-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wellgetriebebauteils. Ferner betrifft die Erfindung ein Wellgetriebebauteil sowie ein Wellgetriebe.
-
Aus der
DE 10 2016 219 076 A1 geht ein Wellgetriebe, mit einem flexiblen, außenverzahnten Getriebebauteil und mit einem mit diesem kämmenden weiteren, innenverzahnten Getriebebauteil hervor. Das weitere Getriebebauteil weist einen zylindrischen, innenverzahnten, in sich starren Hülsenabschnitt sowie einen an diesen anschließenden, scheibenförmigen, elastisch nachgiebigen Bodenabschnitt auf. Eine Kragenhülse eines solchen Wellgetriebes wird beispielsweise aus Vergütungsstahl im Festigkeitsbereich von 1100 - 1300 MPa hergestellt. Ein Hohlrad wird beispielsweise aus ausferritischem Gusseisen mit einer Festigkeit von 900 bis 1200 MPa ausgebildet. Die Fertigung sowohl des ausferritischen Guss als auch des Stahlbauteils besteht im Allgemeinen aus einer durchgreifenden Wärmebehandlung, Härten (martensitisch oder bainitisch) und anschließendem Anlassen (Vergüten) auf die gewünschte Zielfestigkeit. Nachfolgend werden die Bauteilgeometrien des vergüteten Bauteils mittels konventioneller Fertigungstechnologien, das heißt Drehen, Bohren, Fräsen, insbesondere Wälzfräsen, Wälzschälen oder auch Stoßen bzw. Räumen der Verzahnung, ausgebildet. Derartig hergestellte Bauteile erreichen Festigkeiten von bis zu 400 HV.
-
JP 2 595 609 B2 offenbart einen Automatenstahl, der mittels Aufkohlungshärten herstellbar ist. Der Stahl enthält bezogen auf das Gewicht, eine oder mehrere Arten von 0,10 bis 0,30 % Kohlenstoff (C), kleiner gleich 1,0 % Silizium (Si), kleiner gleich 3,0 % Mangan (Mn), kleiner gleich 8,0 % Chrom (Cr), kleiner gleich 5,0 % Nickel (Ni), kleiner gleich 6,0 % Molybdän (Mo) und kleiner gleich 2,0 % Aluminium (AI). Aluminium reduziert die Sauerstoffmenge im Stahl und verbessert gleichzeitig die Nitrierfähigkeit.
JP 2 595 609 B2 sieht es als vorteilhaft an, 0,005 % Al zu nutzen. Je höher der Al-Anteil desto stärker wird die Zähigkeit des Werkstoffs beeinträchtigt. Außerdem enthält der Stahl bezogen auf das Gewicht 0,004 bis 0,020 % Bor (B), 0,005 bis 0,050 % Sickstoff (N) sowie kleiner gleich 0,0015 % Sauerstoff (O). Ein Verhältnis zwischen Stickstoff und Bor lieg bei 0,5 bis 4,0 N/B. Die Gesamtmenge an Elementen mit hohem Nitridbildungsgrad wie Titan (Ti) und Zirconium (Zr) liegt bei kleiner gleich 0,01 %. Der Rest besteht aus Eisen (Fe). Im Stahl bilden Bor und Stickstoff Bornitrid-Einschlüsse.
