DE10319297A1

DE10319297A1 - Verfahren zum Einsatzhärten

Info

Publication number: DE10319297A1
Application number: DE10319297A
Authority: DE
Inventors: Jerry A Tipps; Larry E Byrnes
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-05-01
Filing date: 2003-04-29
Publication date: 2003-11-20
Also published as: US20030205297A1; US7468107B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung sieht ein Einsatzhärteverfahren vor, das umfasst, dass eine Stahlkomponente schnell auf eine relativ hohe Aufkohlungstemperatur (beispielsweise 1038 DEG C (1900 DEG F) und darüber) erhitzt wird, die Komponente bei der relativ hohen Aufkohlungstemperatur mit einer methanhaltigen Aufkohlungsatmosphäre für eine Zeitdauer in Kontakt gebracht wird, um eine mit Kohlenstoff angereicherte Oberflächenrandschicht an der Komponente zu bilden, und die Komponente mit einer relativ langsamen Rate gekühlt wird, die dazu dient, eine relativ weiche martensitfreie Oberflächenrandschicht an der Komponente vorzusehen. Die Komponente wird dann einer Härtungsbehandlung unterzogen, wobei die aufgekohlte Komponente auf eine Härtungstemperatur in dem austenitischen Bereich gefolgt durch Abschrecken und Anlassen erhitzt wird, um eine angelassene martensitische Oberflächenrandschicht an einem darunter liegenden nicht martensitischen Kern zu bilden.

Description

Die vorliegende Erindung betrifft Einsatzhärtebehandlungen zum Härten von Oberflächen von Stahlkomponenten.

Ein Verfahren, das als Einsatzhärten, Aufkohlen oder Einsetzen bekannt ist, wird weit verbreitet verwendet, um Oberflächen von Stahlzahnrädern, Stahlwellen und anderen Komponenten zu härten und diesen damit eine größere Härte, eine größere Festigkeit sowie einen besseren Verschleißwiderstand zu verleihen. Beispielsweise werden Stahl- Getriebekomponenten eines Fahrzeugs typischerweise einsatzgehärtet, um diesen eine höhere Härte, eine höhere Festigkeit sowie einen besseren Verschleißwiderstand zu verleihen.

Ein typischer Einsatzhärteprozess für Stahlzahnradkomponenten eines Fahrzeuggetriebes betrifft eine Bearbeitung von heißgeschmiedetem, kaltgeschmiedetem oder kaltgewalztem, weichem, kohlenstoffarmem Stahl oder legiertem Stahl, um genau bearbeitete Komponenten mit enger Toleranz vorzusehen, und ein Erhitzen der bearbeiteten Komponenten in einem Einsatzofen bzw. Chargenofen auf eine Temperatur von etwa 843°C bis 1010°C (1550°F bis 1850°F) in einer gasförmigen Atmosphäre zum Einsatzhärten bzw. Aufkohlen, die in dem Ofen vorhanden ist, für eine Zeitdauer, damit eine vorbestimmte Menge an Kohlenstoff in die Oberfläche der Komponente diffundieren kann, um eine mit Kohlenstoff angereicherte Oberflächenrandschicht auf einem darunter liegenden Kern der Komponente zu bilden. Nachdem die Komponenten bei der erforderlichen Aufkohlungstemperatur und -zeitdauer gehalten worden sind, werden die Komponenten schnell auf eine niedrigere Temperatur gekühlt, indem sie in einem flüssigen Abschreckmittel, wie beispielsweise Öl oder Wasser, abgeschreckt werden, um die metallurgischen Phasenänderungen in der Komponente zu unterstützen. Derartige metallurgische Phasenänderungen in Komponenten aus kohlenstoffarmem Stahl und Komponenten aus niedrig legiertem Stahl umfassen typischerweise die Bildung einer martensitischen Oberflächenrandschicht auf einem bainitischen (banitic) Kern der Komponente beim Abschrecken. Für eine repräsentative Stahlgetriebekomponente wird eine herkömmliche Einsatzhärtebehandlung für etwa sechs Stunden von einem Beginn bis zum Ende durchgeführt, um eine gehärtete Oberflächenrandschicht mit einer Tiefe von etwa 0,635 mm (etwa 0,025 Zoll) an der Komponente zu bilden. Die einsatzgehärtete Komponente wird in Öl auf eine Temperatur von etwa 65°C bis etwa 121°C (150-250°F) abgeschreckt. Nach dem Abschrecken wird die Komponente typischerweise auf gut bekannte Art und Weise angelassen (tempered), um eine angelassene, martensitische Oberflächenrandschicht auf einem bainitischen Kern der Zahnradkomponente zu bilden.

Ein Problem, das oftmals bei derartigen Einsatzhärte- bzw. Aufkohlungsbehandlungen auftritt, betrifft ein Verziehen bestimmter, gegenüber Verziehen anfälliger, bearbeiteter Stahlkomponenten, wie beispielsweise Komponenten mit einem großen Durchmesser und dünnen Wänden und/oder mit ungleichförmigen/nicht symmetrischen Querschnitten, wenn sie von der Aufkohlungstemperatur auf die wesentlich niedrigere Abschrecktemperatur abgeschreckt werden (beispielsweise schnelles Abkühlen der Komponenten von etwa 843°C (1550°F) auf 121°C (250°F) durch Abschrecken in Öl). Dieses Verziehen ist auf hohe interne Spannungen zurückzuführen, die durch das Abschrecken der Komponenten erzeugt werden, und hat zur Folge, dass viele der abgeschreckten Komponenten außerhalb der vorbestimmten Abmessungstoleranzen liegen, die für eine akzeptable Komponente festgelegt sind.

