DE112012000489T5

DE112012000489T5 - Verbundstahlteil und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE112012000489T5
Application number: DE112012000489T
Authority: DE
Inventors: Mamoru Takeuchi; Koji Obayashi; Ken Shimizu; Ryuta SUGIYAMA; Koichi Kato
Original assignee: Aisin AW Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-03-20
Also published as: CN103443299B; US20120267009A1; DE112012000489B4; JP2012224940A; WO2012144283A1; CN103443299A; JP5668592B2; US8956467B2

Abstract

Ein erstes Stahlteil (8) wird hergestellt durch: Anfertigen eines Zwischenprodukts (800), in dem ein Zusatzabschnitt (826) vorgesehen worden ist, der eine Dicke hat, die größer oder gleich der einer aufgekohlten Schicht ist, die in einem anschließenden Aufkohlungsschritt auszubilden ist; und Durchführen des Aufkohlungsschritts, in dem die aufgekohlte Schicht in einer Aufkohlungsatmosphäre ausgebildet wird, eines Abkühlschritts im Anschluss an den Aufkohlungsschritt, in dem das Zwischenprodukt (800) bei einer Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, die kleiner als eine Abkühlgeschwindigkeit ist, bei der eine Martensitumwandlung hervorgerufen wird, und in dem das Zwischenprodukt (800) auf eine Temperatur abgekühlt wird, die kleiner oder gleich einer Temperatur ist, bei der eine Strukturumwandlung aufgrund des Abkühlens abgeschlossen ist, eines Abschreckschritts, in dem ein gewünschter Abschnitt eines Zylinderabschnitts (81) des Zwischenprodukts (800) durch Energie hoher Dichte erhitzt wird und danach abgekühlt wird, um in dem gewünschten Abschnitt einen aufgekohlten, abgeschreckten Abschnitt auszubilden, und eines Schneideschritts, in dem ein zum Schweißen gedachter Abschnitt (825) des Zwischenprodukts (800) in eine gewünschte Endform geschnitten wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbundstahlteil, das sowohl einen aufgekohlten, abgeschreckten Abschnitt als auch einen geschweißten Abschnitt aufweist, und auf ein Herstellungsverfahren für das Verbundstahlteil.
STAND DER TECHNIK
Ein Beispiel für Stahlteile, die in einem Fahrzeugautomatikgetriebe eingebaut werden, ist ein Teil, das eine Hülsenpumpen Laufradverlängerung genannt wird. Das Stahlteil ist, so wie es war, ein Verbundstahlteil, das angefertigt wird, indem ein erstes Stahlteil, das einen Zylinderabschnitt, der in einer Zylinderform ausgebildet ist, und einen Flanschabschnitt aufweist, der so vorgesehen ist, dass er sich von einem Ende des Zylinderabschnitts aus radial nach außen erstreckt, und ein zweites Stahlteil am Flanschabschnitt aneinandergeschweißt werden. Die Außenumfangsfläche des Zylinderabschnitts des ersten Stahlteils dient als eine Gleitfläche, weshalb der Zylinderabschnitt einem Aufkohlungs-/Abschreckvorgang unterzogen worden ist, um seine Verschleißbeständigkeit zu verbessern.
Andererseits weist der Flanschabschnitt des ersten Stahlteils einen zum Schweißen gedachten Abschnitt auf, der an das zweite Stahlteil geschweißt werden soll, und es wird gewünscht, dass der zum Schweißen gedachte Abschnitt keinem Aufkohlungsvorgang unterzogen wird, um die Verschweißbarkeit zu gewährleisten.
Daher wird das obige erste Stahlteil gemäß dem Stand der Technik durch das folgende komplizierte Herstellungsverfahren hergestellt. Und zwar wird als Ausgangsmaterial ein Stahlmaterial mit einem verhältnismäßig geringen Kohlenstoffgehalt verwendet und Schmiede- und Schneideschritten unterzogen, um ein Stahlteil zu erzielen, das in einer Form nahe an der des Endprodukts ausgebildet ist. Dann erfolgt ein Anti-Aufkohlungsvorgang, in dem ein zum Schweißen gedachter Abschnitt des Stahlteils mit einem Anti-Aufkohlungsmittel bedeckt wird. Dann wird das Stahlteil in einem Gasaufkohlungsofen einem Aufkohlungsvorgang unterzogen, unmittelbar danach in Öl abgeschreckt und einem Anlassvorgang unterzogen. Danach wird der Anti-Aufkohlungsabschnitt kugelgestrahlt, um das Anti-Aufkohlungsmittel zu entfernen. Schließlich erfolgt ein Endbearbeitungsschritt wie Polieren und Waschen, um das erste Stahlteil zu erzielen. Danach werden das erste Stahlteil und ein zweites Stahlteil aneinandergeschweißt, um das endgültige Verbundstahlteil zu erzielen.
Ein allgemeines Verfahren für den Anti-Aufkohlungsvorgang usw. ist zum Beispiel in dem unten genannten Patentdokument beschrieben.
