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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht den Prioritätsvorteil der am 12. April 2019 mit dem Titel „Variable Diffusion Carburizing Method“ eingereichten US-Provisional-Patentanmeldung Nr.
62/833407 , die für alle Zwecke durch Inbezugnahme vollumfänglich hier mit aufgenommen wird.
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ANGABE DER AUF BUNDESEBENE GEFÖRDERTEN FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
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Nicht zutreffend.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Offenbarung bezieht sich auf Verfahren zur Aufkohlung von Pulvermetallbauteilen.
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STAND DER TECHNIK
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Viele hochbeanspruchte eisenhaltige Bauteile werden so konstruiert, dass sie eine hohe Festigkeit in der Nähe ihrer Oberfläche mit einem duktilen Kernbereich höherer Zähigkeit aufweisen. Viele herkömmliche Zahnräder nutzen beispielsweise eine solche Gestaltung in ihren Zähnen zur Bereitstellung von Zahnoberflächen, die widerstandsfähig sind, mit Kernen, die vergleichsweise duktil sind, um ausgehend von der Funktion der Zähne die rechte Ausgewogenheit der mechanischen Materialeigenschaften bereitzustellen.
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Ein herkömmlicher Ansatz zur Erzielung eines solchen Unterschieds in den Materialeigenschaften zwischen der Oberfläche und dem Kern eines eisenhaltigen Bauteils ist das Aufkohlen (Carburizing) des Bauteils. Während einer typischen Aufkohlung wird das Bauteil in Gegenwart eines kohlenstoffhaltigen Materials erwärmt und Kohlenstoff wird an die Oberfläche des Bauteils geführt und dort absorbiert. Dieser Kohlenstoff diffundiert dann nach innen in das Körpervolumen des Bauteils. Typischerweise erfolgt die Erwärmung des Bauteils in einer sorgfältig kontrollierten kohlenstoffhaltigen Gasumgebung, obwohl geschichtlich zur Bereitstellung des Kohlenstoffs das Bauteil womöglich in Kontakt mit einem kohlenstoffreichen Material wie Holzkohle gepackt wurde.
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Nach erfolgter Aufkohlung wird ein Bauteil dann oftmals abgeschreckt, um eine martensitische Phase im Bauteil auszubilden. Die Bildung von Martensit erhöht die Festigkeit und Härte in der Oberflächenschicht, aber Martensit ist auch sehr spröde. Um die Sprödigkeit im Bauteil etwas abzuschwächen, kann eine weitergehende Wärmebehandlung, wie das Anlassen, verwendet werden.
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Da es sich um einen diffusionsbasierten Prozess handelt, ist die Aufkohlung in diesem Fall sowohl zeit- als auch temperaturabhängig, und diese Abhängigkeit kann mikrostrukturelle, makrostrukturelle und ökonomische Auswirkungen haben. Aufgrund der geringen Diffusionsrate von Stahl kommt es zum Beispiel oftmals zu einem deutlichen und relativ trennscharfen Übergang des Kohlenstoffgehalts (und damit der Materialeigenschaften) zwischen der stark kohlenstoffhaltigen Oberflächenschicht und dem ursprünglichen Grundmaterial, das wenig und gegebenenfalls gar keinen Kohlenstoff enthält. Das bedeutet, dass die deutlich abgegrenzte aufgekohlte Schicht zwar das Abfangen einwirkender Lasten unterstützen kann, aber schnell in einen duktilen Kern übergeht, der wenig zum Abfangen der hohen Lasten mit der aufgekohlten Schicht beiträgt (obwohl der Kern die oben erwähnte Zähigkeit und Duktilität bereitstellen kann). Ferner kann die Aufkohlung, mit Zeit und Temperatur als Prozessvariablen, potenziell sehr kostenintensiv sein und erfordert eine erhebliche energetische und anlagentechnische Leistung. Diese Fertigungskosten werden bei der Auswahl der Prozessparameter für die Aufkohlung einer speziellen Bauteilreihe ebenso wie das gewünschte Ergebnisprofil (zum Beispiel Tiefe, Kohlenstoffgehalt und so weiter) berücksichtigt.