Ein anderes Problem in Verbindung mit derartigen Einsatzhärtebehandlungen betrifft die interne Oxidation bestimmter Stähle (beispielsweise legierter Stähle) mit leicht oxidierenden Legierungsbestandteilen, wie beispielsweise Cr, wenn während der Einsatzhärtebehandlung innerhalb der Komponente einzelne Oxidbereiche oder -netze gebildet werden, die die mechanischen Eigenschaften der Komponente im Betrieb nachteilig beeinflussen können.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Einsatzhärte- bzw. Aufkohlungsverfahren vorzusehen, das die Zeitdauer zwischen dem Beginn und dem Ende bei der Herstellung einer einsatzgehärteten Komponente verringert.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Einsatzhärteverfahren vorzusehen, das ein Verziehen sowie eine interne Oxidation der Komponenten verringert.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einsatzhärteverfahren, das betrifft, dass eine Stahlkomponente schnell auf eine relativ hohe Aufkohlungstemperatur (beispielsweise etwa 1038°C (1900°F) und darüber) erhitzt wird, die Komponente bei der relativ hohen Aufkohlungstemperatur mit einer methanhaltigen Aufkohlungsatmosphäre für eine Zeitdauer in Kontakt gebracht wird, um eine kohlenstoffangereicherte Oberflächenrandschicht auf der Komponente zu bilden, und die Komponente mit einer relativ langsamen Rate abgekühlt wird, die dazu dient, eine martensitfreie, kohlenstoffangereicherte Oberflächenrandschicht auf der Komponente vorzusehen. Die Komponente wird dann einer Härtungswärmebehandlung unterzogen, bei der die Komponente auf eine Härtungstemperatur in dem austenitischen Bereich des bestimmten, verwendeten Stahles erhitzt wird und nachfolgend abgeschreckt und angelassen wird, um eine angelassene, martensitische Oberflächenrandschicht auf einem darunter liegenden inneren, nicht einsatzgehärteten Kern der gehärteten Komponente zu bilden. Der Kern kann eine Mischung aus ferritischen und perlitischen Phasen oder größtenteils eine bainitische Phase abhängig von der verwendeten Stahlzusammensetzung und den verwendeten Härtungsparametern umfassen. Bei gegenüber Verziehen anfälligen Stahlkomponenten kann die Härtungswärmebehandlung so durchgeführt werden, dass die Komponente in einer Spanneinrichtung gehalten wird, um ein Verziehen während des Abschreckens und Anlassens zu verringern.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Stahlzahnradkomponente in einen Bandofen eingebracht und durch eine Erhitzungszone, in der die Komponente auf eine Aufkohlungstemperatur von etwa 1066°C (etwa 1950°F) innerhalb etwa 30 Minuten oder weniger erhitzt wird, durch eine Einsatzhärtungszone, die Methangas umfasst, um die Komponente bis zu einer gewählten Oberflächenrandschichttiefe einsatzzuhärten, und durch eine Kühlzone transportiert, in der die Komponente relativ langsam auf eine niedrigere Temperatur gekühlt wird, um eine martensitfreie Oberflächenrandschicht auf einem darunter liegenden, nicht einsatzgehärteten Kern der Komponente zu erzeugen, wobei der Kern Perlit und Ferrit umfasst. Eine typische, niedrigere Temperatur liegt unter etwa 260°C (500°F), bei der kein nachteiliger Oxidoberflächenzunder auf der Stahlkomponente in Umgebungsluft gebildet wird. Die Komponente wird anschließend gehärtet, indem sie auf eine Härtungstemperatur in dem austenitischen Bereich des bestimmten Stahles, der verwendet wird, erhitzt wird, und anschließend abgeschreckt und angelassen, um eine angelassene, martensitische Oberflächenrandschicht auf einem ferritischen/perlitischen oder bainitischen Kern der Getriebekomponente vorzusehen. Die Härtungsbehandlung kann wahlweise in einer ammoniakhaltigen Atmosphäre durchgeführt werden, um eine flache Tiefe von Restaustenit an der Außenfläche der kohlenstoffangereicherten Oberflächenrandschicht der gehärteten (abgeschreckten und angelassenen) Zahnradkomponente zu bilden und damit ihre Ermüdungseigenschaften zu verbessern. Das Verfahren der Erfindung kann dazu verwendet werden, um die Gesamtzeit vom Beginn bis zum Ende für eine Durchführung der Gesamtbehandlung der Komponente zu verringern, wobei der geschwindigkeitsbeschränkende Schritt die Einsatzhärtebehandlung ist. Bei in der Praxis verwendeten Ausführungsformen der Erfindung ist eine Aufkohlungszeit von etwa zwei Stunden erreichbar. Mit der vorliegenden Erfindung kann ein Verziehen sowie eine interne Oxidation verringert werden.

Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Bandofens zur Ausführung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 ein Temperatur-Zeit-Schaubild ist, das die Temperatur eines Hohlrades eines Kraftfahrzeuggetriebes in Abhängigkeit von der Zeit zeigt, wenn dieses durch den Bandofen transportiert wird;
Fig. 3A ein Mikrobild bei 100X eines SAE-5120-Getriebehohlrades (geätzt mit 1% Nital) nach einem Einsatzhärten und einer langsamen Kühlung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist, und
Fig. 3B ein Mikrobild bei 100X des SAE-5120-Hohlrades (geätzt mit 1% Nital) nach einem Einsatzhärten, einer langsamen Kühlung sowie einer Wiedererhitzung, einem Abschrecken und Anlassen ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft bei einer Ausführungsform ein Einsatzhärten einer Stahlkomponente bei einer relativ hohen Aufkohlungstemperatur in einer Einsatzhärtungsatmosphäre, die mit Methan angereichert ist, für eine Zeitdauer, um einen gewünschten Kohlenstoffgehalt (beispielsweise eine mit Kohlenstoff angereicherte Oberflächenrandschicht) an der Oberfläche der Komponente zu bilden, wobei danach die Komponente mit einer relativ langsamen Rate abgekühlt wird, die dazu dient, eine martensitfreie, mit Kohlenstoff angereicherte Oberflächenrandschicht auf der Komponente vorzusehen. Die methanhaltige Aufkohlungsatmosphäre, die in der Praxis der Erfindung verwendet wird, ist typischerweise eine endotherme Atmosphäre (beispielsweise eine Atmosphäre der ASM-Klasse oder vom Typ 302 mit etwa 20 Vol.-% CO, 40 Vol.-% H₂ und 40 Vol.-% N₂). Das Einsatzhärten der Stahlkomponente wird gemäß der Erfindung durch Steuerung des Niveaus an Methananreicherung der Aufkohlungsatmosphäre bei einer gegebenen Temperatur und Einsatzhärtungszeit gesteuert. Die Komponente wird dann einer Härtungswärmebehandlung unterzogen, bei der die Komponente auf eine Härtungstemperatur in dem austenitischen Bereich des bestimmten, verwendeten Stahles erhitzt wird und anschließend abgeschreckt und angelassen wird, um eine angelassene, martensitische Oberflächenrandschicht auf einem darunter liegenden Kern der gehärteten Komponente zu bilden.
Es können Stahlkomponenten verschiedener Typen gemäß der Erfindung behandelt werden. Beispielsweise können Komponenten, die aus sogenannten einsatzhärtenden, kohlenstoffarmen Stählen und niedrig legierten Stählen bestehen, gemäß der Erfindung behandelt werden. Beispiele von derartigen Stählen umfassen zum Beispiel ASE 1020, 5120, 8620 und andere Variationen des Kohlenstoff- oder Legierungsgehaltes, um eine spezifische Produktanforderung zu erfüllen. Es kann eine breite Vielzahl von Komponenten mit unterschiedlichen Anwendungen gemäß der Erfindung behandelt werden, die beispielsweise Stahlzahnräder, Wellen, Laufringe für Kugellager, Buchsen, Zahnstangen und andere umfassen können.
Überdies ist, obwohl die Erfindung nachfolgend zum Zweck der Veranschaulichung eines Einsatzhärtens von Stahlzahnradkomponenten in einem Bandofen beschrieben ist, die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern kann in einem oder mehreren Chargenöfen oder Öfen von einem anderen Typ ausgeführt werden, die die Behandlungsbedingungen, die oben beschrieben sind, vorsehen können.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erindung werden, wie in Fig. 1 gezeigt ist, Stahlzahnradkomponenten G auf dem Endlosmetallgewebeband 12 (Typ 314 rostfreier Stahl) eines herkömmlichen, elektrisch beheizten Bandofens 10 des Typs angeordnet, der dazu verwendet wird, behandelte Pulvermetall-Vorformlinge zu erwärmen und der von der Atmosphere Furnace Company, früher Pacific International Furnace Company, Soutrifield, Michigan, erhältlich ist. Die Komponenten können vor der Anordnung auf dem Band 12 gewaschen und getrocknet werden oder sie können eine dünne (nicht tropfende) Lage aus Öl oder ein auf Wasser basierendes Schneidefluid darauf aufweisen. Die Komponenten G werden typischerweise auf dem Endlosband 12 in einem Muster angeordnet, das einen ausreichenden Zugang der Einsatzhärtungsatmosphäre für jede Zahnradkomponente vorsieht. Die Zahnradkomponenten G werden zuerst durch eine Vorheizzone Z1 transportiert, bei der die Komponenten auf eine Aufkohlungstemperatur von etwa 1066°C (etwa 1950°F) innerhalb etwa 30 Minuten oder weniger, wie beispielsweise innerhalb 20 Minuten, erhitzt werden. Die Heizzone Z1 wird durch elektrische Widerstandsheizelemente (nicht gezeigt) des Ofens erhitzt. Die Temperatur in der Zone Z1 wird durch ein oder mehrere Thermoelemente an geeigneten Orten in der Zone Z2 überwacht und gesteuert. In Zone Z1 ist eine endotherme Schutzatmosphäre (reduzierende Atmosphäre) vorgesehen. Zum Zwecke der Veranschaulichung kann die Vorheizatmosphäre beispielsweise die folgenden Bestandteile in den folgenden, annähernden Prozentsätzen umfassen: 1. 