DE112007003622T5

DE112007003622T5 - Pulvermetallzahnrad mit variierender Einsatzhärte und Verfahren dafür

Info

Publication number: DE112007003622T5
Application number: DE112007003622T
Authority: DE
Inventors: Timothy E. South Lyon Geiman
Original assignee: GKN Sinter Metals LLC
Current assignee: GKN Sinter Metals LLC
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2027-08-18
Also published as: DE112007003622B4; JP5443358B2; CN101827673B; CN101827673A; JP2010537047A; WO2009025659A1

Abstract

Zahnrad, umfassend:
eine Mehrzahl von Zähnen (52), wobei jeder Zahn eine erste Oberfläche (54) und einen Zahnfuß (56) aufweist; und
ein Profil (58) mit variierender Einsatzhärtetiefe, das in der Mehrzahl von Zähnen ausgebildet ist, wobei das variierende Einsatzhärtetiefenprofil eine verbesserte Tragfestigkeit des Zahns an der ersten Oberfläche und verbesserte Biegeermüdungseigenschaften am Zahnfuß aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein geschmiedetes Pulvermetallteil und spezieller ein Pulvermetallteil mit variierender Einsatzhärtetiefe einschließlich eines Verfahrens zu dessen Herstellung.
Hintergrund der Erfindung
Es besteht eine fortlaufende Nachfrage nach Herstellungsprozessen, mit denen die Kosten, der Zeitaufwand und die Schritte zur Herstellung eines Teils vermindert werden können. In den meisten Fällen werden die Vorteile, die letztlich mit der Verbesserung des Herstellungsprozesses verbunden sind, in erster Linie durch Forderungen des Kunden zur Entwicklung und Verbesserung von Produkten mit besseren dimensionellen, mechanischen und/oder Funktionseigenschaften benötigt. Für ein typisches Differential-Seitenzahnrad gibt es zum Beispiel typischerweise einige oder sämtliche der folgenden Güteanforderungen: der Keilprofilbereich erfordert Maßgenauigkeit, eine hohe Scherfestigkeit und Kerbschlagfestigkeit; die Naben- und Achsschubflächen erfordern Maßgenauigkeit, Oberflächengüte und Einsatzhärte-Kompatibilität; die Zahnradgeometrie erfordert Maßgenauigkeit, Oberflächengüte und ein optimiertes Profil, und die Zahn- und Kernfestigkeit kann Schlagfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und unterschiedliche Metallurgien für Oberflächen und Kern erfordern. Mit unterschiedlichen, nicht miteinander kompatiblen Herstellungsprozessen, d. h. Gießen, Stahlschmieden oder Pulvermetallschmieden, lassen sich für das gleiche Teil in vorteilhafter Weise oder anderweitig unterschiedliche Gütemerkmale erhalten.
Nehmen wir auf 1 Bezug, so ist hier, um einige dieser Güteanforderungen zu erfüllen, ein Zahnrad 10 durch Schmieden eines Pulvermetalls 14 und danach Einsatz-Aufkohlen des Zahnrads, um eine nahezu konstante effektive Einsatzhärtetiefe 16 zu erzielen, hergestellt. Die konstante effektive Einsatzhärtetiefe 16 für jeden Zahn 12 des Zahnrads ist in der partiellen Querschnittsansicht aus 1 gezeigt. Die Parameter, die kontrolliert werden müssen, um eine nahezu konstante Aufkohlung eines vollkompakten Teils mit spezifischer Härte, Einsatzhärtetiefe und spezifischem Kohlenstoffgradienten zu erzielen, sind im Allgemeinen bekannt. Mit einer nahezu konstanten Einsatzhärtetiefe lassen sich jedoch nicht notwendigerweise gewünschte mechanische Eigenschaften wie beispielsweise eine verbesserte Verschleiß- und Scherfestigkeit der Zähne erzielen. Es wäre von Vorteil, eine besser zu kontrollierende Ausgewogenheit dieser Gütemerkmale in dem Endprodukt zu erzielen, die durch den Herstellungsprozess nicht verfälscht werden, und somit Zeit, Verarbeitungsaufwand oder Kosten zu sparen.