Dokumente aus dem Stand der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1: Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-76866 ( JP 2005-76866 A )

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Von der Erfindung zu lösendes Problem
Bei dem Herstellungsverfahren für das obige Verbundstahlteil gemäß dem Stand der Technik ist es wie oben beschrieben bei der Herstellung des ersten Stahlteils notwendig, nach der Durchführung des Anti-Aufkohlungsvorgangs, in dem das Anti-Aufkohlungsmittel auf den zum Schweißen gedachten Abschnitt aufgebracht wird, den Aufkohlungsvorgang durchzuführen und danach den Anti-Aufkohlungsmittel-Entfernungsschritt durchzuführen. Der Anti-Aufkohlungsvorgang und der Anti-Aufkohlungsmittel-Entfernungsvorgang bedingen eine signifikant hohe Anzahl an Arbeitsstunden, was zu einer Kostensteigerung führt. In dem Fall, dass der Anti-Aufkohlungsvorgang weggelassen wird, kann andererseits die Kohlenstoffmenge in dem Ausgangsmaterial des zum Schweißen gedachten Abschnitts zunehmen, was während des Schweißens nachteilig einen Schweißriss hervorrufen kann. Somit kann der Anti-Aufkohlungsvorgang nicht einfach weggelassen werden.
Es ist denkbar, ein Stahlmaterial mit einem verhältnismäßig hohen Kohlenstoffgehalt zu verwenden, um auf den Aufkohlungsbehandlungsschritt verzichten zu können, und nur das Abschrecken durchzuführen. Unter dem Gesichtspunkt der Bearbeitbarkeit ist es jedoch schwierig, den Kohlenstoffgehalt deutlich zu erhöhen, wobei die Kohlenstoffkonzentration auf der Oberfläche nicht so hoch eingestellt werden kann wie in dem Fall, in dem die Aufkohlung erfolgt. Daher ist die Härteverbesserungswirkung des Abschreckens gering und es kann keine gewünschte Verschleißbeständigkeit erzielt werden.
Die Erfindung erfolgte vor diesem Hintergrund und sie hat die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für ein Verbundstahlteil zur Verfügung zu stellen, das eine ausreichende Wirkung bei der Verbesserung der Oberflächenhärte eines Teils, das Verschleißbeständigkeit erfordert, erreichen kann, das die Eigenschaften eines Schweißabschnitts mehr als bisher verbessern kann und das während der Herstellung einen Anti-Aufkohlungsvorgang vollständig abschaffen kann.
Mittel zur Lösung des Problems
Eine erste Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Herstellungsverfahren für ein Verbundstahlteil vor, das durch Aneinanderschweißen einer Vielzahl von Stahlteilen ausgebildet ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:
Herstellen eines ersten Stahlteils, das einen Zylinderabschnitt, der in einer Zylinderform ausgebildet ist, und einen Flanschabschnitt aufweist, der so vorgesehen ist, dass er sich von einem Ende des Zylinderabschnitts aus radial nach außen erstreckt, wobei der Zylinderabschnitt ein aufgekohlter, abgeschreckter Abschnitt ist, der einem Aufkohlungs-/Abschreckhärtungsvorgang unterzogen worden ist, und der Flanschabschnitt einen zum Schweißen gedachten Abschnitt aufweist, der an ein zweites Stahlteil anzuschweißen ist, durch
Anfertigen eines Zwischenprodukts, in dem der zum Schweißen gedachte Abschnitt mit einem Zusatzabschnitt versehen worden ist, der eine Dicke hat, die größer oder gleich der einer aufgekohlten Schicht ist, die in einem anschließenden Aufkohlungsschritt auszubilden ist, und
Durchführen
des Aufkohlungsschritts, in dem das Zwischenprodukt in einer Aufkohlungsatmosphäre auf eine Austenitisiertemperatur oder mehr erhitzt wird, um die aufgekohlte Schicht auf einer Oberfläche des Zwischenprodukts auszubilden,
eines Abkühlschritts im Anschluss an den Aufkohlungsschritt, in dem das Zwischenprodukt bei einer Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, die kleiner als eine Abkühlgeschwindigkeit ist, bei der eine Martensitumwandlung hervorgerufen wird, und in dem das Zwischenprodukt auf eine Temperatur abgekühlt wird, die kleiner oder gleich einer Temperatur ist, bei der eine Strukturumwandlung aufgrund des Abkühlens abgeschlossen ist,
eines Abschreckschritts, in dem ein gewünschter Abschnitt des Zylinderabschnitts des Zwischenprodukts durch Energie hoher Dichte auf einen Austenitisierbereich erhitzt wird und danach bei einer Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, die größer oder gleich der Abkühlgeschwindigkeit ist, bei der eine Martensitumwandlung hervorgerufen wird, um in dem gewünschten Abschnitt den aufgekohlten, abgeschreckten Abschnitt auszubilden, und
eines Schneideschritt, in dem der Zusatzabschnitt des Zwischenprodukts abgeschnitten wird; und
dann Durchführen eines Schweißschritts, in dem das zweite Stahlteil mit dem zum Schweißen gedachten Abschnitt des Flanschabschnitts des erzielten ersten Stahlteils in Anlage gebracht wird, um das erste Stahlteil und das zweite Stahlteil aneinanderzuschweißen.
Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Verbundstahlteil vor, das durch Aneinanderschweißen einer Vielzahl von Stahlteilen ausgebildet ist und das dadurch gekennzeichnet ist, dass:
ein erstes Stahlteil einen Zylinderabschnitt, der in einer Zylinderform ausgebildet ist, und einen Flanschabschnitt aufweist, der so vorgesehen ist, dass er sich von einem Ende des Zylinderabschnitts aus radial nach außen erstreckt;
der Zylinderabschnitt durch einen aufgekohlten, abgeschreckten Abschnitt ausgebildet ist, in dem ein Oberflächenabschnitt eine Martensitstruktur hat und ein Innenabschnitt eine Bainitstruktur hat;
der Flanschabschnitt einen Schweißabschnitt aufweist, der an ein zweites Stahlteil angeschweißt ist;
der Schweißabschnitt einen Schmelz-/Wiedererstarrungsabschnitt und einen angrenzend an den Schmelz-/Wiedererstarrungsabschnitt vorgesehenen Wärmeeinflussabschnitt aufweist; und
der Schmelz-/Wiedererstarrungsabschnitt eine Martensit/Bainit/Perlit-Struktur hat und der Wärmeeinflussabschnitt eine Bainit/Ferrit/Perlit-Struktur hat.