-
JP 2 805 845 B2 offenbart einen Stahl, der bezogen auf das Gewicht 0,10 bis 0,30 Gew.-% Kohlenstoff (C), eine oder mehrere Arten von kleiner gleich 3,0 % Mangan (Mn), kleiner gleich 8,0 % Chrom (Cr), kleiner gleich 5,0 % Nickel (Ni), kleiner gleich 6,0 % Molybdän (Mo) und kleiner gleich 2,0 % Aluminium (AI), und 0,004 bis 0,020 % Bor (B) und 0,005 bis 0,050 % Stickstoff (N), bei einem Verhältnis zwischen Stickstoff und Bor von 0,5 bis 0,4 N/B. Der Stahl besteht ferner aus kleiner gleich 0,0015 % Sauerstoff (O), kleiner gleich 0.10 % Silizium (Si) und kleiner gleich 0,015 % Phosphor (P) enthält. Die Gesamtmenge an Elementen mit hohem Nitridbildungsgrad wie Titan (Ti) und Zirconium (Zr) liegt bei kleiner gleich 0,01 %. Der Rest besteht aus Eisen (Fe). Falls erforderlich, werden außerdem optimale Mengen von einem oder beiden der Elemente Niob (Nb) und Vanadium (V) und eine oder mehrere Arten von Calcium (Ca), Blei (Pb), Schwefel (S), Bismut (Bi) und Tellur (Te) zugesetzt.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Wellgetriebebauteils, ein Wellgetriebebauteil sowie ein Wellgetriebe weiterzuentwickeln.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wellgetriebebauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Wellgetriebebauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 4 sowie durch ein Wellgetriebemit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
-
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Wellgetriebebauteils, bei dem das Wellgetriebebauteil aus einem ausscheidungshärtenden Stahl ausgebildet wird, umfasst die Schritte:
- - Bereitstellung eines Rohlings aufweisend die Zusammensetzung 0,01 bis 0,35 Gew.-% Kohlenstoff, höchstens 0,15 Gew.-% Silizium, höchstens 0,4 Gew.-% Mangan, 4,5 bis 5,5 Gew.-% Chrom, 4,5 bis 6,5 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 1 Gew.- % Molybdän, höchstens 0,6 Gew.-% Vanadium, 2 bis 2,5 Gew.-% Aluminium, höchstens 0,008 Gew.-% Schwefel, höchstens 0,02 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,025 Gew.-% Titan, 0,005 bis 0,015 Gew.-% Stickstoff, höchstens 0,007 Gew.-% Sauerstoff, höchstens 0,0035 Gew.-% Kalium, höchstens 0,015 Gew.- % Magnesium sowie als Rest Eisen mit unvermeidbaren Spurenelementen,
- - Lösungsglühen des Rohlings, wobei das Lösungsglühen entweder durch Erhitzen des Rohlings auf eine Lösungsglühtemperatur zwischen 950 und 1050 °C oder während eines Schmiedevorgangs bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1200 °C erfolgt, bis ausscheidungshärtende Bestandteile der Zusammensetzung in Lösung vorliegen;
- - Abkühlen des Rohlings bis auf Raumtemperatur, derart, dass der Rohling ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge aufweist;
- - Mechanische Bearbeitung des Rohlings zur Ausbildung des Wellgetriebebauteils; und
- - Ausscheidungshärten des Wellgetriebebauteils bei einer Temperatur von 450 bis 650 °C für mindestens 30 Minuten und höchstens 10 Stunden.
-
Der Rohling ist aus einem ausscheidungshärtenden Stahl ausgebildet und kann als gewalzter Stabstahl vorliegen, bevor er wärmebehandelt wird. Der Rohling kann spanend oder schmiedend hergestellt sein. Insbesondere kann der Rohling durch Schmieden oder dergleichen in eine Ringform gebracht werden. Ein ausscheidungshärtender Stahl ist ein Stahl, dessen Härte durch Ausscheidungshärten in Abhängigkeit der Verfahrensparameter und der Legierungszusammensetzung einstellbar ist. Der Rohling kann zur Wärmebehandlung prinzipiell in jedem beliebigen Bearbeitungszustand bereitgestellt werden, beispielsweise in einem im Wesentlichen unbearbeiteten Zustand, wobei die gesamte oder wenigstens ein Großteil der mechanischen Bearbeitung zur Herstellung einer zumindest endkonturnahen Geometrie des Wellgetriebebauteils nach dem Lösungsglühen und Abkühlen des Rohlings auf Raumtemperatur erfolgt. Alternativ kann der Rohling auch bereits im Wesentlichen endkonturnah ausgebildet sein, wobei nach dem Lösungsglühen und Abkühlen des Rohlings lediglich eine finale Bearbeitung des Rohlings erfolgt, um zum Beispiel Verzug zu entfernen und das Wellgetriebebauteil auf dessen Endmaß zu bearbeiten.