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Hier werden verbesserte Verfahren zur Aufkohlung von Pulvermetallteilen offenbart. Diese Verfahren der Aufkohlung umfassen eine sequenzielle Verarbeitung eines Pulvermetallteils durch Aufkohlen des Pulvermetallteils bei kleiner als Volldichte (in einigen Fällen als Teil eines Sinter-Aufkohlungsprozesses), dann Schmieden des Teils zur Erhöhung der Dichte des Pulvermetallteils, und dann nochmaliges Aufkohlen des Pulvermetallteils nach dem Schmieden. Der vor dem Schmieden stattfindende Aufkohlungsschritt kann dabei helfen, dass der Kohlenstoff anfangs in größere Tiefen vordringt als in einem Schmiedeteil mit Volldichte unter ähnlichen Zeit-Temperatur-Atmosphärenbedingungen, indem die Fähigkeit der kohlenstoffhaltigen Gase ausgenutzt wird, Kohlenstoff in einem frühen Prozessstadium über das poröse Netz des Pulvermetallteils zu transportieren, bevor die Poren durch Sintern und/oder Schmieden geschlossen sind. Damit lässt sich ein anfängliches Kohlenstoffprofil verhältnismäßig tief „dotieren“, bis zu einem Bereich, der die äußere Fläche des Teils nach dem Schmiedeschritt ergeben wird, wobei als Transportmechanismus nicht allein auf die Festkörperdiffusion vertraut wird, wie dies in einem Teil mit Volldichte zwangsläufig der Fall wäre. Nach dem Schmieden kann das geschmiedete Teil bei erhöhter Temperatur erneut aufgekohlt werden; da sich jedoch im Vorfeld bereits etwas eingeschlossener Kohlenstoff in Tiefen unter der Außenfläche des geschmiedeten Pulvermetallteils eingestellt hat, kann dieser eingangs eingetragene Kohlenstoff während der Erwärmung nun weiter in das Teil eindiffundieren, während an der Oberfläche des Teils neuer Kohlenstoff zugeführt wird, der an dieser Oberfläche einen höheren Kohlenstoffgehalt erzeugen kann. Dieser mehrstufige Prozess kann einen sowohl komplexeren als auch allmählicheren Kohlenstoffgradienten erzeugen, der durch die Änderung unterschiedlicher Prozessparameter breit variiert und konstruktiv so gestaltet werden kann, dass er ein gewünschtes Randschichtprofil aufweist.
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Neben der Bereitstellung eines weniger trennscharfen Übergangs zwischen der einsatzgehärteten Randschicht und dem Kern kann der Schmiedeschritt auch insbesondere auf die Ausformung des anfangs eingebauten Kohlenstoffprofils ausgelegt sein. Indem während des Schmiedeschritts ein variabler Materialfluss des Teils erzeugt wird - was dadurch erreicht werden kann, dass der Vorformling vor dem Schmieden mit Abmessungen entworfen wird, die nichtproportional zur Nachschmiedeform sind - können beispielsweise Teilabschnitte des anfänglichen Kohlenstoffprofils verdickt und/oder verdünnt oder gestreckt und/oder komprimiert werden, um eine variierende Dicke der anfänglichen Kohlenstoffschicht vor dem anschließenden Aufkohlungsschritt zu erzeugen. Auf diese Weise lassen sich relativ durchkonstruierte maßgeschneiderte Aufkohlungsprofile erzeugen.
