erwärmen der Kurbelwelle 10 auf höhere Temperaturen der resultierende Prozentsatz des Eigenspannungsabbaus durch einen höheren Anteil an Martensit reduziert. Die Eigenspannung eines ausgehärteten, 100% Martensits beträgt ca. 620 MPa, wie mit der Röntgenbeugungsmethode analysiert. Die Eigenspannung in einer Kurbelwelle 10 mit 85 % Martensit beträgt etwa 527 MPa. Ebenso beträgt die Eigenspannung in einer Kurbelwelle 10 mit 70 % Martensit beträgt etwa 415 MPa.
Ein dritter Schritt 106 des Verfahrens 100 beinhaltet das Abschrecken der Hauptzapfen 12 und der Pleuelzapfen 14 der Kurbelwelle 10 mit einer Abkühlrate von etwa 15 bis 20 °C/sec. Die Abkühlrate kann unter Verwendung eines Öl- oder Polymerlösungsabschreckmediums erreicht werden. 5 ist eine Grafik 50, welche die Systemtemperatur auf der vertikalen Achse 52 und die Abschreckzeit auf der horizontalen Achse 54 darstellt. Die Linien 56 stellen die Abkühlraten dar, während die Linie 58 die Martensit-Startumwandlungstemperatur zwischen etwa 313 °C und 326 °C darstellt. 6 ist eine Mikrofotografie, die ein Beispiel für eine Mikrostruktur des ausgehärteten Gehäuses 44 einer Kurbelwelle 10 zeigt, die nach dem Verfahren 100 bearbeitet wurde. Etwa 15 % Ferrit α verbleiben in einer Matrix von transformiertem Martensit. Somit weist das gehärtete Gehäuse 44 nach der Verarbeitung durch den dritten Schritt 106 des Verfahrens 100 eine Mikrostruktur auf, die bis zu 50 Gew.-% Ferrit und vorzugsweise zwischen 15 Gew.-% und 30 Gew.-% Ferrit mit dem Rest Martensit beinhaltet.
Ein vierter Schritt 108 des Verfahrens beinhaltet das Temperieren der Kurbelwelle 10 bei niedriger Temperatur. Beim Temperieren wird die Kurbelwelle auf unter 727 °C erwärmt und anschließend abgekühlt. Nach dem Temperieren liegt die Oberflächenhärte der Hauptzapfen 12 und der Pleuelzapfen 14 zwischen HRC 40 und 50.
Während die besten Arten zur Ausführung der Offenbarung detailliert beschrieben wurden, werden Fachleute, die diese Offenbarung betrifft, diverse alternative Ausgestaltungen und Ausführungen erkennen, mit denen die Offenbarung im Rahmen der nachfolgend aufgeführten Patentansprüche innerhalb des Umfangs ausgeführt werden kann.

Claims

Kurbelwelle für einen Verbrennungsmotor, wobei die Kurbelwelle eine Vielzahl von Zapfen umfasst, die jeweils eine Oberfläche und ein gehärtetes Gehäuse umfassen, und worin die Kurbelwelle ferner aus einem Stahl mit bis zu etwa 0,77 Gew.-% Kohlenstoff besteht und das gehärtete Gehäuse eine erste Mikrostruktur aufweist, die Ferrit und Martensit umfasst.
Kurbelwelle nach Anspruch 1, worin die Oberfläche der Vielzahl von Zapfen eine Oberflächenhärte zwischen HRC 40 und 50 umfasst.
Kurbelwelle nach Anspruch 1, worin die erste Mikrostruktur bis zu 50 % Ferrit umfasst.
Kurbelwelle nach Anspruch 3, worin die erste Mikrostruktur zwischen etwa 15 % und 30 % Ferrit umfasst.
Kurbelwelle nach Anspruch 1, worin der Stahl zwischen 0,3 Gew.-% und 0,77 Gew.-% Kohlenstoff umfasst.
Kurbelwelle nach Anspruch 5, worin der Stahl 0,38 Gew.-% Kohlenstoff umfasst.
Kurbelwelle für einen Verbrennungsmotor, wobei die Kurbelwelle eine Vielzahl von Zapfen umfasst, die jeweils eine Oberfläche und ein gehärtetes Gehäuse umfassen, und worin die Kurbelwelle aus einem Stahl besteht, der zwischen etwa 0,3 Gew.-% und 0,77 Gew.-% Kohlenstoff umfasst, und das gehärtete Gehäuse eine erste Mikrostruktur aufweist, die zwischen etwa 15 % und 30 % Ferrit und einen Rest aus Martensit umfasst.
Kurbelwelle nach Anspruch 7, worin die Oberfläche der Vielzahl von Zapfen eine Oberflächenhärte zwischen HRC 40 und 50 umfasst.
Kurbelwelle nach Anspruch 8, worin der Stahl 0,38 Gew.-% Kohlenstoff umfasst.
Kurbelwelle nach Anspruch 9, worin die Kurbelwelle eine Eigenspannung zwischen etwa 400 MPa und 550 MPa umfasst.