Wirkungen der Erfindung
In dem Herstellungsverfahren gemäß der obigen ersten Ausgestaltung werden der oben beschriebene Aufkohlungsschritt und Abkühlschritt unter Verwendung des Zwischenprodukts durchgeführt, das den obigen Zusatzabschnitt aufweist. Danach wird lokal auf dem Abschnitt, der zu dem aufgekohlten, abgeschreckten Abschnitt wird, der obige Abschreckschritt durchgeführt, und es wird der Schneideschritt durchgeführt, um den obigen Zusatzabschnitt zu entfernen. Die Reihenfolge des Abschreckschritts und des Schneideschritts können umgekehrt werden.
Durch den Einsatz dieser Herstellungsschritte ist es möglich, die Notwendigkeit zu beheben, auf dem obigen zum Schweißen gedachten Abschnitt den Abschreckvorgang durchzuführen und in dem obigen Schneideschritt zusammen mit dem obigen Zusatzabschnitt einen Abschnitt des zum Schweißen gedachten Abschnitts mit einer durch den Aufkohlungsschritt erhöhten Kohlenstoffkonzentration zu entfernen. Es ist daher möglich, vollständig einen Anti-Aufkohlungsvorgang und einen Anti-Aufkohlungsmittel-Entfernungsvorgang wegzulassen, die im Stand der Technik durchgeführt werden, um den zum Schweißen gedachten Abschnitt vorzusehen, und die Anzahl an Arbeitsstunden und die für solche Vorgänge verwendete Energiemenge zu verringern.
Durch lokales Durchführen des obigen Abschreckschritts, der Energie hoher Dichte verwendet, ist es möglich, den obigen aufgekohlten, abgeschreckten Abschnitt zu erzielen, der eine hervorragende Verschleißbeständigkeit und eine hohe Härte auf der Oberfläche hat und der im Innenabschnitt eine hervorragende Zähigkeit hat, während eine Erzeugung von Verzug unterdrückt wird.
Durch das Durchführen des obigen Abkühlschritts nach dem obigen Aufkohlungsschritt, in dem das Zwischenprodukt nicht rasch abgekühlt wird, sondern bei einer begrenzten Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, ist es möglich, einen Abkühlverzug in der Gesamtform des obigen ersten Stahlteils zu unterdrücken und eine gute Abmessungsgenauigkeit zu bewahren.
Gemäß dem obigen Herstellungsverfahren ist es somit beim Erzielen des obigen ersten Stahlteils möglich, eine ausreichende Wirkung bei der Verbesserung der Oberflächenhärte des Teils, das Verschleißbeständigkeit erfordert, zu erreichen, die Schweißbarkeit des zum Schweißen gedachten Abschnitts mehr als bisher zu verbessern und während der Herstellung den Anti-Aufkohlungsvorgang vollständig abzuschaffen.
In dem anschließenden Schweißschritt erfolgt das Schweißen wie oben beschrieben an dem zum Schweißen gedachten Abschnitt mit guter Schweißbarkeit. Daher kann ein Verbundstahlteil mit hervorragender Schweißfestigkeit erzielt werden.
Das Verbundstahlteil gemäß der obigen zweiten Ausgestaltung kann leicht hergestellt werden, indem zum Beispiel das obige Herstellungsverfahren eingesetzt wird. Der Zylinderabschnitt, der durch den aufgekohlten, abgeschreckten Abschnitt ausgebildet ist, der die obige bestimmte Struktur hat, zeigt eine hervorragende Verschleißbeständigkeit, und der Schweißabschnitt des obigen Flanschabschnitts, der die bezeichnete Struktur hat, sorgt für hervorragende Eigenschaften.
KURBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Perspektivansicht eines ersten Stahlteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
2 ist eine Schnittansicht des ersten Stahlteils gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 1).
3 ist eine Schnittansicht eines Zwischenbauteils gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
4 ist eine Darstellung, die den Strukturzustand unmittelbar nach einem Aufkohlungsschritt gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
5 ist eine Darstellung, die den Strukturzustand unmittelbar nach einem Abschreckschritt gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
6 ist eine Darstellung, die den Strukturzustand nach einem Schneideschritt gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
7 ist eine Darstellung, die die Gestaltung einer Wärmebehandlungsanlage gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
8 ist eine Darstellung, die ein Heizmuster für den Aufkohlungsschritt und einen Abkühlschritt gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
9 ist eine Darstellung, die ein Heizmuster für den Abschreckschritt gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
10 ist eine Darstellung, die den Strukturzustand eines Vergleichsteils zeigt.
11 ist eine Darstellung, die eine Position zeigt, an der das erste Stahlteil und ein zweites Stahlteil gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aneinandergeschweißt werden.
12 ist eine Darstellung, die den Strukturzustand eines Schweißabschnitts zwischen dem ersten Stahlteil und dem zweiten Stahlteil gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
13 ist eine Darstellung, die die Gestaltung eines montierten Teils zeigt, das ein Verbundstahlteil enthält, das gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durch Aneinanderschweißen des ersten Stahlteils und des zweiten Stahlteils ausgebildet wird.