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Diese verbesserten Aufkohlungsverfahren können viele Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bieten. Als ein Beispiel gestattet diese Abfolge die Entwicklung einer variablen Härtetiefe im sich ergebenden Teil mit Hilfe herkömmlicher Randaufkohlungsprozesse (das heißt Sinter-Aufkohlung und Gasaufkohlung an einem Teil mit Volldichte oder fast Volldichte), aber mit Zeit- und Kosteneinsparungen gegenüber der Aufkohlung eines Schmiedeteils mit Volldichte. Zudem gestattet diese Abfolge die Entwicklung einer variablen Härtetiefe und Randschichtgeometrie, die mit der bestehenden Sinter-Aufkohlungstechnologie allein nicht realisiert werden kann.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Aufkohlung eines Pulvermetallteils bereitgestellt. In einem Vorschmiede-Aufkohlungsschritt wird ein Pulvermetallteil bei kleiner als Volldichte aufgekohlt, um ein Vorschmiede-Aufkohlungsprofil herzustellen. Das Pulvermetallteil wird nach dem Vorschmiede-Aufkohlungsschritt dann geschmiedet, so dass sich die Dichte des Pulvermetallteils erhöht. Dieses Schmieden wandelt auch das Vorschmiede-Aufkohlungsprofil in ein Schmiedezustands-Aufkohlungsprofil um. Nach dem Schmiedeschritt wird das Pulvermetallteil in einem Nachschmiede-Aufkohlungsschritt aufgekohlt. Dieser Nachschmiede-Aufkohlungsschritt führt sowohl zu einer weitergehenden Diffusion von Kohlenstoff aus dem Schmiedezustands-Aufkohlungsprofil in das Pulvermetallteil und einem weiteren Eintrag von Kohlenstoff (aus der Aufkohlungsumgebung) in das Pulvermetallteil an einer Oberfläche des Pulvermetallteils.
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In einigen Formen des Verfahrens kann das Pulvermetallteil während des Schmiedeschritts auf die effektive Volldichte für das Pulvermetallteil geschmiedet werden. Dem Fachmann wird ersichtlich, dass die effektive Volldichte für ein Pulvermetallteil selbst nach dem Schmieden kleiner als die theoretische Volldichte ist und die Beseitigung fast der gesamten inneren Porosität umfasst. Im Kontext eines eisenhaltigen Bauteils ist davon auszugehen, dass die effektive Volldichte beispielsweise bei 98% der theoretischen Volldichte oder darüber liegt. Solche effektiven Volldichten können jedoch auch unter Zuhilfenahme der Normen der Metal Powder Industries Federation (MPIF) für ein gegebenes Material ermittelt werden. Theoretische Volldichte bezieht sich im Rahmen dieser Anmeldung auf die wahre Dichte eines Materials, die einer Volldichte ohne jegliche Poren oder Porosität entspricht.
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In einigen Formen kann eine Dichte des Pulvermetallteils, das weniger als die Volldichte aufweist, vor dem Schmiedeschritt kleiner als 95 % der theoretischen Volldichte sein. Dieser Prozentsatz ist jedoch wiederum nur beispielhaft, und der spezielle Prozentsatz kann von der Sinterfähigkeit einer besonderen Materialzusammensetzung abhängen, aber es ist in jedem Fall davon auszugehen, dass das Pulvermetallbauteil, das dem ersten Vorschmiede-Aufkohlungsschritt unterzogen wird, eine Dichte kleiner als die Volldichte aufweist, und zumindest in einigen Formen ein Netz von verbundenen Poren aufweist, damit sichergestellt wird, dass eine Migration von Kohlenstoff im Pulvermetallteil im nichtfesten oder gasförmigen Zustand stattfindet, so dass die Kohlungstiefe überwiegend nicht bloß zeit- und temperaturabhängig ist, wie dies in einem volldichten Teil der Fall wäre.
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In einigen Formen des Verfahrens kann das Verfahren ferner das Sintern des Pulvermetallteils umfassen. In Fällen, wo das Verfahren ein Sintern umfasst, wird davon ausgegangen, dass der Vorschmiede-Aufkohlungsschritt während der Sinterung des Pulvermetallteils stattfindet (das heißt, gleichzeitig oder zeitgleich damit, wie im Sinter-Aufkohlungsprozess). Auf diese Weise ist davon auszugehen, dass das Pulvermetallteil, zu diesem Zeitpunkt in Form eines Grünlings, eine in Bezug auf die theoretische Volldichte relativ geringe Dichte aufweisen kann, und beim Abbrennen eines die Pulvermetallpartikel aufnehmenden Bindemittels oder Schmiermittels kann das verbleibende poröse Netz des Grünlings mindestens vorübergehend für den gasförmigen Transport von Kohlenstoff aus der Atmosphäre in den Grünling verwendet werden. Die Dichte des Pulvermetallteils vor dem Sintern kann beispielsweise kleiner als 90 % der theoretischen Volldichte des Pulvermetallbauteils betragen.