-
Die Legierungszusammensetzung des Rohlings bzw. des daraus hergestellten Wellgetriebebauteils weist 0,01 bis 0,35 Gew.-% Kohlenstoff (C), 0 bis 0,15 Gew.-% Silizium (Si), 0 bis 0,4 Gew.-% Mangan (Mn), 4,5 bis 5,5 Gew.-% Chrom (Cr), 4,5 bis 6,5 Gew.-% Nickel (Ni), 0,5 bis 1 Gew.-% Molybdän (Mo), 0 bis 0,6 Gew.-% Vanadium (V), 2 bis 2,5 Gew.-% Aluminium (AI), 0 bis 0,008 Gew.-% Schwefel (S), 0 bis 0,02 Gew.-% Phosphor (P), 0 bis 0,025 Gew.-% Titan (Ti), 0,005 bis 0,015 Gew.-% Stickstoff (N), 0 bis 0,007 Gew.-% Sauerstoff (O), 0 bis 0,0035 Gew.-% Kalium (K), 0 bis 0,015 Gew.-% Magnesium (Mg) sowie als Rest Eisen (Fe) und unvermeidbare Spurenelemente. Die Spurenelemente sind Verunreinigungen, die insbesondere herstellungsbedingt im Werkstoff vorliegen. Dies können beispielsweise Kupfer (Cu), Antimon (Sb), Zinn (Sn), Arsen (As) oder dergleichen sein.
-
Der Werkstoff weist hohe Legierungsgehalte an die Härtbarkeit steigernden Elementen, wie z.B. Chrom und Nickel, auf. Insbesondere der im Vergleich zu
JP 2 595 609 B2 und
JP 2 805 845 B2 wesentlich höhere Anteil Aluminium, der erfindungsgemäß zwischen 2 und 2,5 Gew.-% liegt, geht beim Lösungsglühen in Lösung, jedoch reagiert es während der Abkühlung nicht. Dies würde erst bei länger andauernden Behandlungen und erhöhten Temperaturen erfolgen, jedoch nicht bei dem hier vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren.
-
Beim Lösungsglühen werden im Gefüge des Rohlings vorliegende Ausscheidungen, insbesondere Karbidausscheidungen sowie weitere Phasen im Mischkristall in Lösung gebracht, wobei das Gefüge durch Abkühlung des Rohlings auf Raumtemperatur an einer erneuten Ausscheidung gehindert wird. Der Rohling wird mit einer solchen Abkühlrate auf Raumtemperatur abgekühlt, dass ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge vorliegt. Des Weiteren dient das Lösungsglühen einer Rekristallisation von kaltverformten Gefügebereichen und damit dem Abbau von Kaltverfestigungen. Der Rohling wird beispielsweise nach einer zügigen Aufheizung im Bereich von 950 bis 1050°C in Abhängigkeit der Bauteilabmessungen gehalten. Das Lösungsglühen erfolgt insbesondere so lange, bis die ausscheidungshärtenden Bestandteile der Zusammensetzung in Lösung vorliegen. Wann dieser Zeitpunkt in Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung vorliegt, kann durch allgemein bekannte Simulationsmethoden vorab bestimmt werden. Eine für das Lösungsglühen gewählte Temperatur ist vorzugsweise derart hoch gewählt, dass keine ungewollten, groben Teilchen im Gefüge bestehen bleiben, die für die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes nachteilig sind. Andererseits ist die Temperatur für das Lösungsglühen derart niedrig gewählt, dass die eutektische Temperatur der Legierung nicht überschritten wird, um Seigerungen zu verhindern. Die bevorzugte Zeit für das Lösungsglühen beträgt nicht weniger als 30 Minuten und nicht mehr als 90 Minuten. Idealerweise liegen die ausscheidungshärtenden Bestandteile nach ca. 45 Minuten vollständig in der Matrix gelöst vor.
-
Alternativ zur vorher beschriebenen Wärmebehandlung kann der Zustand des Rohlings, bei dem ausscheidungshärtende Bestandteile der Zusammensetzung in Lösung vorliegen, erreicht werden, in dem der Rohling mittels Schmieden bearbeitet wird, und zwar vorteilhafterweise bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1200 °C. Während des Schmiedens gehen die genannten Ausscheidungen oder Phasen in Lösung, sodass der Rohling nach dem Schmieden und Abkühlen auf Raumtemperatur im lösungsgeglühten Zustand vorliegt.