20 Vol.-% CO; 2. 40 Vol.-% H₂ und 3. 40 Vol.-% N₂. Die Atmosphäre ist eine endotherme Atmosphäre ASM Klasse 302.
Eine repräsentative Vorheizzone Z1 besitzt eine Länge von 3,05 m (10 Fuß). Die gegenüberliegenden Enden der Vorheizzone Z1 besitzen nach oben stehende, in ihrer Höhe einstellbare Türen 20, 21, die an ihren unteren Enden Kettenvorhänge aus Stahllegierung (nicht gezeigt) umfassen, durch welche die Zahnradkomponenten transportiert werden. Die Türen und Vorhänge helfen, eine mehr oder weniger ausgeprägte Vorheizzone Z1 und Einsatzhärtungszone Z2 beizubehalten.
Fig. 2 zeigt eine typische Kurve für schnelles Aufheizen für ein Hohlrad (etwa 1,86 kg (etwa 4,1 lb.) pro Zahnrad) aus Stahl (beispielsweise Typ 5120 oder 8620) eines Kraftfahrzeuggetriebes, wenn dieses durch den Bandofen 10 mit einer Bandgeschwindigkeit von 0,1524 m pro Minute (6 Zoll pro Minute) transportiert wird. Bei Fig. 2 ist zu beachten, dass die Temperatur in Grad Fahrenheit aufgetragen ist (100 Grad Fahrenheit entsprechen 37,8 Grad Celsius). Es wird offensichtlich, dass die Temperatur des Zahnrades innerhalb etwa 30 Minuten oder weniger auf etwa 1066°C (etwa 1950°F) angehoben wurde, wenn dieses auf dem Band 12 durch die Vorheizzone Z1 transportiert wurde. Die Bandgeschwindigkeit ist so eingestellt, um die gewünschte Aufheizrate bei einer gegebenen Ofentemperatur und -länge vorzusehen.
Bei der Ausführung der Erfindung werden die Komponenten G typischerweise auf eine Aufkohlungstemperatur von zumindest etwa 1038°C (etwa 1900°F) und bevorzugt zwischen 1038°C bis 1093°C (1900 bis 2000°F) und am bevorzugtesten auf 1066°C (etwa 1950°F) vorerhitzt, wobei bei einer solchen relativ hohen Aufkohlungstemperatur vorwiegend die Konzentration von Methan (CH₄) in der Aufkohlungsatmosphäre (in Zone Z2) die Rate der Einsatzhärtung der Komponenten infolge der thermodynamisch günstigeren Einsatzhärtungsreaktion bei derartigen Temperaturen (beispielsweise CH₄ = C_Fe + 2H₂, wobei C_Fe in den Stahl eingeführter Kohlenstoff ist) steuert. Diese Methansteuerung steht im Gegensatz zu der Steuerung der Einsatzhärtung bei Temperaturen von 1010°C (1850°F) und darunter, bei denen vorwiegend die Konzentrationen von CO₂ und H₂O die Einsatzhärtung steuern.
Die vorerhitzten Komponenten G werden auf dem Band 12 von der Zone Z1 durch die Einsatzhärtungszone Z2 transportiert, die eine Einsatzhärtungsatmosphäre umfasst, die mit Methan zum Einsatzhärten der Komponente angereichert ist, um eine gewünschte Menge an Kohlenstoff in die Komponente bis zu einer gewählten Oberflächenrandschichttiefe einzuführen. Die Einsatzhärtungsatmosphäre umfasst allgemein etwa 1 bis etwa 2 Vol.-% Methan (beispielsweise Erdgas), 18-22 Vol.-% CO, 38-42 Vol.-% H₂, weniger als 0,1 Vol.-% CO₂ und als Rest N₂, obwohl die bestimmte Einsatzhärtungsatmosphäre von dem Typ von Erdgas abhängt, das als die Methankomponente verwendet wird.
Die Einsatzhärtungszone Z2 wird durch elektrische Widerstandsheizelemente (nicht gezeigt) erhitzt, um eine gewünschte Aufkohlungstemperatur beizubehalten. In der Zone Z2 ist eine endotherme Aufkohlungsatmosphäre vorgesehen, die allgemein CO, H₂, CH₄ und kleine Mengen an CO₂ und Wasser umfasst. Zum Zweck der Veranschaulichung kann eine beispielhafte Einsatzhärtungsatmosphäre die folgenden Bestandteile in den folgenden Prozentsätzen umfassen: 20,4 Vol.-% CO, 40 Vol.-% H₂, 1,2 Vol.-% Methan, 0,03 Vol.-% CO₂ und als Rest N₂ bei einem Taupunkt von -23,3°C (-10°F).
Die Einsatzhärtungsatmosphäre in Zone Z2 wird durch einen Infrarot-Methananalysator, einen CO-Analysator und einen CO₂ -Analysator überwacht, die eine Rückkopplung für eine elektronische Steuerung vorsehen, die die Niveaus von Anreicherungsgas (Methan), um eine gewünschte Atmosphärenzusammensetzung beizubehalten, in Ansprechen auf die Signale von den Analysatoren einstellen kann.