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In einigen Formen kann ein Grundkohlenstoffanteil des Pulvermetallteils 0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent des Pulvermetallteils vor dem Vorschmiede-Aufkohlungsschritt betragen. „Grundkohlenstoffanteil“ bedeutet den Anteil von Kohlenstoff im Material vor jeglichen Wärmebehandlungen zur Aufkohlung während der Verarbeitung des Pulvermetalls in Grünling- oder Sinterform. Mit einem solchen Anfangsgehalt an Grundkohlenstoff kann ein prozentualer Kohlenstoffanteil in einer aufgekohlten Zone des Vorschmiede-Aufkohlungsprofils zum Beispiel bei 0,5 bis 0,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff nach dem Vorschmiede-Aufkohlungsschritt liegen. Nach den Schritten des Schmiedens und der auf das Schmieden folgenden Aufkohlung kann ein Kohlenstoffanteil in einer oberflächennahesten Zone des Pulvermetallteils 0,7 bis 0,9 Gewichtsprozent Kohlenstoff betragen.
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In einigen Formen des Verfahrens kann die Umwandlung des Vorschmiede-Aufkohlungsprofils in ein Schmiedezustands-Aufkohlungsprofil umfassen, dass von einem Vorschmiede-Aufkohlungsprofil ausgegangen wird, das eine im Verhältnis zur Oberfläche des Pulvermetallteils gleichförmige Tiefe aufweist, und dann das Pulvermetallteil so geschmiedet wird, dass das Schmiedezustands-Aufkohlungsprofil eine variierende Tiefe im Verhältnis zur Oberfläche des Pulvermetallteils nach dem Schmieden aufweist. Anders ausgedrückt, kann das Schmieden infolge eines variablen Materialflusses während des Schmiedeprozesses zu einer geometrischen Änderung des Profils führen. Das kann in den Prozess speziell einkonstruiert werden und wird beispielsweise im US-Patent Nr.
8517884 mit dem Titel „Powder Forged Differential Gear“ beschrieben, das am 27. August 2013 für GKN Sinter Metals, LLC erteilt wurde und durch Inbezugnahme für alle Zwecke hier vollumfänglich mit aufgenommen wird.
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In einigen Formen kann das Pulvermetallteil eisenhaltig sein, und eine solche Aufkohlung wird, aus praktischer Sicht, an eisenbasierten Pulvermetallpartikeln vorgenommen.
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In einigen Formen des Verfahrens kann der Vorschmiede-Aufkohlungsschritt dazu führen, dass eine Aufkohlung mit größerer Tiefe erfolgt als bei einem vergleichbaren Pulvermetallteil ähnlicher Zusammensetzung, das für die Aufkohlung unter ähnlichen Zeit-Temperatur-Atmosphären-Einwirkungsbedingungen Volldichte aufweist. Diese größere Kohlungstiefe kommt dadurch zustande, dass, im Vergleich zu einem Teil mit voller Dichte, die vor dem Schmieden bestehende Porosität des Pulvermetallteils Wege bereitstellt, die nicht auf Festkörperdiffusion basieren und für ein tieferes Eindringen von Kohlenstoff in ein Volumen des Pulvermetallteils sorgen.
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In einigen Formen kann das durch das Verfahren erzeugte Pulvermetallteil ein Zahnrad sein. Im Falle eines Differentialgetriebes können besonders kleine Differentialgetrieberäder Merkmale aufweisen, die sich mit Hilfe herkömmlicher Sinter-Aufkohlungstechniken nicht bearbeiten lassen, beispielsweise aufgrund der Unmöglichkeit, in einem Stiftloch mit Innendurchmesser oder in einer Kerbnut zu schmieden, wenn die Oberfläche vor dem Schmieden erheblich einsatzgehärtet wurde. In Zahnkränzen mit Hypoidverzahnung kann eine Aufrechterhaltung der Tiefenhärte am Zahnfuß aufgrund von Materialfluss unmöglich sein. In einem Parallelachsgetriebe mit kleinzahnigem Modul kann die Aufkohlungsschicht zu tief für die Zahnstärke sein.