Ein Herstellungsprozess zur Verbesserung der Gütemerkmale von Pulvermetallteilen in einem Prozess, der heutzutage als ”Sint-Carb” (Sinter-Aufkohl-)bezeichnet wird, ist in US-Patent Nr. 3,992,763 mit dem Titel ”Method of Making Powdered Metal Parts” offenbart. Der Prozess lehrt die Aufkohlung während des Sinterns oder nach dem Sintern und vor dem Schmieden, um die Einsatzhärtetiefe an einer wichtigen Wand des geschmiedeten Endprodukts zu verbessern, wodurch sich die Notwendigkeit nachfolgender Wärmebehandlungsprozesse zum Erzielen einer Einsatzhärte erübrigt. US-Patent Nr. 4,002,471 mit dem Titel ”Method of Making a Through-Hardened Scale-Free Forged Powdered Metal Article Without Heat Treatment After Forging” offenbart ein Verfahren zur Herstellung von geschmiedeten Metallerzeugnissen auf Basis von pulverförmigem Eisen mit einer hohen R_c-Härte und ohne dass eine Weiterbearbeitung, Oberflächenbehandlung oder Wärmebehandlung nach dem Abschrecken erforderlich ist.
Mit den vorstehend erwähnten Patenten werden jedoch keine Prozesse gelehrt oder nahe gelegt, bei der in einem fertig geschmiedeten Produkt eine variierende Einsatzhärtetiefe erzielt werden kann, um Gütemerkmale wie beispielsweise Tragfestigkeit an den Zahnflanken eines Zahnrads zu verbessern und gleichzeitig eine Schlagfestigkeit und Biegeermüdungsfestigkeit am Zahnfuß bereitzustellen.
Daher besteht ein Bedarf an einem Pulvermetallzahnrad mit variierender Einsatzhärtetiefe, das eine verbesserte Verschleißfestigkeit am Zahn und eine verbesserte Tragfestigkeit an dessen Flankenfläche sowie eine bessere Schlagfestigkeit und Biegeermüdungsfestigkeit am Zahnfuß aufweist. Es besteht außerdem ein Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung eines Pulvermetallzahnrads mit variierender Einsatzhärtetiefe.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend den vorstehend genannten Bedürfnissen werden ein Zahnrad und ein Verfahren zum Herstellen eines geschmiedeten Pulvermetallzahnrads mit einer Mehrzahl von Zähnen und mit einem in der Mehrzahl von Zähnen geschmiedeten variierenden Einsatzhärtetiefenprofil offenbart. Jeder Zahn der Mehrzahl von Zähnen weist eine erste Oberfläche und einen Zahnfuß auf. In jedem Zahn der Mehrzahl von Zähnen wird ein Profil mit variierender Einsatzhärtetiefe ausgebildet, wobei das variierende Einsatzhärtetiefenprofil eine verbesserte Verschleißfestigkeit des Zahns oder Tragfestigkeit an der ersten Oberfläche und eine verbesserte Schlagfestigkeit und Biegeermüdungsfestigkeit am Zahnfuß oder -kern aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung soll nun auf die erfinderischen Aspekte Bezug genommen werden, die detaillierter in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und nachstehend beschrieben werden.
1 zeigt eine partielle Querschnittsansicht eines einsatzgehärteten, aufgekohlten Zahnrads.
2 zeigt eine partielle Querschnittsansicht eines ersten Differential-Seitenzahnrads, das erfindungsgemäß ein variierendes Einsatzhärtetiefenprofil entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung aufweist.
3 zeigt die Mikrostruktur unterhalb der effektiven Einsatzhärtetiefe des in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Zahnrads.
4 zeigt die Mikrostruktur innerhalb der effektiven Einsatzhärtetiefe des in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Zahnrads.
5 zeigt eine isometrische Ansicht eines Vorformlings nach dem Sintern, welche Aspekte der Erfindung darstellt, die erforderlich sind, um nach dem Schmieden das erfindungsgemäße Produkt zu erhalten.
6 zeigt eine partielle Querschnittsansicht des repräsentativen Vorformlings aus 5 nach dem Aufkohlungsvorgang.
7 zeigt eine isometrische Ansicht des ersten Differential-Seitenzahnrads aus 2, das aus dem Vorformling aus 6 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist.
8 zeigt schematisch einen Ablauf einer Ausführungsform eines Prozesses entsprechend der Erfindung zum Erhalten eines Pulvermetallzahnrads mit variierender Einsatzhärtetiefe.
Detaillierte Beschreibung
In sämtlichen Figuren werden die gleichen Bezugszeichen genutzt, um in den verschiedenen Ansichten gleiche Teile zu bezeichnen. Somit ist eine gleichzeitige Bezugnahme auf verschiedene Figuren möglich. Der Deutlichkeit halber können in einigen Fällen äquivalente Teile in unterschiedlichen Figuren unterschiedliche Bezugszeichen aufweisen.