Eine repräsentative Einsatzhärtungszone Z2 besitzt eine Länge von 6,1 m (20 Fuß). Typischerweise wird die Temperatur in der Zone Z2 durch Thermoelemente an drei (oder mehr oder weniger) Orten entlang der Länge der Zone Z2 überwacht und gesteuert. Die gegenüberliegenden Enden der Zone Z2 besitzen nach oben ragende, in der Höhe einstellbare Türen 21, 22, die Kettenvorhänge aus legiertem Stahl (nicht gezeigt) an ihren unteren Enden umfassen, durch welche die Zahnradkomponenten transportiert werden. Die Türen helfen, eine mehr oder weniger ausgeprägte Vorheizzone Z1 und Einsatzhärtungszone Z2 beizubehalten. Die Einsatzhärtungsgase werden in die Zone Z unter Verwendung eines Verteiler- und Gebläsesystems (nicht gezeigt) eingeführt, das eine Zirkulation und Temperaturgleichförmigkeit darin unterstützt. Beispielsweise können Rezirkulationsgebläse (nicht gezeigt) zu dem oberen Bereich des Bandes 12 wie auch zu den Seiten des Bandes 12 weisend angeordnet werden, um eine aktive Einsatzhärtungsatmosphäre um jede Komponente auf dem Band beizubehalten. Ein Trägergestell 25 kann in der Zone Z2 angeordnet sein, um das Band 12 und somit die Komponenten darauf während der Einsatzhärtung zu tragen und damit ein Verziehen der Komponenten zu verringern oder zu verhindern.
Fig. 2 zeigt eine typische Kurve der Temperatur in Abhängigkeit der Zeit für das Hohlrad aus Stahl (5120- oder 8620-Stahl) eines Kraftfahrzeuggetriebes, das durch den Bandofen 10 mit der Bandgeschwindigkeit von 0,1524 m pro Minute (6 Zoll pro Minute) transportiert wird, wobei die Einsatzhärtungszone Z2 die beispielhafte Einsatzhärtungsatmosphäre besitzt. Die Temperatur (1066°C (1950°F)) und die Zeit in der oben beschriebenen Einsatzhärtungsatmosphäre erzeugen eine Oberflächenkohlenstoffkonzentration von 1,0 Gew.-% bis zu einer Tiefe von 0,508 mm (0,02 Zoll) (Randschichtdicke) auf den Außenflächen des Hohlrades. Das Einsatzhärten auf die beschriebene Art und Weise ist nützlich, um eine interne Oxidation in Stahlkomponenten G zu verringern oder zu beseitigen.
Der Bandofen 10 umfasst typischerweise eine Pufferzone Z3 zwischen der Einsatzhärtungszone Z2 und der Kühlungszone Z4. Die Pufferzone Z3 ist eine nicht erhitzte, thermisch isolierte Zone des Ofens 10, um einen Übergang zwischen der heißen Einsatzhärtungszone Z2 und der wassergekühlten Kühlungszone Z4 vorzusehen. Die Pufferzone kann 0,305 m bis zu 0,9144 m (1 bis 3 Fuß) lang sein.
Die einsatzgehärteten Komponenten G werden durch die Pufferzone Z3 und dann durch die Kühlzone Z4 transportiert, in der die Komponenten relativ langsam auf eine niedrigere Temperatur gekühlt werden, um eine relativ weiche, martensitfreie Oberflächenrandschicht auf einem darunter liegenden, inneren, nicht einsatzgehärteten Kern der Komponenten G zu bilden. Eine typische, niedrigere Temperatur liegt unterhalb etwa 260°C (500°F), bei der sich kein nachteiliger Oxidoberflächenzunder auf der Stahlkomponente in Umgebungsluft außerhalb des Ofens 10 bildet. Die Kühlzone Z4 ist durch wassergekühlte (mit Kühlmantel versehene) Ofenwände definiert, durch welche Kühlwasser im geschlossenen oder offenen Kreislauf geführt wird. Die relativ langsame Kühlrate, die durch den Transport durch die Kühlzone vorgesehen wird, erzeugt typischerweise eine Oberflächenrandschicht, die im Wesentlichen Perlit auf einem nicht einsatzgehärteten Kern umfasst, der eine Mischung aus Perlit und Ferrit umfasst.
Die gasförmige Atmosphäre in der Kühlzone Z4 umfasst die mitgeschleppte Atmosphäre von der Einsatzhärtungszone Z2 (d. h. die Atmosphäre von Zone Z2, die zu der Kühlzone Z4 geströmt ist, obwohl eine gasförmige Schutzatmosphäre, wie beispielsweise Stickstoff, in die Zone Z4 zusätzlich zu oder anstelle einer derartigen, mitgeschleppten Atmosphäre von der Einsatzhärtungszone Z2 eingeführt werden kann). Eine repräsentative Kühlzone Z4 besitzt eine Länge von etwa 6,1 m bis zu etwa 9,14 m (20 bis 30 Fuß). Die gegenüberliegenden Enden der Zone Z4 besitzen nach oben ragende, in der Höhe einstellbare Türen 23, 24, die Kettenvorhänge aus legiertem Stahl (nicht gezeigt) an ihren unteren Enden umfassen, durch welche die Zahnradkomponenten transportiert werden. Die Türen helfen, eine mehr oder weniger ausgeprägte Kühlzone 24 beizubehalten.