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In einigen Formen kann das Pulvermetallteil nach dem Nachschmiede-Aufkohlungsschritt ein endgültiges Aufkohlungsprofil aufweisen. Das endgültige Aufkohlungsprofil kann einen Kohlenstoffgradienten von der Oberfläche des Pulvermetallteils bis in das Volumen aufweisen, der allmählicher verläuft als ein Gradient aus der Aufkohlung eines Teils mit Volldichte, das unter ähnlichen Zeit-Temperatur-Atmosphären-Einwirkungsbedingungen in einem einzigen Schritt aufgekohlt wird.
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In einigen Formen kann das Verfahren zudem das maschinelle Bearbeiten (zum Beispiel Weichdrehen) des Pulvermetallteils zwischen dem Schmiedeschritt und dem Nachschmiede-Aufkohlungsschritt umfassen. In dieser Phase wurde zwar etwas Kohlenstoff, aber nicht der gesamte Kohlenstoff zugegeben, wobei jedoch das Teil die endgültige oder fast endgültige Geometrie aufweist, und das Schmieden des Pulvermetallteils in diesem Stadium kann einfacher sein als im Anschluss an den Nachschmiede-Aufkohlungsschritt.
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Weiterhin ist auch beabsichtigt, dass ein Pulvermetallteil, das ausgehend von den verschiedenen hier beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, im Umfang dieser Offenbarung mit erfasst ist.
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Diese und noch weitere Vorteile der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich. Es folgt nun eine bloße Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Zur Bewertung des vollständigen Umfangs der Erfindung ist auf die Ansprüche zu schauen, da diese bevorzugten Ausführungsformen nicht als die einzigen Ausführungsformen im Geltungsumfang der Ansprüche gedacht sind.
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Figurenliste
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- 1A und 1B zeigen Bilder eines Randschichtprofils eines geschmiedeten Teils, das ausschließlich mit herkömmlichen Gasaufkohlungsverfahren hergestellt wurde.
- 2A und 2B zeigen Bilder eines Randschichtprofils eines Pulvermetallteils, das ausschließlich mit herkömmlichen Sinter-Aufkohlungsverfahren hergestellt wurde, in denen die komplette Aufkohlung vor dem Schmiedeschritt erfolgt.
- 3A und 3B zeigen Bilder eines Randschichtprofils eines Pulvermetallteils, das mit Hilfe eines mehrstufigen Aufkohlungsprozesses hergestellt wurde, der eine Schrittfolge von Sinter-Aufkohlung, Schmieden und Gasaufkohlung umfasst.
- 4 ist ein Schaubild zur schematischen Darstellung der schrittweisen Sinter-Aufkohlung eines Pulvermetallteils und der Kohlenstoffanteile in jeder der verschiedenen Zonen.
- 5A und 5B zeigen Bilder, die in 5A eine Zahnradform nach der Vorschmiede-Aufkohlung und dem Schmieden darstellen und in 5B diese gleiche Zahnradform nach einem weiteren abschließenden Aufkohlungsschritt darstellen.
- 6 zeigt ein Schaubild ähnlich dem Schaubild von 4, stellt aber zudem einen abschließenden Gasaufkohlungsschritt nach einem Schmiedeschritt dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Zum besten Verständnis der offenbarten Verfahren und ihrer Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik folgt nun ein kurzer Vergleich der herkömmlichen Gasaufkohlung und der herkömmlichen Sinter-Aufkohlung. Mit einem Verständnis dieser beiden Verfahrensweisen der Aufkohlung lässt sich dann verstehen, wie das neue Verfahren Aspekte der beiden Verfahrensweisen (die leicht abgewandelt sein können) mit einem dazwischen liegenden Schmiedeschritt umfasst und so einzigartige Aufkohlungsprofile in Pulvermetallbauteilen erzielt, die sich mit reduzierten Kosten herstellen lassen.