-
Das sich an das Lösungsglühen unmittelbar anschließende Abkühlen des Rohlings auf Raumtemperatur kann prinzipiell beliebig gestaltet werden. Jedenfalls weist der Rohling nach dem Abkühlen ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge auf. Die Härtbarkeit des Materials nach dem Lösungsglühen bzw. nach dem Schmieden ist so hoch, dass die Abkühlrate keinen maßgeblichen Einfluss darauf hat, dass nach dem Abkühlen ein im Wesentlichen martensitisches Grundgefüge vorliegt, wobei auch bei kurzem, moderatem oder langem stets eine nahezu identische Härte erreicht wird. Bei dem Rohling mit der genannten Stahlzusammensetzung handelt es sich um einen lufthärtenden Stahl, der auch an Luft abkühlen kann, um die gewünschten Materialeigenschaften, insbesondere die geforderte Härte und/oder Festigkeit zu erreichen. Der Stahl hat damit keine ausgeprägte Sensitivität gegenüber der Abkühlkurve beim Abkühlen. Um den Prozess der Wärmebehandlung zu beschleunigen, kann nach dem Lösungsglühen alternativ ein martensitisches Härten erfolgen, wobei der Rohling ausgehend von der Lösungsglühtemperatur in einem geeigneten Medium auf Raumtemperatur abgeschreckt wird. Dadurch wird das Herstellungsverfahren beschleunigt. Unter Raumtemperatur ist im Sinne der Erfindung eine Umgebungstemperatur zwischen 10 und 40°C, vorzugsweise zwischen 15 und 25°C zu verstehen.
-
Sobald der Rohling auf Raumtemperatur abgekühlt ist, kann er derart mechanisch bearbeitet werden, dass die Geometrie des Wellgetriebebauteils im Wesentlichen endkonturnah vorliegt. Mit anderen Worten wird der Rohling durch geeignete mechanische Bearbeitungsschritte auf sein Endmaß bearbeitet. Unter einer mechanischen Bearbeitung sind beispielsweise spanabhebende Fertigungs- bzw. Bearbeitungsverfahren wie Fräsen, Drehen, Bohren, Sägen und Honen zu verstehen. Insbesondere kann bei der mechanischen Bearbeitung eine Verzahnung, sei es eine Innen- oder Außenverzahnung, am Wellgetriebebauteil hergestellt werden. Mithin kann der Rohling im weichen, also lösungsgeglühten, Zustand mittels konventioneller Technologien auf die finale Dimension des Wellgetriebebauteils bearbeitet werden.
-
Bei der initialen Abkühlung des Rohlings wird ein im Wesentlichen martensitisches Grundgefüge erzeugt, dass anschließend der Ausscheidungshärtung unterzogen wird. Nach der mechanischen Bearbeitung erfolgt also das Ausscheidungshärten, auch Aushärten genannt, das im Wesentlichen zur Erhöhung der Festigkeit, insbesondere der Dehngrenze, des Wellgetriebebauteils dient. Dabei erfolgt ein Ausscheiden von fein verteilten, intermetallischen Phasen, die Versetzungsbewegungen innerhalb des Kristallgitters infolge von Verformungen durch Eigenspannungen oder plastische Verformung erschweren. Das Ausscheidungshärten erfolgt vorteilhafterweise bei einer Temperatur zwischen 450 und 650°C für mindestens 30 Minuten und höchstens 10 Stunden. Kurze Zeiten und hohe Temperaturen sind insbesondere sinnvoll, um die Härtezunahme schnell erfolgen zu lassen. Niedrigere Härte und längere Auslagerungszeiten können genutzt werden, falls die volle Härteannahme nicht angestrebt wird und nur ein Anteil der möglichen Härteannahme erzielt werden soll. Bei der Ausscheidungshärtung kommt es zur Bildung von nanoskaligen Nickelaluminiden, die die Steigerung der Härtbarkeit verursacht, und nicht, wie bei herkömmlichen ausscheidungsgehärtete Stählen der Fall ist, durch ausgeschiedene Karbide.
-
Der Vorteil des Ausscheidungshärtens im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens besteht im Wesentlichen darin, dass das Wellgetriebebauteil im Zuge der Ausscheidungshärtung keine oder nur minimale Gestalt- oder Volumenänderungen aufweist. Durch das Ausscheidungshärten wird die finale Bauteilfestigkeit des Wellgetriebebauteils eingestellt. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass im Vergleich zu konventionellen ausscheidungsgehärteten Stählen keine zügige Abkühlung nach dem Schmieden oder Lösungsglühen erfolgen muss, wodurch die Verzüge im Rohling signifikant reduziert werden.