2 zeigt eine partielle Querschnittsansicht eines ersten Differential-Seitenzahnrads 50 mit einem variierenden Einsatzhärtetiefenprofil 58 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. 7 zeigt eine isometrische Ansicht des ersten Differential-Seitenzahnrads 50 aus 2, das aus dem Vorformling 85 aus 6 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist.
Das erste Differential-Seitenzahnrad 50 weist eine Mehrzahl von Zähnen 52 und ein variierendes Einsatzhärtetiefenprofil 58 auf. Jeder Zahn der Mehrzahl von Zähnen 52 weist eine erste Oberfläche 54 und einen Zahnkern oder Zahnfuß 56 auf. Das erste Differential-Seitenzahnrad 50 weist eine Rotationsachse 60 auf, wobei sich die Zähne 52 radial in allgemein der gleichen Richtung wie die Rotationsachse des Zahnrads erstrecken, aber in Bezug auf die Rotationsachse geneigt sind. Das erste Differential-Seitenzahnrad 50 weist ferner ein axial genutetes Innenprofil 62 auf, das axial mit der Rotationsachse 60 ausgerichtet ist.
Das Profil 58 mit variierender Einsatzhärtetiefe ist an der Mehrzahl von Zähnen 52 ausgebildet. Das variierende Einsatzhärtetiefenprofil 58 liefert in vorteilhafter Weise ein Zahnrad mit einer größeren Zahnverschleißfestigkeit an der ersten Oberfläche 54 und mit einer größeren Schlagfestigkeit im Zahnfuß 56. Das Profil 58 mit variierender Einsatzhärtetiefe stellt das effektive Einsatzhärtetiefenprofil dar, das durch einen vor dem Schmieden des Zahnrads erfolgende Kohlenstoffdiffusion nach dem Schmieden erzielt wird. Das variierende Einsatzhärtetiefenprofil 58, das im Ergebnis des Schmiedevorgangs erzielt werden kann, wird vorstehend diskutiert.
Wenngleich der Prozess mit Bezug auf ein Differential-Seitenzahnrad 50 beschrieben wird, sei vorangestellt, dass das Profil 58 mit variierender Einsatzhärtetiefe auch an anderen Teilen oder Zahnrädern erhalten werden kann, darunter, ohne Einschränkung, an Kegelzahnrädern, Differentialzahnrädern oder Ritzeln.
Das Differential-Seitenzahnrad 50 kann aus einem niedriglegierten, vollverdichteten Eisenpulvermetallmaterial hergestellt werden. Es sei jedoch vorweggenommen, dass das Zahnrad auch aus verschiedenen anderen Arten von Schmiede-Pulvermetallstählen hergestellt werden kann.
Wenden wir uns 2 zu, so umfasst die erste Oberfläche 54 jedes Zahns des Differential-Seitenzahnrads 50 eine Kopffläche 64, eine Flankenlinienfläche 66, eine Fußausrundungsfläche 68 und eine Fußdurchmesser- oder Bodenfläche 70. Das Profil 58 mit variierender Einsatzhärtetiefe lässt sich im Wesentlichen durch folgende effektive Einsatzhärtetiefen darstellen: 2,4 mm an der Kopffläche 64; 1,9 mm an der Flankenlinienfläche 66; 0,4 mm an der Fußausrundungsfläche 68 und 0,8 mm an der Bodenfläche 70. Dies ergibt sich aus der Kohlenstoffdiffusion und dem nachfolgenden Schmieden eines Vorformlings. Wenngleich in der vorliegenden Ausführungsform spezielle Zahlen angegeben sind, versteht es sich, dass die variierende Einsatzhärtetiefe in einem bestimmten Oberflächenquerschnitt ein beliebiges, nicht konstantes effektives Einsatzhärtetiefenprofil aufweisen kann und nicht auf das speziell hier dargestellte Profil beschränkt ist.