AUSFÜHRUNGSARTEN DER ERFINDUNG
Bei dem Herstellungsverfahren für das obige Verbundstahlteil erfolgt der obige Aufkohlungsschritt vorzugsweise in einer Niedrigsauerstoff-Aufkohlungsatmosphäre, in der die Sauerstoffkonzentration geringer als in der Atmosphäre ist. Und zwar kann das Verfahren in einem druckverminderten Aufkohlungsgas erfolgen, dessen Druck auf zum Beispiel weniger als den Atmosphärendruck vermindert worden ist. Und zwar ist es wirksam, einen druckverminderten Aufkohlungsschritt einzusetzen. In dem druckverminderten Aufkohlungsschritt kann der Aufkohlungsvorgang unter Verwendung einer verhältnismäßig geringen Menge des Aufkohlungsgases erfolgen, während das Innere eines Aufkohlungsofens in einem druckverminderten Zustand bei einer hohen Temperatur gehalten wird. Der Aufkohlungsvorgang kann somit wirksamer als im Stand der Technik durchgeführt werden. Darüber hinaus ist nicht länger ein Heizvorgang nötig, der wie im Stand der Technik über eine lange Zeitdauer unter Verwendung eines großen Wärmebehandlungsofens erfolgt. Es ist somit möglich, die Bearbeitungsdauer, den Energieverbrauch und außerdem die Größe der Aufkohlungs-/Abschreckanlage selbst zu verringern.
Durch den Einsatz der druckverminderten Aufkohlung ist es möglich, in dem Aufkohlungsschritt den Druck der Aufkohlungsatmosphäre verglichen mit dem Atmosphärendruck zu vermindern, was die Sauerstoffmenge in der Atmosphäre auf einen geringen Wert unterdrückt. Dies verhindert eine Korngrenzenoxidation der aufgekohlten Schicht.
Das Verfahren zur Aufkohlung, das in einer Aufkohlungsatmosphäre erfolgt, deren Sauerstoffkonzentration geringer als die der Atmosphäre ist, ist nicht auf die oben beschriebene druckverminderte Aufkohlung beschränkt. Anstatt den Druck der Atmosphäre zu vermindern, kann zum Beispiel ein Stickstoffgas oder ein Inertgas eingefüllt werden, um die Sauerstoffmenge in der Atmosphäre auf einen niedrigen Wert zu drücken, damit eine Korngrenzenoxidation der aufgekohlten Schicht verhindert wird.
Die obige druckverminderte Aufkohlung wird auch als Vakuumaufkohlung bezeichnet und ist ein Aufkohlungsvorgang, der mit dem verminderten Druck der Atmosphäre im Ofen und mit einem Kohlenwasserstoffgas (beispielsweise etwa Methan, Propan, Ethylen und Acetylen) erfolgt, das als das Aufkohlungsgas direkt in den Ofen eingeleitet wird. Ein druckverminderter Aufkohlungsvorgang beinhaltet im Allgemeinen eine Aufkohlungsdauer, während der aktivierter Kohlenstoff, der als ein Aufkohlungsgas erzeugt wird, eine aufzuschließende Stahloberfläche berührt und auf der Oberfläche des Stahls zu einem Carbid wird, das sich in dem Stahl ansammelt, und eine Diffusionsdauer, während der das Carbid aufgeschlossen wird, so dass sich der angesammelte Kohlenstoff in einer Matrix löst, um nach innen zu diffundieren. Man sagt, dass der Kohlenstoff nicht nur mittels des Carbids zugeführt wird, sondern sich auch direkt in der Matrix löst.
Außerdem erfolgt der obige Aufkohlungsschritt vorzugsweise unter einer Druckverminderungsbedingung bei 1 bis 100 hPa. In dem Fall, dass der Druck während der Aufkohlung in dem druckverminderten Aufkohlungsschritt auf weniger als 1 hPa vermindert wird, kann eine teuere Anlage erforderlich sein, um den Vakuumgrad aufrechtzuerhalten. In dem Fall, dass der Druck 100 hPa übersteigt, kann andererseits während der Aufkohlung Ruß erzeugt werden, so dass eine Ungleichmäßigkeit bei der Aufkohlungskonzentration hervorgerufen wird.
Als das obige Aufkohlungsgas können zum Beispiel Kohlenwasserstoffgase wie Acetylen, Propan, Butan, Methan, Ethylen und Ethan verwendet werden.
Als das Stahlausgangsmaterial für das obige Stahlteil wird vorzugsweise kohlenstoffarmer Stahl oder kohlenstoffarmer legierter Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von kleiner oder gleich etwa 0,30 Masse-% verwendet. Hinsichtlich der Kosten und der Verringerung der Verbrauchsmenge an seltenen Elementen wird insbesondere die Verwendung eines kohlenstoffarmen Stahls mit wenig zugegebenen Legierungselementen bevorzugt. Auch wenn ein solcher kohlenstoffarmer Stahl als Ausgangsmaterial verwendet wird, kann durch den Einsatz des obigen Herstellungsverfahrens wie oben beschrieben ein Verbundstahlteil mit hervorragenden Eigenschaften erzielt werden.
Ausführungsbeispiel
– Erstes Ausführungsbeispiel –
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun das oben beschriebene Verbundstahlteil und Herstellungsverfahren für das Verbundstahlteil gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, ist ein in dem Ausführungsbeispiel hergestelltes erstes Stahlteil 8 ein Stahlteil, das in einem Fahrzeugautomatikgetriebe eingebaut werden soll und einen Zylinderabschnitt 81, der in einer Zylinderform ausgebildet ist, und einen Flanschabschnitt 82 aufweist, der so vorgesehen ist, dass er sich von einem Ende des Zylinderabschnitts 81 aus radial nach außen erstreckt. Der Zylinderabschnitt 81 ist in dem ersten Stahlteil 8 ein aufgekohlter, abgeschreckter Abschnitt, der einem Aufkohlungs-/Abschreckhärtungsvorgang unterzogen worden ist, und der Flanschabschnitt 82 weist einen zum Schweißen gedachten Abschnitt 825 auf, der an ein zweites Stahlteil anzuschweißen ist. Das andere Ende des obigen Zylinderabschnitts 81 ist mit zwei eingekerbten Abschnitten 815 versehen, die in der Umfangsrichtung angeordnet sind.