-
Vorzugsweise wird der Rohling so lange lösungsgeglüht und anschließend abgekühlt, bis er eine Härte zwischen 350 und 500 HV5 aufweist. Anders gesagt weist der Rohling nach dem Lösungsglühen und Abkühlen eine Härte zwischen 350 und 500 HV5 auf. Die Härte beruht hier im ersten Schritt im Wesentlichen auf dem Härtungspotential aufgrund des Kohlenstoffgehaltes, der bei kleiner 0,2 Gew.-% bis knapp 0,3 Gew.- % liegt, sodass die Härtespanne zwischen 350 und 500 HV5 erreicht wird. Die Härte wird nach dem Abkühlen bei Raumtemperatur gemessen. Eine Härte von 350 HV (Vickershärte) entspricht einer Rockwellhärte von etwa 35,5 HRC und eine Vickershärte von 500 HV entspricht einer Rockwellhärte von etwa 49,1 HRC. Mithin wird der Rohling so lange lösungsgeglüht, bis er eine Rockwellhärte zwischen 35,5 und 49,1 HRC aufweist. Die Härtewerte werden mit der Härteprüfung nach Vickers ermittelt, die zur Prüfung homogener Werkstoffe dient und auch zur Härteprüfung dünnwandiger oder oberflächengehärteter Werkstücke und Randzonen geeignet ist. Diese Prüfverfahren ist in der Norm nach DIN EN ISO 6507-1:2018 bis -4:2018 geregelt. Als Prüfkraft eignet sich zur Bestimmung der Härte 5 Kilopond. Jedoch können auch andere Prüfkräfte eingesetzt werden.
-
Erst durch die zusätzliche Anlassbehandlung mittels Ausscheidungshärten wird die Härte des Wellgetriebebauteils um ca. 150 bis 250 HV erhöht. In diesem Sinn weist das Wellgetriebebauteil nach dem Ausscheidungshärten eine Härte zwischen 550 und 750 HV5 auf. Eine Vickershärte von 550 HV entspricht einer Rockwellhärte von etwa 52,3 HRC und eine Vickershärte von 750 HV entspricht einer Rockwellhärte von etwa 62,2 HRC. Mithin wird das Wellgetriebebauteil so lange ausscheidungsgehärtet, bis es eine Härte zwischen 52,3 HRC und 62,2 HRC aufweist.
-
Nach dem Ausscheidungshärten weist das Wellgetriebebauteil vorzugsweise eine Festigkeit von mindestens 1600 MPa auf. Dies kann insbesondere durch Anpassung des Kohlenstoffgehalts in der Zusammensetzung eingestellt werden. Beispielsweise bei einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,05 Gew.-% ist eine maximale Festigkeit von ca. 1650 MPa, bei einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,18 Gew.-% ist eine Festigkeit von ca. 1850 MPa und bei einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,28 Gew.-% ist eine Festigkeit von mehr als 1900 MPa Festigkeit erzielbar.
-
Ein erfindungsgemäßes Wellgetriebebauteil weist einen ausscheidungshärtenden Stahl mit der Zusammensetzung 0,01 bis 0,35 Gew.-% Kohlenstoff, höchstens 0,15 Gew.-% Silizium, höchstens 0,4 Gew.-% Mangan, 4,5 bis 5,5 Gew.-% Chrom, 4,5 bis 6,5 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 1 Gew.-% Molybdän, höchstens 0,6 Gew.-% Vanadium, 2 bis 2,5 Gew.-% Aluminium, höchstens 0,008 Gew.-% Schwefel, höchstens 0,02 Gew.- % Phosphor, höchstens 0,025 Gew.-% Titan, 0,005 bis 0,015 Gew.-% Stickstoff, höchstens 0,007 Gew.-% Sauerstoff, höchstens 0,0035 Gew.-% Kalium, höchstens 0,015 Gew.-% Magnesium sowie als Rest Eisen mit unvermeidbaren Spurenelementen auf.
-
Vorzugsweise weist das Wellgetriebebauteil Karbide vom Typ M6C und/oder MC auf. Diese Karbide bilden sich im Zuge der Ausscheidungshärtung. Ein Beispiel für Karbide vom Typ M6C ist ein Chromkarbid der Form Cr6C, ein Beispiel für Karbide vom Typ MC ist Vanadiumkarbid der Form VC.