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In der herkömmlichen Gasaufkohlung wird ein eisenhaltiges Produkt bei Volldichte für eine bestimmte Dauer in eine erwärmte Umgebung gegeben, die ein kohlenstoffhaltiges Gas enthält, und zwar unter Bedingungen, die dazu führen, dass Kohlenstoff aus der Umgebung in das eisenhaltige Produkt absorbiert wird. Temperaturerhöhungen ergeben kürzere Zyklen, eine größere Kohlenstoffeindringtiefe pro Zeitdauer, können aber bestimmte andere ungewünschte Ergebnisse im Bereich der Metallurgie oder Maßhaltigkeit nach sich ziehen (wie Kornwachstum oder Durchbiegung oder Verziehen des Teils). Herkömmliche Gasaufkohlungsverfahren sind deshalb durch die Wärmemenge (das heißt die Temperatur) des Betriebsvorgangs und die Diffusionskurve des Materials bei dieser Temperatur beschränkt. Je nach dem Material, das einer Gasaufkohlung unterzogen wird, ist deshalb das Endergebnis stark abhängig von dieser Diffusionskurve und der Zeitdauer der Temperatur.
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In Schmiedewerkstoffen mit Volldichte wird das aufgekohlte Oberflächenprofil typischerweise beschrieben als eine sehr kohlenstoffreiche Zone über einer sehr kohlenstoffarmen Zone mit einem schmalen Übergangsbereich. Aufgrund des Prozessverfahrens weist die aufgekohlte Zone des Teils typischerweise überall an den behandelten Oberflächen eine sehr gleichförmige Dicke auf.
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Die 1A und 1B zeigen diese Gleichförmigkeit des Profils in zwei Bildern eines Zahnradzahns, der geschmiedet wird und einer Gasaufkohlung unterzogen wurde, wobei das Randschichtprofil über die Fläche des Zahnes hinweg eine sehr gleichförmige Dicke aufweist. 1A ist eine mikrografische Aufnahme zur Darstellung der Härtetiefe, wobei die gleichförmige Härtetiefe an verschiedenen Positionen über die Fläche des Zahns hinweg mit Pfeilen ausgedrückt wird. 1B zeigt die Vickers-Härtezahlen des Zahns an verschiedenen Positionen und es wird deutlich, dass der Zahn eine äußere Oberflächenschicht mit hohen Härtezahlen (bis zu 786 HV) aufweist, während der Kern merklich darunter liegt (nur 435 - 500 HV). Der Übergang zwischen der Außenschicht oder einsatzgehärteten Randschicht und dem Kern ist ziemlich abrupt und trennscharf.
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Die Aufkohlung von eisenhaltigen Bauteilen im gewerblichen Bereich basiert mehrheitlich auf der Gasaufkohlung von geschmiedeten Teilen oder Teilen mit Volldichte. Der Grund liegt zum großen Teil darin, dass viele Bauteile aufgrund der Art ihrer Herstellung vor der Aufkohlung, wie Gießen, Fließpressen und so weiter, Volldichte aufweisen.
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Es existiert jedoch insbesondere ein anderes, nicht so weit verbreitetes Verfahren zur Aufkohlung von Arten von Pulvermetallbauteilen, das als Sinter-Aufkohlung oder „Sinta Carb“ bezeichnet wird und zur Entwicklung tiefer Kohlenstoffprofile verwendet werden kann.
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Für ein Verständnis des Funktionsprinzips der Sinter-Aufkohlung muss man zuerst verstehen, wie Pulvermetallbauteile im allgemeinen Sinne hergestellt werden. Bei der Produktion von Pulvermetallbauteilen wird ein Pulvermetallpulver mit einem Bindemittel, Wachs und/oder Schmiermittel verpresst, um einen Grünling mit einer Geometrie auszubilden, die dem gewünschten Endprodukt sehr nahe ist. Dieser Grünling wird dann in einem Ofen bei einer Temperatur gesintert, die sich typischerweise der Schmelztemperatur des Pulvermetalls annähert, aber leicht darunter bleibt. Obwohl es einige Sinterprozesse gibt, bei denen ein begrenzter Anteil des Grünlings in eine Flüssigphase eintritt (als Flüssigphasensintern bezeichnet), basieren viele Sinterprozesse ausschließlich auf Festkörperdiffusion, wobei das Bindemittel, Wachs und/oder Schmiermittel typischerweise abbrennen, während sich die Pulvermetallpartikel ineinander zusammenziehen, um einen vereinheitlichten Sinterkörper auszubilden. Während des Sinterprozesses kann der Partikelzwischenraum ein Netz von Poren ausbilden, obwohl sich diese Poren mit fortschreitendem Sintern verkleinern und schließen. Dennoch kann auch im gesinterten Zustand eine anteilige Porosität im Sinterkörper verbleiben.