Fig. 2 zeigt eine typische Kurve der Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit für Hohlräder aus Stahl (5120- oder 8620-Stahl) für Kraftfahrzeuggetriebe, wenn diese durch den Bandofen 10 mit einer Bandgeschwindigkeit von 0,1524 m pro Minute (6 Zoll pro Minute) transportiert werden, wobei die Kühlzone Z4 eine mitgeschleppte Atmosphäre von der Zone Z2 aufweist. Die einsatzgehärteten Komponenten werden relativ langsam in der Kühlzone Z4 von etwa 1066°C (1950°F) auf etwa 121°C (250°F) über eine Zeitdauer von 60 Minuten gekühlt. Die einsatzgehärteten Komponenten G werden relativ langsam auf die niedrigere Temperatur gekühlt, um eine weiche, martensitfreie, im Wesentlichen perlitische Oberflächenrandschicht auf einem darunter liegenden, inneren, nicht einsatzgehärteten Kern zu bilden, der eine Mischung aus Perlit und Ferrit umfasst. Die mit Kohlenstoff angereicherte Oberflächenrandschicht kann kleine Mengen anderer Phasen, wie beispielsweise Bainit bei höher legierten Stählen, umfassen. Fig. 3A ist ein Mikrobild, das die Oberflächenrandschicht 30 und den Kern 32 zeigt, die an einem Hohlrad aus 5120-Stahl unter Verwendung der beispielhaften Behandlungsparameter, die oben beschrieben sind, hergestellt wurde.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden die gekühlten Komponenten G aus dem Austrittsende des Bandofens 10 ausgetragen, um auf Umgebungstemperatur (beispielsweise Raumtemperatur) zur weiteren Verarbeitung abzukühlen. Alternativ dazu können die Komponenten G von dem Bandofen, während sie sich bei einer Temperatur oberhalb Umgebungstemperatur befinden, zur weiteren Verarbeitung entfernt werden.
Die einsatzgehärteten Komponenten G werden einer herkömmlichen Härtungsbehandlung unterzogen, indem sie in einem herkömmlichen Hitzebehandlungsofen oder unter Verwendung einer Induktionsheizung auf eine Härtungstemperatur in dem austenitischen Bereich des bestimmten Stahls, der verwendet wird, erhitzt werden und anschließend herkömmlich abgeschreckt und angelassen werden, um eine relativ harte angelassene, martensitische Oberflächenrandschicht auf einem nicht martensitischen Kern zu bilden (beispielsweise einem Kern, der eine Ferrit und Perlit umfassende Mischung oder Bainit abhängig von dem Legierungsgehalt des Stahles umfasst). Die Wärmebehandlung in dem austenitischen Bereich kann in einer neutralen, nicht aufkohlenden Atmosphäre durchgeführt werden. Optional und bevorzugt dazu kann die Wärmebehandlung in dem austenitischen Bereich in einer mit Ammoniak angereicherten, endothermen Atmosphäre durchgeführt werden (beispielsweise bis zu etwa 5 Vol.-% NH₃ und als Rest endotherme Atmosphäre, wie oben beschrieben ist), um eine schmale Tiefe eines Restausteniten an der Außenfläche der Oberflächenrandschicht der gehärteten (abgeschreckten und angelassenen) Zahnradkomponente zu bilden und damit die Ermüdungseigenschaften der Komponenten zu verbessern.
Bei gegenüber Verziehen empfindlichen Stahlkomponenten können die Komponenten G in einer Spanneinrichtung (nicht gezeigt) gepresst werden, um ein Verziehen während des Abschreckens zu verringern. Eine derartige Abschreckung in einer Spanneinrichtung betrifft, dass jede Komponente zwischen Stempeln gepresst wird, nachdem diese in den austenitischen Bereich erhitzt worden ist (beispielsweise etwa 843°C (1550°F)), und dann die Komponente in Öl, Wasser oder einem anderen geeigneten Abschreckmittel abgeschreckt wird, während sie zwischen den Stempeln gepresst wird, wie es aus dem US-Patent 4,360,189 bekannt und dort beschrieben ist, deren Lehren hinsichtlich der Abschreckung in einer Spanneinrichtung hier durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