Das Profil 58 mit variierender Einsatzhärtetiefe kann auch durch ein Verhältnis von Einsatzhärtetiefen dargestellt werden. Das effektive Verhältnis von Einsatzhärtetiefen wird angegeben, indem Einsatzhärtetiefen verglichen werden, die an der Kopffläche 64 im Vergleich zu der Fußausrundungsfläche 68 gemessen werden, an der Flankenlinienfläche 66 im Vergleich zu der Fußausrundungsfläche 68, oder an der Bodenfläche 70 im Vergleich zu der Fußausrundungsfläche 68. Zum Beispiel beträgt das Verhältnis der variierenden Einsatzhärtetiefen für Kopffläche 64 zu Fußausrundungsfläche 68 6:1, für Flankenlinienfläche 66 zu Fußausrundungsfläche 68 beträgt es 19:4, und für Bodenfläche 70 zu Fußausrundungsfläche 68 beträgt es 2:1. Ein Einsatzhärtetiefenverhältnis von nahezu 1:1 ist als im effektiven Bereich einer konstanten Einsatzhärtetiefe 16 des in 1 gezeigten Zahnrads 10 liegend zu betrachten.
Vorteilhaft kann das Einsatzhärtetiefenverhältnis der größten Tiefe zu der flacheren Tiefe der effektiven Einsatzhärte in dem variierenden Einsatzhärtetiefenprofil 58 6:1 betragen, womit bessere mechanische Eigenschaften wie beispielsweise Zahnverschleiß- und -schlagfestigkeit erzielt werden.
Der Zahnfuß 56 des Zahnrads 50 kann einen Zahnmittelbereich 74 mit einer Härte von ungefähr 43 HRC, einen Fußbereich 76 mit einer Härte von ungefähr 31 HRC und einen Kernbereich 78 mit einer Härte von ungefähr 32 HRC aufweisen. Wenngleich diese Härtezahlen lediglich repräsentativ für ein Zahnrad mit verbesserten mechanischen Eigenschaften sind, wird ein Verhältnis der Kernhärten zwischen dem Zahnmittelbereich 74 und dem Fuß- oder Kernbereich 76, 78 von nahezu 4:3 erzielt. Ein höheres Kernhärteverhältnis repräsentiert ein Zahnrad mit einer größeren Zahnschlagfestigkeit, d. h. Duktilität. Dagegen würde ein Zahnrad, wie es in 1 dargestellt ist, ein Kernhärteverhältnis von nahezu 1:1 und somit eine geringere Duktilität aufweisen.
3 zeigt die Mikrostruktur unterhalb der effektiven Einsatzhärtetiefe des in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Zahnrads, und 4 zeigt die Mikrostruktur innerhalb der effektiven Einsatzhärtetiefe des in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Zahnrads. Die Tiefengrenze ist diejenige Stelle, an der der effektive Kohlenstoffgehalt des Materials annähernd konstant wird, und kann effektiv durch das variierende Einsatzhärtetiefenprofil 58 dargestellt werden.
Wenden wir uns dem Verfahren zur Herstellung des Pulvermetallzahnrads mit der erfindungsgemäßen variierenden Einsatzhärtetiefe zu, einem Prozess, der in 8 gezeigt ist. Der Prozess beginnt mit dem Schritt des Mischens 20 und setzt sich fort mit einigen der möglichen Schritte Füllen 22, Verdichten 24, Sintern 26, Aufkohlen 28, Vorwärmen 30, variables Schmieden 32 und Abkühlen 34. Es können auch Nacharbeiten 36 nach dem Schmieden genutzt werden, um das Zahnrad weiter zu verbessern. Der Kürze halber, und weil Fachleuten auf dem Gebiet des Schmiedens von Pulvermetallen einige dieser Prozessschritte allgemein bekannt sind, werden nachstehend nur bestimmte Aspekte des erfindungsgemäßen Prozesses diskutiert. In dieser Hinsicht werden die Materialauswahl, die Temperaturführung und die Verdichtungsdrücke nur kurz diskutiert.
In dem Mischschritt 20 wird das Metallpulver einschließlich etwaig benötigter Binder oder Schmiermittel vorbereitet, indem es gemischt wird, bis eine nahezu gleichförmige Mischung erzielt ist, die zum Einfüllen in eine Verdichtungsform während des Füllschritts 22 bereit ist. Der Verdichtungsschritt 24 umfasst das Verdichten eines Metallpulvers zu einem Vorformling mit einem nahezu einheitlichen Anfangskohlenstoffgehalt in dem gesamten Vorformling. Der Anfangskohlenstoffgehalt wird durch Mischen des Metallpulvers mit Mengenbestandteilen an Graphit zusammen mit den zum Herstellen des Vorformlings erforderlichen Bindern oder Schmiermitteln erzielt. Der Vorformling weist zumindest eine Querschnittsfläche auf, an der beim fertig geschmiedeten Teil im Ergebnis ein variierendes Einsatzhärtetiefenprofil erreicht wird, wie vorstehend diskutiert wird.