-
Bevorzugt weist das Wellgetriebebauteil Nickelaluminid-Ausscheidungen mit einer Größe von höchstens 100 nm auf. Derartige Ausscheidungen weisen die Zusammensetzung NiAl auf und zeigen gute Materialeigenschaften für das Wellgetriebebauteil. Anhand der genannten Ausscheidungen kann die Festigkeit des Wellgetriebebauteils im Vergleich zum lösungsgeglühten Zustand um ca. 200 bis 250 HV gesteigert werden.
-
Ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe umfasst ein Wellgetriebebauteil gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung. Das Wellgetriebe umfasst beispielsweise eine von einem Wellgenerator mit einer unrunden Außenumfangsfläche umlaufend lokal radial verformbare, flexible Kragenhülse mit einer Außenverzahnung und ein starres Hohlrad mit einer Innenverzahnung, wobei die Außenverzahnung der Kragenhülse zur Übertragung eines Drehmoments an mindestens einem Zahneingriffsbereich zumindest teilweise mit der Innenverzahnung des Hohlrades im Zahneingriff steht. Das Wellgetriebebauteil kann das Hohlrad des Wellgetriebes sein. Alternativ oder ergänzend kann das Wellgetriebebauteil auch die Kragenhülse des Wellgetriebes sein.
-
Die vorhergehenden Ausführungen zum Verfahren gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Wellgetriebebauteil sowie für das erfindungsgemäße Wellgetriebe, und umgekehrt.
-
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Hierbei zeigt
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wellgetriebebauteils nach einer ersten Ausführungsform, wobei das Wellgetriebebauteil als Hohlrad ausgebildet ist,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Wellgetriebebauteils nach einer zweiten Ausführungsform, wobei das Wellgetriebebauteil als Kragenhülse ausgebildet ist, und
- 3 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Wellgetriebebauteils nach 1 oder 2.
-
Anhand der Figuren wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Wellgetriebebauteils 1, das gemäß 1 als Hohlrad 2 eines - hier nicht gezeigten - Wellgetriebes und gemäß 2 als Kragenhülse 3 des Wellgetriebes exemplarisch dargestellt ist, gemäß eines Blockschaltbilds visualisiert. Anders gesagt ist das Hohlrad 2 gemäß 1 sowie die Kragenhülse 3 gemäß 2 als Wellgetriebebauteil 1 zu verstehen. Das Blockschaltbild zur Beschreibung des Herstellungsverfahrens ist in 3 gezeigt. Das Hohlrad 2 und/oder die Kragenhülse 3 sind folglich dazu eingerichtet, im Wellgetriebe eingesetzt zu werden.
-
In einem ersten Verfahrensschritt 11 wird ein - hier nicht gezeigter - Rohling hergestellt, wobei der Rohling aus einem ausscheidungshärtenden Stahl als gewalzter Stabstahl ausgebildet ist, der durch Schmieden in eine Ringform gebracht wird. Der Rohling weist die Zusammensetzung 0,01 bis 0,35 Gew.-% Kohlenstoff, höchstens 0,15 Gew.-% Silizium, höchstens 0,4 Gew.-% Mangan, 4,5 bis 5,5 Gew.-% Chrom, 4,5 bis 6,5 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 1 Gew.-% Molybdän, höchstens 0,6 Gew.-% Vanadium, 2 bis 2,5 Gew.-% Aluminium, höchstens 0,008 Gew.-% Schwefel, höchstens 0,02 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,025 Gew.-% Titan, 0,005 bis 0,015 Gew.-% Stickstoff, höchstens 0,007 Gew.-% Sauerstoff, höchstens 0,0035 Gew.-% Kalium, höchstens 0,015 Gew.-% Magnesium sowie als Rest Eisen mit unvermeidbaren Spurenelementen auf.