Für ein Hohlrad aus Stahl (5120- oder 8620-Stahl) eines Kraftfahrzeuggetriebes, das wie oben beschrieben einsatzgehärtet ist, liegt die Härtungstemperatur im Bereich von 830°C bis zu 857°C (1525 bis 1575°F) für Zeitdauern zwischen 45 bis 75 Minuten. Die Komponenten werden anschließend mit oder ohne Spanneinrichtungen von der Härtungstemperatur in Öl (oder Wasser) auf etwa 65,6°C (etwa 150°F) abgeschreckt. Die abgeschreckten Komponenten werden dann in dem Bereich von 163°C bis zu 190,6°C (325 bis 375°F) für Zeitdauern von 60 bis 120 Minuten angelassen, um eine angelassene, martensitische Oberflächenrandschicht 30' auf einem nicht martensitischen Kern 32' zu erzeugen, der eine Ferrit und Perlit umfassende Mischung oder Bainit, abhängig von der bestimmten Stahlzusammensetzung wie auch der Härtungstemperatur, der Härtungszeit sowie den Abschreckparametern, die verwendet werden, umfassen kann. Fig. 3B ist ein Mikrobild, das die Oberflächenrandschicht 30' und den Kern 32' zeigt, die an einem Hohlrad aus 5120- Stahl unter Verwendung der Härtungsparameter hergestellt sind, die oben beschrieben sind, einschließlich einer Wärmebehandlung in dem austenitischen Bereich in einer Atmosphäre, die bis zu etwa 5 Vol.-% NHs umfasst. Die Oberflächenrandschicht 30' umfasst einen äußersten Bereich 30a' mit Restaustenit bis zu einer schmalen Tiefe von 0,0508 mm (0,002 Zoll) und einem darunter liegenden angelassenen, martensitischen Innenbereich 30b'. Der Kern 32' umfasst Perlit, Ferrit und Bainit in Fig. 3B.
Das Verfahren der Erindung kann dazu verwendet werden, die Gesamtzeit vom Start bis zum Ende zur Durchführung der Härtungsbehandlung der Komponente zu verringern, wobei der geschwindigkeitsbeschränkende Schritt die Aufkohlungsbehandlung ist. Eine den gesamten Vorgang umfassende Aufkohlungszeit von etwa zwei Stunden ist bei Verwendung der Ausführungsformen der Erfindung durchaus möglich.
Überdies sind die Ermüdungseigenschaften von Stahlzahnradkomponenten, die gemäß der Erfindung hergestellt werden, im Vergleich zu denjenigen wesentlich verbessert, die durch die bisher verwendeten Aufkohlungs- und Abschrecktechniken bei relativ niedriger Temperatur hergestellt wurden. Beispielsweise wurden Hohlradkomponenten aus 5120- und 8620-Stahl für Kraftfahrzeuggetriebe unter Verwendung beispielhafter Parameter, die oben beschrieben sind, aufgekohlt und durch Erwärmen in den austenitischen Bereich in einer endothermen Atmosphäre mit 5 Vol.-% Ammoniak und dem Rest Typ 302, gefolgt durch Abschrecken und Anlassen, gehärtet.
Diese Hohlräder wurden in einem Ermüdungstest "bezüglich der Biegung eines einzelnen Zahnes" bewertet, wobei ein Bereich vorbestimmter Lasten auf die Zähne des Zahnrades aufgebracht und bis zu einem Schaden zyklisch (im Lastwechsel) angewendet wurde. Die Hohlräder, die gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt waren, wiesen Ermüdungslebensdauern (fatigue lives) auf, die in der folgenden Tabelle gezeigt sind, wobei zu Vergleichszwecken auch Daten von herkömmlich behandelten Hohlrädern gezeigt sind.
Die herkömmlich behandelten Hohlräder wurden durch Aufkohlen bei 899°C (1650°F) (Prozesstemperatur in der Tabelle), Abschrecken in Öl, Erhitzen in den austenitischen Bereich in einer endothermen Atmosphäre mit 5 Vol.-% Ammoniak und Rest, einem Abschrecken in Öl und einem Anlassen behandeln. Einige der behandelten Hohlräder wurden nach der Härtungswärmebehandlung kugelgestrahlt. Die Gesamtrandschichttiefe (in Millimetern) ist nach der Aufkohlungs- und Wärmebehandlung angegeben.
Die wesentliche Verbesserung bezüglich der Ermüdungslebensdauer der Hohlräder, die (Prozesstemperatur = 1066°C (1950°F)) gemäß der Erfindung behandelt sind, ist aus den Daten der Tabelle ungeachtetdessen offensichtlich, ob die Hohlräder kugelgestrahlt wurden oder nicht.
Zusammengefasst sieht die vorliegende Erfindung ein Einsatzhärteverfahren vor, das umfasst, dass eine Stahlkomponente schnell auf eine relativ hohe Aufkohlungstemperatur (beispielsweise 1038°C (1900°F) und darüber) erhitzt wird, die Komponente bei der relativ hohen Aufkohlungstemperatur mit einer methanhaltigen Aufkohlungsatmosphäre für eine Zeitdauer in Kontakt gebracht wird, um eine mit Kohlenstoff angereicherte Oberflächenrandschicht an der Komponente zu bilden, und die Komponente mit einer relativ langsamen Rate gekühlt wird, die dazu dient, eine relativ weiche, martensitfreie Oberflächenrandschicht an der Komponente vorzusehen. Die Komponente wird dann einer Härtungsbehandlung unterzogen, wobei die aufgekohlte Komponente auf eine Härtungstemperatur in dem austenitischen Bereich, gefolgt durch Abschrecken und Anlassen, erhitzt wird, um eine angelassene, martensitische Oberflächenrandschicht an einem darunter liegenden, nicht martensitischen Kern zu bilden.