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Der Sinter-Aufkohlungsprozess nutzt das Vorhandensein dieses porösen Netzes, um im Zuge des Sinterproduktionsschritts Kohlenstoff bei bereits erhöhter Temperatur des Teils einzuleiten. Das Bestehen eines porösen Netzes zwischen den Pulvermetallpartikeln mindestens am Anfang des Sinterschritts ermöglicht das Einströmen von kohlenstoffhaltigen Gasen in diese Poren zur Gewährleistung eines gasförmigen Transports der kohlenstoffhaltigen Gase tiefer in den Körper des Teils mindestens bis zu einer gewissen Tiefe unterhalb dessen, was schlussendlich die Außenfläche des Teils nach dem Sintern bildet, so dass der Kohlenstoff in diesen größeren Tiefen absorbiert werden kann. Da der gasförmige Transport durch das poröse Netz überwiegend auf dem Strömen von Gas und nicht Festkörperdiffusion basiert, ermöglicht diese Sinter-Aufkohlungstechnik das schnelle Erreichen einer größeren Kohlungstiefe und eines allmählicheren Gradienten als die Gasaufkohlung eines Teils mit Volldichte. Die Sinter-Aufkohlung kann somit verwendet werden, um nicht so stark verdichtete Pulvermetallbauteile mit einer verbesserten Diffusionstiefe effizient aufzukohlen, oftmals vor einem abschließenden, vollverdichtenden Schmiedeprozess.
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2A und 2B zeigen vergleichbare Aufkohlungsprofile zu 1A und 1B für einen Zahnradzahn, wobei jedoch der Zahn in 2A und 2B durch Sinter-Aufkohlung statt Gasaufkohlung hergestellt ist. Es wird deutlich, dass es aufgrund der gasförmigen Diffusion in die Poren des Teils eine viel breitere Übergangszone von den kohlenstoffreichen zu den kohlenstoffarmen Bereichen gibt. Dichteschwankungen im Pulvermetallgrünling können zu unterschiedlichen Diffusionstiefen des Kohlenstoffs in unterschiedlichen Zonen führen, und auch der auf die Sinter-Aufkohlung folgende Schmiedevorgang kann Schwankungen der Randschichtdicke verursachen. Bei Ansicht der Mikroaufnahme von 2A ist zu sehen, dass die Kohlenstoffdiffusionstiefe am Zahnkopf am größten ist und mit Annäherung an den Zahnfuß geringer wird. Bei Ansicht von 2B, wo Vickers-Härten zwischen 334 HV und 714 HV angegeben sind, ist zu sehen, dass Kohlenstoff tiefer in den Zahn eindringt und es einen allmählicheren Übergang vom Kern zur Oberflächenschicht gibt als im Teil aus 1B.
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Jedoch gibt es auch beim Sinter-Aufkohlungsprozess bestimmte Bedingungen und Produkte, bei denen die Ergebnisse des Sinter-Aufkohlungsprozesses alles andere als ideal sind. Bei Teilen mit dünnen Querschnitten oder niedrigen Zahn-/Zahnradmoduln beispielsweise können diese Teile aufgrund der hohen Diffusionsrate des Kohlenstoffmaterials während des Sinter-Aufkohlungsprozesses oftmals nicht effektiv aufgekohlt werden, ohne einen Zustand der Durchhärtung (Ganzhärtung) zu erreichen. Das Endergebnis kann ein Produkt sein, dem es aufgrund einer härtetiefenbedingten Versprödung an Duktilität und Zähigkeit fehlt und das aufgrund der Sprödigkeit dieser Merkmale metallurgisch eventuell nicht geeignet ist. Außerdem können auch Produkte, die den konstruktiven Anforderungen des Prozesses nicht entsprechen, infolge einer übermäßigen Materialverdünnung beim Schmiedevorgang geringe Härtetiefen aufweisen, was zu einer geringen Festigkeit und/oder einem geringen Aufschlagkraftwiderstand führt.