Um ein solches erstes Stahlteil 8 herzustellen, wird zunächst unter Verwendung eines kohlenstoffarmen Stahls mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,15 Masse-% als Ausgangsmaterial mittels eines Warmschmiedeschritts und eines Schneideschritts ein Zwischenprodukt 800 angefertigt. Wie in 3 gezeigt ist, ist der zum Schweißen gedachte Abschnitt 825 in dem Zwischenprodukt 800 dadurch geformt, dass eine durch die Strichellinie K angegebene gewünschte Endform mit einem Zusatzabschnitt 826 einer Dicke versehen ist, die größer oder gleich der einer aufgekohlten Schicht ist, die in einem anschließenden Aufkohlungsschritt auszubilden ist.
Als Nächstes erfolgt ein Aufkohlungsschritt, in dem das Zwischenprodukt 800 in einer Aufkohlungsatmosphäre auf eine Austenitisiertemperatur oder mehr erhitzt wird, um auf einer Oberfläche des Zwischenprodukts 800 eine aufgekohlte Schicht auszubilden.
Als Nächstes erfolgt im Anschluss an den. Aufkohlungsschritt ein Abkühlschritt, in dem das Zwischenprodukt 800 bei einer Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, die kleiner als eine Abkühlgeschwindigkeit ist, bei der eine Martensitumwandlung hervorgerufen wird, und in dem das Zwischenprodukt 800 auf eine Temperatur abgekühlt wird, die kleiner oder gleich einer Temperatur ist, bei der eine Strukturumwandlung aufgrund des Abkühlens abgeschlossen ist.
Als Nächstes erfolgt ein Abschreckschritt, in dem der gesamte Zylinderabschnitt 81, der zu dem aufgekohlten, abgeschreckten Abschnitt des Zwischenprodukts 800 wird, durch Energie hoher Dichte auf einen Austenitisierbereich erhitzt wird und danach bei einer Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, die größer oder gleich der Abkühlgeschwindigkeit ist, bei der eine Martensitumwandlung hervorgerufen wird.
Danach erfolgt ein Schneideschritt, in dem der zum Schweißen gedachte Abschnitt 825 des Zwischenprodukts 800 in eine gewünschte Endform geschnitten wird. Die Reihenfolge des oben beschriebenen Schneideschritts und Abschreckschritts kann umgekehrt werden.
Es folgt eine weitergehende Beschreibung.
Zunächst werden eine Wärmebehandlungsanlage 5, die bei dem obigen Zwischenprodukt 800 die Aufkohlungs- bis Abschreckschritte durchführt, bestimmte Wärmebehandlungsbedingungen usw. beschrieben.
Wie in 7 gezeigt ist, weist die Wärmebehandlungsanlage 5 ein Vorwaschbad 51 zum Waschen des Stahlteils vor dem Aufkohlungs-/Abschreckvorgang, eine Vorrichtung zum druckverminderten Aufkohlen/langsamen Abkühlen 52 mit einer Heizkammer 521, einer Kammer zum druckverminderten Aufkohlen 522 und einer Kammer zum druckverminderten, langsamen Abkühlen 523, eine Hochfrequenz-Abschreckmaschine 53 und eine magnetische Fehlererfassungsvorrichtung 54 zur Fehlerinspektion auf.
Der unter Verwendung der Wärmebehandlungsanlage 5 erfolgende Aufkohlungsschritt gemäß dem Ausführungsbeispiel ist ein Schritt zum druckverminderten Aufkohlen, der in einem druckverminderten Aufkohlungsgas erfolgt, dessen Druck auf weniger als der Atmosphärendruck vermindert worden ist. 8 zeigt ein Heizmuster A zur Verwendung in diesem Schritt. In der Zeichnung geben die horizontale Achse und die vertikale Achse jeweils die Zeit und die Temperatur an.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird die Temperatur in dem Heizmuster A für den Aufkohlungsschritt während einer Heizdauer a auf eine Aufkohlungstemperatur angehoben und dann während Haltedauern b1 und b2 konstant gehalten. Die Temperatur wird konstant bei 950°C gehalten, was eine Temperatur ist, die größer oder gleich der Austenitisiertemperatur ist. Die erste der Haltedauern, b1, entspricht der Aufkohlungsdauer des Aufkohlungsvorgangs, und die zweite Haltedauer, b2, entspricht der Diffusionsdauer des Aufkohlungsvorgangs. Die Druckverminderungsbedingung für den Prozess zum druckverminderten Aufkohlen ist als 1 bis 3,5 hPa definiert, wobei als das Aufkohlungsgas während der Dauer b1, die der obigen Aufkohlungsdauer entspricht, Acetylen verwendet wird.