Die Schritte des Sinterns und Aufkohlens 26, 28 können gleichzeitig erfolgen, oder der Aufkohlungsschritt kann nach dem Sintern des Vorformlings abgeschlossen werden.
Durch das Sintern des Vorformlings verbindet sich das Metallpulver. Durch das Aufkohlen des Vorformlings wird der Anfangskohlenstoffgehalt wesentlich erhöht, indem von der Oberfläche des Vorformlings in den Kern hinein ein Kohlenstoffgradient entwickelt wird. Der Kohlenstoffgradient wird erzeugt, indem eine kontrollierte Kohlenstoffatmosphäre bereitgestellt wird und der Vorformling über einen vorgegebenen Zeitraum in der kontrollierten Atmosphäre gehalten wird. Es ist notwendig, eine im Wesentliche konstante Kohlenstoffeinsatzhärtetiefe in dem Vorformling zu erzielen, um das kritische Fließen von Metall während des Schmiedens zu verbessern, um in dem fertig geschmiedeten Teil das gewünschte Profil mit variierender Einsatzhärtetiefe zu erreichen. Selbstverständlich wird durch den Dichtegradienten, die Geometrie des Teils und die Aufkohlungsbedingungen die Einheitlichkeit des Aufkohlungsprozesses bestimmt. Die in dem Vorformling erforderliche Einsatzhärtetiefe für Kohlenstoff wird durch die Geometrie des Vorformlings und die gewünschten Bereiche kritischen Metallfließens während des Schmiedens bestimmt. Um das vorstehend erwähnte Profil mit variierender Einsatzhärtetiefe in dem Zahnrad 50 zu erzielen, das durch die angegebenen Verhältnisse bemessen ist, wird der Vorformling bis zu einer Einsatzhärtetiefe von 1/4 der Zahnhöhe aufgekohlt; es kann aber auch hinreichend sein, bis zu einer Einsatzhärtetiefe von 1/20 der Zahnhöhe oder bis zu 7/8 der Zahnhöhe aufzukohlen. Es sei vorangestellt, dass sich durch eine zu geringe Einsatzhärtetiefe in dem Vorformling nicht aufgekohlte Bereichen ergeben können. Es sei außerdem vorangestellt, dass eine zu hohe Einsatzhärtetiefe in dem Vorformling zu einem nahezu konstanten Einsatzhärtetiefenprofil führen kann. 6 zeigt eine partielle Querschnittsansicht des aufgekohlten Vorformlings 85 aus dem repräsentativen Vorformling 84 aus 5 nach dem Aufkohlungsvorgang. Der Vorformling 85 weist eine im Wesentlichen konstante Kohlenstoffeinsatzhärtetiefe 86 auf, die nach dem Sintern und Aufkohlen des Vorformlings erzielt ist.
Der Schritt 32 des variablen Schmiedens umfasst das Schmieden des aufgekohlten Vorformlings bei einer Schmiedetemperatur und einem Schmiededruck, mit dem ein im Wesentlichen dichtes Teil in endgültiger Gestalt erzielt wird. Mit dem variierenden Einsatzhärtetiefenprofil für das Zahnrad ergeben sich nahezu symmetrische Profile für jeden Zahn, aufgrund der symmetrischen Beschaffenheit der Schmiedeformen und des aufgekohlten Vorformlings. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Aufkohlungsmodelle und Schmiedeschritte genutzt werden können, um mehrfach variierende Einsatzhärtetiefenprofile zu erzielen.
Das variierende Einsatzhärtetiefenprofil wird erzielt, indem ein Schmiedeformeinsatz genutzt wird, um das kritische Fließen des aufgekohlten Metallbereichs während des Schmiedeprozesses variabel zu verstärken. Es ist wesentlich, dass die konstante Einsatzhärtetiefe des Vorformlings aus aufgekohltem Pulvermetall gezielt in die Formabschnitte gepresst wird, wobei während des Schmiedens Abschnitte des Vorformlings gedehnt und verdünnt werden und andere Abschnitte des Vorformlings verdickt werden und die Tiefe des aufgekohlten Pulvermetalls zunimmt. Es sei wiederholt, dass, wenn die Einsatzhärtetiefe in dem aufgekohlten Pulvermetallvorformling vor dem Schmieden zu flach oder zu tief ist, in dem Endprodukt kein Profil mit variierender Einsatzhärtetiefe entstehen wird.