-
In einem zweiten Verfahrensschritt 12 erfolgt ein Lösungsglühen des bereitgestellten Rohlings. Das Lösungsglühen kann durch zwei alternative Schritt erfolgen. Zum einen kann das Lösungsglühen als separater Wärmebehandlungsschritt erfolgen, wobei der Rohling auf eine Lösungsglühtemperatur zwischen 950 und 1050 °C erhitzt und so lange wärmebehandelt wird, bis ausscheidungshärtende Bestandteile der Zusammensetzung des Rohlings in Lösung vorliegen. Solche Bestandteile sind insbesondere Karbidausscheidungen und weitere Phasen des Mischkristalls. Zum anderen kann der Rohling während dessen Herstellung aus dem gewalzten Stabstahl einem Schmiedevorgang bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1200 °C unterzogen werden, wobei die Temperatur derart lange gehalten wird, bis die ausscheidungshärtenden Bestandteile der Zusammensetzung des Rohlings in Lösung vorliegen. Nach dem Lösungsglühen bzw. dem Schmieden bei Lösungsglühtemperatur weist der Rohling eine Härte zwischen 350 und 500 HV5 auf.
-
In einem dritten Verfahrensschritt 13 erfolgt ein Abkühlen des Rohlings bis auf Raumtemperatur. Das Abkühlen erfolgt vorliegend an der Luft, kann aber auch in einem Fluid wie Wasser, Öl oder Gas erfolgen.
-
An das Abkühlen schließt sich in einem vierten Verfahrensschritt 14 das mechanische Bearbeiten des Rohlings an, sodass aus dem Rohling das Wellgetriebebauteil 1 ausgebildet wird. Am Beispiel des Hohlrades 2 nach 1 kann beispielsweise eine Innenverzahnung 4 am Innenumfang des Hohlrades 2 durch spanabhebende Fertigung hergestellt werden. Am Beispiel der Kragenhülse 3 nach 2 kann beispielsweise eine Außenverzahnung 5 am Außenumfang der Kragenhülse 3 durch spanabhebende Fertigung hergestellt werden. Jedenfalls wird mittels der mechanischen Bearbeitung des Rohlings eine im Wesentlichen endkonturnahe Geometrie des Wellgetriebebauteils 1 hergestellt.
-
Das Wellgetriebebauteil 1 wird nach dessen mechanischer Bearbeitung in einem fünften Verfahrensschritt 15 bei einer Temperatur von 450 bis 650 °C sowie für mindestens 30 Minuten und höchstens 10 Stunden ausscheidungsgehärtet. Durch das Aushärten bilden sich Chromkarbide vom Typ Cr6C sowie Vanadiumkarbide (VC) im Gefüge des Wellgetriebebauteils 1 aus. Zudem bilden sich Nickelaluminid-Ausscheidungen mit einer Größe von bis zu 100 nm. Durch die Ausscheidungen bzw. Karbide wird die Härte innerhalb des Gefüges um 200 bis 250HV gesteigert, sodass das Wellgetriebebauteil 1 nach dem Ausscheidungshärten eine Härte zwischen 550 und 750 HV5 sowie eine Festigkeit von mindestens 1600 MPa aufweist. Mithin liegt nach dem Ausscheidungshärten ein Wellgetriebebauteil 1 vor, aufweisend einen ausscheidungshärtenden Stahl mit der Zusammensetzung 0,01 bis 0,35 Gew.-% Kohlenstoff, höchstens 0,15 Gew.-% Silizium, höchstens 0,4 Gew.-% Mangan, 4,5 bis 5,5 Gew.-% Chrom, 4,5 bis 6,5 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 1 Gew.-% Molybdän, höchstens 0,6 Gew.-% Vanadium, 2 bis 2,5 Gew.-% Aluminium, höchstens 0,008 Gew.-% Schwefel, höchstens 0,02 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,025 Gew.-% Titan, 0,005 bis 0,015 Gew.-% Stickstoff, höchstens 0,007 Gew.-% Sauerstoff, höchstens 0,0035 Gew.-% Kalium, höchstens 0,015 Gew.-% Magnesium sowie als Rest Eisen mit unvermeidbaren Spurenelementen wie beispielsweise Kupfer, Antimon, Zinn, Arsen oder dergleichen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wellgetriebebauteil
- 2
- Hohlrad
- 3
- Kragenhülse
- 4
- Innenverzahnung
- 5
- Außenverzahnung
- 11
- Erster Verfahrensschritt
- 12
- Zweiter Verfahrensschritt
- 13
- Dritter Verfahrensschritt
- 14
- Vierter Verfahrensschritt
- 15
- Fünfter Verfahrensschritt
-
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 Patentliteratur
-
- DE 102016219076 A1 [0002]
- JP 2595609 B2 [0003, 0010]
- JP 2805845 B2 [0004, 0010]