Nachdem die Diffusionsdauer des Vorgangs zum druckverminderten Aufkohlen geendet hat, beginnt eine Abkühldauer c, die dem Abkühlschritt entspricht. In dem Ausführungsbeispiel wird ein druckverminderter, langsamer Abkühlschritt eingesetzt, wobei die Druckverminderungsbedingung für den druckverminderten, langsamen Abkühlschritt als 600 hPa definiert ist. Als Kühlatmosphärengas wird Stickstoff (N₂) verwendet. Die Abkühlgeschwindigkeit für den druckverminderten, langsamen Abkühlschritt wird während einer Dauer, während der die Temperatur von einer Temperatur aus, die unmittelbar nach dem Aufkohlungsvorgang größer oder gleich der Austenitisiertemperatur ist, auf eine Temperatur von 150°C verringert, die kleiner als ein A1-Umwandlungspunkt ist, im Bereich von 0,1 bis 3,0°C/Sekunde eingestellt. Das Heizmuster A und andere hier beschriebene Bedingungen sind bloß erläuternd und können bei Bedarf mittels eines Vorversuchs oder dergleichen auf die für das zu bearbeitende Stahlteil optimalen Bedingungen geändert werden.
In dem nach dem Abkühlschritt erfolgenden Abschreckschritt gemäß dem Ausführungsbeispiel wird als Heizmittel Hochfrequenzheizen verwendet, und als rasches Abkühlmittel wird eine Wasserkühlung verwendet. Ein Heizmuster B für den Abschreckschritt ist in 9 gezeigt. In der Zeichnung stellen die horizontale Achse und die vertikale Achse jeweils die Zeit und die Temperatur dar. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, beinhaltet der Abschreckschritt gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Heizdauer d1, in der der gesamte Zylinderabschnitt 81 mittels Hochfrequenzheizen auf eine Temperatur erhitzt wird, die größer oder gleich der Austenitisiertemperatur ist, und eine anschließende rasche Abkühldauer d2, in der der Zylinderabschnitt 81 durch Aufspritzen von Wasser oder Kühlwasser, das ein Anti-Abschreckrissmittel enthält, so mit Wasser abgeschreckt wird, dass leicht eine Abkühlgeschwindigkeit erzielt werden kann, die größer oder gleich einer kritischen Abkühlgeschwindigkeit zum raschen Abkühlen ist, bei der in der aufgekohlten Schicht eine Martensitumwandlung hervorgerufen wird. Das Heizmuster B kann bei Bedarf mittels eines Vorversuchs oder dergleichen auf eine für das zu bearbeitende Stahlteil optimale Bedingung geändert werden.
Als Nächstes werden über die obigen Schritte hinweg Änderungen des Strukturzustands verschiedener Abschnitte des Zwischenprodukts 800 und des ersten Stahlteils 8 beschrieben.
Zunächst wird in dem Zwischenprodukt 800, wie in 3 gezeigt ist, der zum Schweißen gedachte Abschnitt 825 mit dem Zusatzabschnitt 826 geformt. Die innere Struktur des Zwischenprodukts 800 ist vor dem Aufkohlungsschritt wie bei einem normalen Stahlteil nach dem Warmschmieden ein Strukturzustand nach einer Umformung. Wenn der Aufkohlungsschritt erfolgt, wird das gesamte Zwischenprodukt 800 in eine Austenitstruktur umgewandelt. Dabei wird ein Oberflächenschichtabschnitt des Zwischenprodukts 800 in eine aufgekohlte Schicht 88 (siehe 4) mit einer hohen Kohlenstoffkonzentration umgewandelt, in der die Kohlenstoffkonzentration höher als die des Grundmaterials ist.
Dann wird das Zwischenprodukt 800 mit der Austenitstruktur, wie in 4 gezeigt ist, dem anschließenden Schritt zum druckverminderten, langsamen Abkühlen unterzogen, so dass ein Abschnitt des Zwischenprodukts 800 außer der aufgekohlten Schicht 88 in eine Ferrit/Perlit-Struktur FP umgewandelt wird und die aufgekohlte Schicht 88, die die Oberflächenschicht bildet, in eine Perlitstruktur P umgewandelt wird.
Als Nächstes wird der Zylinderabschnitt 81 des Zwischenprodukts 800 mittels Hochfrequenzheizen erhitzt, um in eine Austenitstruktur umgewandelt zu werden. Wenn danach eine Wasserabkühlung erfolgt, wird die aufgekohlte Schicht 88, wie in 5 gezeigt ist, in eine Martensitstruktur M umgewandelt, und ein Innenabschnitt des Zylinderabschnitts 81 wird in eine Bainitstruktur B umgewandelt. In dem Flanschabschnitt 82, der nicht dem Abschreckschritt unterzogen wird, wird andererseits die aufgekohlte Schicht 88, die die Oberflächenschicht bildet, in der Perlitstruktur P gelassen, und ein Innenabschnitt des Flanschabschnitts 82 wird in der Ferrit/Perlit-Struktur FP gelassen.
Danach wird der zum Schweißen gedachte Abschnitt 825 des Flanschabschnitts 82 des Zwischenprodukts 800 dem Schneideschritt unterzogen, um den Zusatzabschnitt 826 einschließlich der aufgekohlten Schicht 88 zu entfernen. Dies führt bei dem ersten Stahlteil 8 zur Endform. In dem zum Schweißen gedachten Abschnitt 825 des ersten Stahlteils 8 liegt die Ferrit/Perlit-Struktur FP frei. Um die Produktqualität zu verbessern, ist es wirksam, vor oder nach dem Schneideschritt einen Poliervorgang, einen Schleifvorgang oder dergleichen durchzuführen, um die Abmessungsgenauigkeit insgesamt zu verbessern, und am Ende ein Waschen durchzuführen.
Als Nächstes wurden die Härteeigenschaften und die Schweißbarkeit verschiedener Abschnitte des erzielten ersten Stahlteils 8 beurteilt. Zum Vergleich wurde ein Vergleichsteil 9 angefertigt, das durch das Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik erzielt wurde.