Der Abkühlschritt 34 ermöglicht, dass das geschmiedete Teil eine bestimmte Metallurgie erhält, die ein Zahnrad mit dem gewünschten Profil mit variierender Einsatzhärtetiefe ergibt. Die Abkühlung des geschmiedeten Teils kann durch Abschrecken in Öl, Wasser, Luft oder durch andere Verfahren, die für den Pulvermetall-Schmiedeprozess geeignet sind, erfolgen.
Vor dem Abkühlen kann das Einschieben eines Verweilschrittes für das geschmiedete Teil für eine gewisse Verweildauer verbesserte Eigenschaften möglich machen, indem eine Stabilisierung der Temperatur des Materials des Teils ermöglicht wird.
Der optionale Vorwärmschritt für den Vorformling auf eine Vorschmiedetemperatur vor dem Schmieden kann den gewünschten Materialfluss während des Schmiedeprozesses verbessern.
Der optionale Schritt 36 der Schmiedenachbearbeitung kann in Abhängigkeit von den spezifizierten Endanforderungen Drehen, Schlichten, Oberflächenschleifen, Nuten und Räumen des Erzeugnisses umfassen, womit dieses zum Waschen, zur Verpackung oder zum Versand bereit ist.
Bei einer geeigneten Auswahl und Kombination von Pulvermetall, Verdichtungsformen, Prozesszeiten, Prozesstemperaturen, Prozessdrücken, Schmiedeformen und Abkühlverfahren kann ein vollständig dichtes Erzeugnis mit nahezu endgültiger Gestalt erzielt werden, welches das variierende Einsatzhärtetiefenprofil aufweist, wodurch eine spanende Bearbeitung nur minimal, wenn überhaupt, erforderlich ist, womit Kosteneinsparungen und Verbesserungen des Leistungsverhaltens ermöglicht werden.
Wenngleich vorliegend verschiedene Prozessschritte dargestellt worden sind, sollen diese im Umfang oder in der Reihenfolge lediglich wie in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung angegeben eingeschränkt sein. Wenngleich ferner die Erfindung in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. So deckt die Erfindung sämtliche Alternativen, Modifikationen und Äquivalente ab, die unter den erfinderischen Gedanken und den Schutzumfang der anhängenden Ansprüche fallen.
Zusammenfassung
Es wird ein Zahnrad und ein Verfahren zum Herstellen eines geschmiedeten Pulvermetallzahnrads mit einer Mehrzahl von Zähnen und mit einem in der Mehrzahl von Zähnen geschmiedeten variierenden Einsatzhärtetiefenprofil zur Verfügung gestellt. Jeder Zahn der Mehrzahl von Zähnen weist eine erste Oberfläche und einen Zahnfuß auf. In jedem Zahn der Mehrzahl von Zähnen wird ein Profil mit variierender Einsatzhärtetiefe ausgebildet, wobei das variierende Einsatzhärtetiefenprofil eine verbesserte Verschleißfestigkeit des Zahns an der ersten Oberfläche und eine höhere Schlagfestigkeit am Zahnfuß vermittelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 3992763 [0004]
- US 4002471 [0004]

Claims

Zahnrad, umfassend: eine Mehrzahl von Zähnen (52), wobei jeder Zahn eine erste Oberfläche (54) und einen Zahnfuß (56) aufweist; und ein Profil (58) mit variierender Einsatzhärtetiefe, das in der Mehrzahl von Zähnen ausgebildet ist, wobei das variierende Einsatzhärtetiefenprofil eine verbesserte Tragfestigkeit des Zahns an der ersten Oberfläche und verbesserte Biegeermüdungseigenschaften am Zahnfuß aufweist.
Zahnrad nach Anspruch 1, wobei das Zahnrad ein Kegelzahnrad (50) ist, wobei das Kegelzahnrad eine Rotationsachse (60) aufweist, wobei sich die Zähne radial in der gleichen allgemeinen Richtung wie die Rotationsachse des Kegelzahnrads erstrecken, aber in Bezug auf die Rotationsachse des Kegelzahnrads geneigt sind.
Zahnrad nach Anspruch 2, wobei das Kegelzahnrad ein Differential-Seitenzahnrad ist, wobei das Differential-Seitenzahnrad ein axial genutetes Innenprofil (62) aufweist.
Zahnrad nach Anspruch 1, wobei das Zahnrad ein niedriglegiertes Eisenmetallzahnrad ist.