Claims

1. Verfahren zum Einsatzhärten einer Stahlkomponente mit den Schritten, dass die Komponente auf eine Aufkohlungstemperatur erhitzt wird, die Komponente bei der Aufkohlungstemperatur mit einer methanhaltigen Aufkohlungsatmosphäre für eine Zeitdauer in Kontakt gebracht wird, um eine mit Kohlenstoff angereicherte Oberflächenrandschicht an der Komponente zu bilden, und die Komponente mit einer relativ langsamen Rate gekühlt wird, die dazu dient, die Oberflächenrandschicht frei von Martensit an der Komponente vorzusehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Komponente auf eine Aufkohlungstemperatur von etwa 1038°C (1900°F) oder größer erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Komponente auf eine Aufkohlungstemperatur von etwa 1038°C (1900°F) bis zu etwa 1093°C (etwa 2000°F) erhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Komponente auf eine Aufkohlungstemperatur innerhalb etwa 30 Minuten oder weniger erhitzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Komponente relativ langsam auf eine niedrigere Temperatur gekühlt wird, um die Oberflächenrandschicht zu erzeugen, die im Wesentlichen Perlit auf einem darunter liegenden Kern der Komponente umfasst, wobei der Kern Perlit und Ferrit umfasst.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Komponente auf unterhalb etwa 260°C (etwa 500°F) gekühlt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, mit den Schritten, dass die Komponente bei der Härtungstemperatur für eine gesteuerte Zeitdauer in der Anwesenheit von Ammoniak erhitzt wird, um eine schmale Tiefe von Restaustenit an einem äußersten Bereich der Oberflächenrandschicht zu bilden.

8. Verfahren zum Einsatzhärten einer Stahlkomponente mit den Schritten, dass die Komponente durch eine Heizzone eines Ofens transportiert wird, um die Komponente auf eine Aufkohlungstemperatur zu erhitzen, die Komponente durch eine Einsatzhärtezone des Ofens transportiert wird, um die Komponente bei der Aufkohlungstemperatur in einer methanhaltigen Aufkohlungsatmosphäre für eine Zeitdauer einsatzzuhärten, um eine mit Kohlenstoff angereicherte Oberflächenrandschicht auf der Komponente zu bilden, und die Komponente durch eine Kühlzone des Ofens transportiert wird, um die Komponente mit einer relativ langsamen Rate zu kühlen, die dazu dient, die Oberflächenrandschicht frei von Martensit an der Komponente vorzusehen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Komponente auf einem Endlosband durch den Ofen transportiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Komponente auf eine Aufkohlungstemperatur von 1038°C (etwa 1900°F) und größer erhitzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Komponente auf eine Aufkohlungstemperatur von etwa 1038°C (etwa 1900°F) bis zu etwa 1093°C (etwa 2000°F) erhitzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Komponente auf eine Aufkohlungstemperatur innerhalb etwa 30 Minuten oder weniger erhitzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Komponente relativ langsam auf eine niedrigere Temperatur gekühlt wird, um die Oberflächenrandschicht zu erzeugen, die im Wesentlichen Perlit auf einem darunter liegenden Kern der Komponente umfasst, wobei der Kern Perlit und Ferrit umfasst.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Komponente unter etwa 260°C (500°F) gekühlt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 8, mit den Schritten, dass die Komponente bei der Härtungstemperatur für eine gesteuerte Zeitdauer in der Anwesenheit von Ammoniak erhitzt wird, um eine schmale Tiefe von Restaustenit an einem äußersten Bereich der Oberflächenrandschicht zu bilden.

16. Verfahren zum Herstellen einer Stahlkomponente, das umfasst, dass die Komponente auf eine Aufkohlungstemperatur erhitzt wird, die Komponente bei der Aufkohlungstemperatur mit einer methanhaltigen Aufkohlungsatmosphäre für eine Zeitdauer in Kontakt gebracht wird, um eine mit Kohlenstoff angereicherte Oberflächenrandschicht auf der Komponente zu bilden, die Komponente mit einer relativ langsamen Rate gekühlt wird, die dazu dient, eine Oberflächenrandschicht frei von Martensit auf der Komponente vorzusehen, die Komponente, die die Oberflächenrandschicht frei von Martensit aufweist, auf eine Härtungstemperatur erhitzt wird, die Komponente abgeschreckt wird und die Komponente angelassen wird, um eine Oberflächenrandschicht zu bilden, die angelassenes Martensit umfasst.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Komponente auf eine Aufkohlungstemperatur von etwa 1038 Grad C (1900 Grad F) und größer erhitzt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Komponente auf eine Aufkohlungstemperatur von etwa 1038 Grad C bis etwa 1093 Grad C (1900 Grad F bis etwa 2000 Grad F) erhitzt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Komponente innerhalb etwa 30 Minuten oder weniger auf eine Aufkohlungstemperatur erhitzt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Komponente relativ langsam auf eine niedrigere Temperatur gekühlt wird, um eine Oberflächenrandschicht zu erzeugen, die im wesentlichen Perlit auf einem darunter liegenden Kern der Komponente umfasst, wobei der Kern Perlit und Ferrit umfasst.

21. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Komponente auf eine Härtungstemperatur in einem Bereich mit austenitischer Phase erhitzt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Komponente abgeschreckt und angelassen wird, um eine angelassene, martensitische Oberflächenrandschicht auf einem darunter liegenden Kern der Komponente zu bilden, wobei der Kern eine Mischung aus Ferrit und Perlit oder Bainit umfasst.

23. Verfahren nach Anspruch 16, mit den Schritten, dass die Komponente bei der Härtungstemperatur für eine gesteuerte Zeitdauer in der Anwesenheit von Ammoniak erhitzt wird, um eine schmale Tiefe von Restaustenit an einem äußersten Bereich der Oberflächenrandschicht zu bilden.