In dem Vergleichsteil 9 erfolgt ein Anti-Aufkohlungsvorgang, in dem eine Oberfläche eines Flanschabschnitts 92 mit einem Anti-Aufkohlungsmittel bedeckt wird, und danach erfolgt ein Aufkohlungs-/Abschreckvorgang. Danach erfolgt ein Kugelstrahlen, um das Anti-Aufkohlungsmittel zu entfernen, und zudem ein Endbearbeitungsvorgang wie Polieren. In dem Vergleichsteil 9 ist, wie in 10 gezeigt ist, eine Oberflächenschicht eines Zylinderabschnitts 91, die nicht dem Anti-Aufkohlungsvorgang unterzogen worden ist, eine aufgekohlte Schicht 98 mit einer Martensitstruktur M, und ein Innenabschnitt des Zylinderabschnitts 91 und der gesamte Flanschabschnitt 92 haben eine Bainitstruktur B.
Die Härten der verschiedenen Abschnitte des ersten Stahlteils 8 und des Vergleichsteils 9 wurden im Querschnitt gemessen.
Die Martensitstruktur M in der aufgekohlten Schicht 88 (6) des Zylinderabschnitts 81 des ersten Stahlteils 8 hatte eine Vickershärte im Bereich von 756 bis 820 HV und wurde als signifikant hart erachtet. Die Bainitstruktur B im Innenabschnitt des Zylinderabschnitts 81 des ersten Stahlteils 8 hatte eine Vickershärte im Bereich von 331 bis 459 HV und wurde als mäßig hart sowie hervorragend zäh angesehen. Des Weiteren hatte die Ferrit/Perlit-Struktur FP im Flanschabschnitt 82 des ersten Stahlteils 8 einschließlich des zum Schweißen gedachten Abschnitts 825 eine Vickershärte im Bereich von 154 bis 163 HV und somit eine verhältnismäßig geringe Härte. Andererseits hatte die Perlitstruktur P in der aufgekohlten Schicht 88, die die Oberflächenschicht des Flanschabschnitts 82 bildet, eine etwas höhere Härte, und zwar eine Vickershärte im Bereich von 298 bis 311 HV.
In dem Vergleichsteil 9 hatte dagegen die Martensitstruktur M in der aufgekohlten Schicht 98 (10) des Zylinderabschnitts 91 eine Vickershärte im Bereich von 765 bis 787 HV und somit eine signifikant hohe Härte. Die Bainitstruktur B im Innenabschnitt des Zylinderabschnitts 91 und im gesamten Flanschabschnitt 92 des Vergleichsteils 9 hatte eine Vickershärte im Bereich von 282 bis 332 HV. Durch einen Vergleich zwischen dem obigen Vergleichsteil 9 und dem ersten Stahlteil 8 gemäß dem Ausführungsbeispiel ergab sich, dass der Zylinderabschnitt 81 des ersten Stahlteils 8 eine Oberflächenhärte hatte, die mit der des Vergleichsteils 9 vergleichbar war, und signifikant hervorragende Verschleißbeständigkeitseigenschaften bewahrte.
Als Nächstes wurde die Schweißbarkeit des ersten Stahlteils 8 und des Vergleichsteils 9 beurteilt. Und zwar wurde, wie in 11 gezeigt ist, ein zweites Stahlteil 71 angefertigt, das an dem zum Schweißen gedachten Abschnitt 825 anzuschweißen ist, und tatsächlich an einer Schweißstelle W lichtbogengeschweißt, um ein Verbundstahlteil 75 zu erzielen. Dann wurde ein Schweißabschnitt 750 einer Muffenschweißfestigkeit-Nachweisprüfung (in der die Festigkeit des Schweißabschnitts mit einer auf die Schweißstelle aufgebrachten Last gemessen wurde) und einer Leckprüfung unterzogen.
Als Ergebnis der Muffenschweißfestigkeit-Nachweisprüfung ergab sich, dass das erste Stahlteil 8 eine Schweißabschnittsfestigkeit erreichte, die größer oder gleich der des Vergleichsteils 9 war. Außerdem verursachten sowohl das erste Stahlteil 8 als auch das Vergleichsteil 9 keine Probleme bei der Leckprüfung. Anhand dieser Prüfergebnisse ergab sich, dass die Schweißbarkeit des ersten Stahlteils 8 größer oder gleich der des Vergleichsteils 9 war.
Wie in 12 gezeigt ist, weist der aus dem ersten Stahlteil 8 und dem zweiten Stahlteil 71 angefertigte Schweißabschnitt 750 des Verbundstahlteils 75 einen Schmelz-/Wiedererstarrungsabschnitt 751 und einen angrenzend an den Schmelz-/Wiedererstarrungsabschnitt 751 vorgesehenen Wärmeeinflussabschnitt 752 auf. Der Schmelz-/Wiedererstarrungsabschnitt 751 hat eine Martensit/Bainit/Perlit-Struktur MBP, also eine Struktur, in der eine Martensitstruktur, eine Bainitstruktur und eine Perlitstruktur miteinander gemischt sind. Unterdessen hat der Wärmeeinflussabschnitt 752 eine Bainit/Ferrit/Perlit-Struktur BFP, also eine Struktur, in der eine Bainitstruktur, eine Ferritstruktur und eine Perlitstruktur miteinander gemischt sind. Ein den Wärmeeinflussabschnitt 752 umgebender Abschnitt hat wie der ursprüngliche zum Schweißen gedachte Abschnitt 825 eine Ferrit/Perlit-Struktur FP. Die Struktur des übrigen Abschnitts des ersten Stahlteils 8 hat sich gegenüber der Struktur vor dem Schweißschritt nicht geändert. Ein den Schweißabschnitt 750 umgebender Abschnitt des zweiten Stahlteils 71 hat eine Ferrit/Perlit-Struktur FP.