Zahnrad nach Anspruch 1, wobei die erste Oberfläche jedes Zahns eine Kopffläche (64), eine Flankenlinienfläche (66), eine Fußausrundungsfläche (68) und eine Bodenfläche (70) umfasst.
Zahnrad nach Anspruch 5, wobei das variierende Einsatzhärtetiefenprofil im Wesentlichen dargestellt wird durch eine effektive Einsatzhärtetiefe von ungefähr 2,4 mm an der Kopffläche, von ungefähr 1,9 mm an der Flankenlinienfläche, von ungefähr 0,4 mm an der Fußausrundungsfläche und von ungefähr 0,8 mm an der Bodenfläche.
Zahnrad nach Anspruch 5, wobei das variierende Einsatzhärtetiefenprofil dargestellt wird durch ein Verhältnis der Einsatzhärtetiefen der Bodenfläche zu der Fußausrundungsfläche von ungefähr 2:1.
Zahnrad nach Anspruch 5, wobei das variierende Einsatzhärtetiefenprofil dargestellt wird durch ein effektives Verhältnis der Einsatzhärtetiefen der Kopffläche zur Fußausrundungsfläche von ungefähr 6:1.
Zahnrad nach Anspruch 1, wobei der Zahnfuß einen Zahnmittelbereich (74) mit einer Härte von ungefähr 43 HRC, einen Fußbereich (76) mit einer Härte von ungefähr 31 HRC und einen Kernbereich (78) mit einer Härte von ungefähr 32 HRC umfasst.
Zahnrad nach Anspruch 1, wobei der Zahnfuß einen Zahnmittelbereich, einen Fußbereich und einen Kernbereich umfasst, wobei ein Verhältnis der Härten zwischen dem Zahnmittelbereich und dem Fuß- oder Kernbereich ungefähr 4:3 beträgt.
Verfahren zum Erhalten eines Zahnrads, das aus Pulvermetall hergestellt ist, mit einem variierenden Einsatzhärtetiefenprofil, das in einer Mehrzahl von Zähnen ausgebildet ist, welches nacheinander die folgenden Schritte umfasst: Verdichten (24) eines Metallpulvers zu einem Vorformling (84) mit einem nahezu einheitlichem Anfangskohlenstoffgehalt in dem gesamten Vorformling, wobei der Vorformling mindestens eine Querschnittsfläche aufweist, die ein variierendes Einsatzhärtetiefenprofil bekommen soll; Sintern (26) und Aufkohlen (28) des Vorformlings, und zwar nacheinander oder gleichzeitig, bei einer gewünschten Temperatur, wobei beim Aufkohlen im Wesentlichen ein Anfangskohlenstoffgehalt erhöht wird, indem eine kontrollierte Kohlenstoffatmosphäre bereitgestellt wird, und der Vorformling während einer vorgegebenen Zeitspanne in der kontrollierten Atmosphäre gehalten wird, um eine im Wesentlichen konstante Kohlenstoff-Einsatzhärtetiefe zu erzielen; Schmieden (32) des Vorformlings bei einer Schmiedetemperatur und einem Schmiededruck, um ein im Wesentlichen dichtes geschmiedetes Teil mit endgültiger Gestalt mit dem variierenden Einsatzhärtetiefenprofil zu erhalten, das um die Mehrzahl von Zähnen herum symmetrisch ist, wobei das variierende Einsatzhärtetiefenprofil erzielt wird, indem ein Schmiedeformeinsatz genutzt wird, um das kritische Fließen des Metalls variabel zu verstärken, während die Mehrzahl von Zähnen des Schmiedeteils während des Schmiedens geformt wird; und Abkühlen (34) des geschmiedeten Teils.
Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner ein Vorwärmen (30) des Vorformlings auf eine Vorschmiedetemperatur vor dem Schmieden und ein Abkühlen des geschmiedeten Teils durch Abschrecken umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner ein Verweilen des geschmiedeten Teils für eine Verweildauer umfasst, um eine Temperaturstabilisierung zu ermöglichen, und zwar nach dem Schmieden und vor dem Abschrecken.
Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner das Ausbilden eines Keilprofils am Zahnrad nach dem Abkühlen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, welches nach dem Abkühlen ein Abwalzen, Auftragsschweißen, Drehen oder Kugelstrahlen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Metallpulver ein niedriglegiertes Eisenmetallpulver ist.
Kegelzahnrad (50), das entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 11 hergestellt ist, wobei das Kegelzahnrad eine Rotationsachse (60) aufweist und die Mehrzahl von Zähnen (52) radiale Zähne umfasst, wobei sich die radialen Zähne in allgemein der gleichen Richtung wie die Rotationsachse des Kegelzahnrads erstrecken, aber in Bezug auf die Rotationsachse des Kegelzahnrads geneigt sind.
Kegelzahnrad nach Anspruch 17, wobei das Kegelzahnrad ein Differential-Seitenzahnrad mit Keilprofil (62) ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Zahnrad nach dem Schmieden und Abkühlen nahezu seine endgültige Gestalt aufweist.
Zahnrad, das entsprechend einem Verfahren zum Erhalten eines Pulvermetallteils mit einem um eine Mehrzahl von Zähnen herum symmetrisch ausgebildeten, variierenden Einsatzhärtetiefenprofil hergestellt ist, welches nacheinander die folgenden Schritte umfasst: Verdichten (24) eines Metallpulvers zu einem Vorformling (84) mit einem nahezu einheitlichem Anfangskohlenstoffgehalt in dem gesamten Vorformling, wobei der Vorformling mindestens eine Querschnittsfläche aufweist, die ein variierendes Einsatzhärtetiefenprofil bekommen soll; Sintern (26) und Aufkohlen (28) des Vorformlings, und zwar nacheinander oder gleichzeitig, bei einer gewünschten Temperatur, wobei beim Aufkohlen im Wesentlichen ein Anfangskohlenstoffgehalt erhöht wird, indem eine kontrollierte Kohlenstoffatmosphäre bereitgestellt wird, und der Vorformling während einer vorgegebenen Zeitspanne in der kontrollierten Atmosphäre gehalten wird, um eine im Wesentlichen konstante Kohlenstoff-Einsatzhärtetiefe zu erzielen; Schmieden (32) des Vorformlings bei einer Schmiedetemperatur und einem Schmiededruck, um ein im Wesentlichen dichtes geschmiedetes Teil mit endgültiger Gestalt mit dem variierenden Einsatzhärtetiefenprofil zu erhalten, das um die Mehrzahl von Zähnen herum symmetrisch ist, wobei das variierende Einsatzhärtetiefenprofil erzielt wird, indem ein Schmiedeformeinsatz genutzt wird, um das kritische Fließen des Metalls variabel zu verstärken, während die Mehrzahl von Zähnen des Schmiedeteils während des Schmiedens geformt wird; und Abkühlen (34) des geschmiedeten Teils.
Zahnrad nach Anspruch 20, bei welchem das variierende Einsatzhärtetiefenprofil durch ein Verhältnis von Einsatzhärtetiefen dargestellt ist, bei dem mindestens eines der folgenden Verhältnisse zutrifft: Bodenfläche zu Fußausrundungsfläche von ungefähr 2:1, Kopffläche zu Fußausrundungsfläche von ungefähr 6:1, oder Flankenlinienfläche zu Fußausrundungsfläche von ungefähr 19:4.
Pulvergeschmiedetes Zahnrad, umfassend: eine Mehrzahl von Zähnen (52), wobei jeder Zahn eine erste Oberfläche (54) mit einer Zahnkopffläche (64) und einer Zahnbodenfläche (70) aufweist; und ein variierendes Einsatzhärtetiefenprofil (58), das an den ersten Oberflächen der Mehrzahl von Zähnen ausgebildet ist, wobei das variierende Einsatzhärtetiefenprofil jeder ersten Oberfläche an der Zahnkopffläche eine Tiefe aufweist, die größer als die Tiefe an der Zahnbodenfläche ist, wobei das Einsatzhärtetiefenprofil ausgebildet wird, indem vor dem Schmieden eine Oberfläche eines Pulvermetall-Vorformlings (84) des Zahnsrads, die nach dem Schmieden zu der ersten Oberfläche des Zahnrads wird, in einer im Wesentlichen konstanten Tiefe aufgekohlt wird und der aufgekohlte Vorformling geschmiedet wird, um zu bewirken, dass die Einsatzhärtetiefe der aufgekohlten Oberfläche zwischen der Zahnkopffläche und der Zahnbodenfläche derart reduziert wird, dass zwischen der Zahnkopffläche und der Zahnbodenfläche unterschiedliche Verschleißfestigkeits-, Ermüdungsfestigkeits- und Schlagfestigkeitseigenschaften induziert werden.