13 zeigt ein montiertes Teil 7, das das Verbundstahlteil 75 enthält, das ausgebildet ist, indem das zweite Stahlteil 71 und das oben beschriebene erste Stahlteil 8 über den Schweißabschnitt 750 miteinander verbunden werden. Das montierte Teil 7 ist ein Drehmomentwandler (T/C), der in ein Fahrzeugautomatikgetriebe einzubauen ist. Das erste Stahlteil 8 ist ein Teil des montierten Teils 7, das Pumpenlaufradnabe genannt wird. Für diesen Zweck sorgt das Verbundstahlteil 75, das durch Aneinanderschweißen des ersten Stahlteils 8 gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel und des zweiten Stahlteils 71 ausgebildet ist, für die erforderlichen Qualitäten und zeigt ein hervorragendes Leistungsvermögen. Das erste Stahlteil 8 ist nicht auf die Verwendung als Pumpenlaufradnabe beschränkt und es kann als jegliches Teil verwendet werden, das einen Zylinderabschnitt und einen Flanschabschnitt aufweist. Zum Beispiel kann das erste Stahlteil 8 als eine Leistungsübertragungswelle verwendet werden, etwa als eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle eines Fahrzeugautomatikgetriebes.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-76866 [0006]
JP 2005-76866 A [0006]

Claims

Herstellungsverfahren für ein Verbundstahlteil, das durch Aneinanderschweißen einer Vielzahl von Stahlteilen ausgebildet ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Herstellen eines ersten Stahlteils, das einen Zylinderabschnitt, der in einer Zylinderform ausgebildet ist, und einen Flanschabschnitt aufweist, der so vorgesehen ist, dass er sich von einem Ende des Zylinderabschnitts aus radial nach außen erstreckt, wobei der Zylinderabschnitt ein aufgekohlter, abgeschreckter Abschnitt ist, der einem Aufkohlungs-/Abschreckhärtungsvorgang unterzogen worden ist, und der Flanschabschnitt einen zum Schweißen gedachten Abschnitt aufweist, der an ein zweites Stahlteil anzuschweißen ist, durch Anfertigen eines Zwischenprodukts, in dem der zum Schweißen gedachte Abschnitt mit einem Zusatzabschnitt versehen worden ist, der eine Dicke hat, die größer oder gleich der einer aufgekohlten Schicht ist, die in einem anschließenden Aufkohlungsschritt auszubilden ist, und Durchführen des Aufkohlungsschritts, in dem das Zwischenprodukt in einer Aufkohlungsatmosphäre auf eine Austenitisiertemperatur oder mehr erhitzt wird, um die aufgekohlte Schicht auf einer Oberfläche des Zwischenprodukts auszubilden, eines Abkühlschritts im Anschluss an den Aufkohlungsschritt, in dem das Zwischenprodukt bei einer Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, die kleiner als eine Abkühlgeschwindigkeit ist, bei der eine Martensitumwandlung hervorgerufen wird, und in dem das Zwischenprodukt auf eine Temperatur abgekühlt wird, die kleiner oder gleich einer Temperatur ist, bei der eine Strukturumwandlung aufgrund des Abkühlens abgeschlossen ist, eines Abschreckschritts, in dem ein gewünschter Abschnitt des Zylinderabschnitts des Zwischenprodukts durch Energie hoher Dichte auf einen Austenitisierbereich erhitzt wird und danach bei einer Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, die größer oder gleich der Abkühlgeschwindigkeit ist, bei der eine Martensitumwandlung hervorgerufen wird, um in dem gewünschten Abschnitt den aufgekohlten, abgeschreckten Abschnitt auszubilden, und eines Schneideschritt, in dem der Zusatzabschnitt des Zwischenprodukts abgeschnitten wird; und dann Durchführen eines Schweißschritts, in dem das zweite Stahlteil mit dem zum Schweißen gedachten. Abschnitt des Flanschabschnitts des erzielten ersten Stahlteils in Anlage gebracht wird, um das erste Stahlteil und das zweite Stahlteil aneinanderzuschweißen.
Herstellungsverfahren für ein Verbundstahlteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: der Aufkohlungsschritt in einer Niedrigsauerstoff-Aufkohlungsatmosphäre durchgeführt wird, in der eine Sauerstoffkonzentration geringer als in der Atmosphäre ist.
Verbundstahlteil, das durch Aneinanderschweißen einer Vielzahl von Stahlteilen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass: ein erstes Stahlteil einen Zylinderabschnitt, der in einer Zylinderform ausgebildet ist, und einen Flanschabschnitt aufweist, der so vorgesehen ist, dass er sich von einem Ende des Zylinderabschnitts aus radial nach außen erstreckt; der Zylinderabschnitt durch einen aufgekohlten, abgeschreckten Abschnitt ausgebildet ist, in dem ein Oberflächenabschnitt eine Martensitstruktur hat und ein Innenabschnitt eine Bainitstruktur hat; der Flanschabschnitt einen Schweißabschnitt aufweist, der an ein zweites Stahlteil angeschweißt ist; der Schweißabschnitt einen Schmelz-/Wiedererstarrungsabschnitt und einen angrenzend an den Schmelz-/Wiedererstarrungsabschnitt vorgesehenen Wärmeeinflussabschnitt aufweist; und der Schmelz-/Wiedererstarrungsabschnitt eine Martensit/Bainit/Perlit-Struktur hat und der Wärmeeinflussabschnitt eine Bainit/Ferrit/Perlit-Struktur hat.