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Hier wird ein Verfahren offenbart, das Aspekte beider Aufkohlungsarten (das heißt Sinter-Aufkohlung eines Pulvermetallteils mit weniger als Volldichte und Gasaufkohlung eines Teils mit Volldichte oder fast Volldichte) mit einem zwischengeschalteten Schmiedeschritt zusammenführt. Dieses Verfahren umfasst eine Abfolge aus einem ersten Aufkohlungsschritt, bei dem die Dichte des Teils noch kleiner als die Volldichte ist, einem Schmiedeschritt zur Erhöhung der Dichte des Teils und einem zweiten Aufkohlungsschritt, der typischerweise die Gasaufkohlung des Teils mit fast Volldichte oder Volldichte umfasst.
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Es ist anzumerken, dass in dieser Phase der erste Aufkohlungsschritt die Sinter-Aufkohlung sein kann - und die Ersparnis ist wahrscheinlich am größten, wenn das Sintern und der erste Aufkohlungsschritt zusammen ausgeführt werden -, aber es wird hier auch mit berücksichtigt, dass es Möglichkeiten für eine separate Ausführung des Sinterschritts und des ersten Aufkohlungsschritts geben kann. Eine solche eventuelle Entkopplung des Sinter- und ersten Aufkohlungsschritts muss jedoch mit Sorgfalt und Bedacht erfolgen, da, sobald die Poren des Teils geschlossen sind, wie dies oftmals am Ende des Sinterns geschieht, der Mechanismus, mit dem das kohlenstoffhaltige Gas in das Teil migrieren kann, gefährdet und abgeschwächt wird.
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Es sei zuerst auch angemerkt, dass der erste Schritt zwar eine Sinter-Aufkohlung eines Teils bei weniger als Volldichte umfassen kann, aber dass sich diese Sinter-Aufkohlung von vorbekannten Arten der Sinter-Aufkohlung darin unterscheidet, dass die Sinter-Aufkohlung nicht ausgeführt wird, um den kompletten Kohlenstoff für das endgültige Kohlenstoffprofil beizubringen. Anders ausgedrückt, wird in diesem neuen Verfahren während des Sinter-Aufkohlungsschritts nur ein Bruchteil des Randschichtprofils hergestellt, während bei der herkömmlichen Sinter-Aufkohlung die Sinter-Aufkohlung der abschließende und einzige Schritt der Bereitstellung von Kohlenstoff für die Aufkohlung ist.
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Die offenbarten Verfahren, die allgemein als diffusionsvariable Aufkohlung (oder DVA bzw. variable diffusion carburizing - VDCC) bezeichnet werden können, sind eine Verbesserung gegenüber separaten herkömmlichen Gasaufkohlungs- und Sinter-Aufkohlungsprozessen und beseitigen eine Reihe der jeweiligen Unzulänglichkeiten dieser Prozesse. Die Vereinigung von Aspekten beider Prozesse ermöglicht die Erzeugung einer maßgeschneiderten großen Härtetiefe von variabler Beschaffenheit, während gleichzeitig der Kostenaufwand gegenüber herkömmlichen Gasaufkohlungsprozessen reduziert wird.
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Das Verfahren umfasst auf hoher Ebene wiederum einen Schritt der Vorschmiede-Aufkohlung eines Teils mit weniger als Volldichte, einen Schmiedeschritt zur Erhöhung der Dichte des teilaufgekohlten Teils und zur Umwandlung eines Vorschmiede-Aufkohlungsprofils in ein Schmiedezustands-Aufkohlungsprofil, und einen Nachschmiede-Aufkohlungsschritt, in dem Kohlenstoff aus dem Schmiedezustands-Aufkohlungsprofil weiter in das Pulvermetallteil eindiffundiert und zusätzlicher Kohlenstoff an der Oberfläche des Pulvermetallteils eingetragen wird. Nunmehr wird jeder dieser Schritte näher beschrieben.
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Als ersten Schritt kann das Verfahren beispielsweise mit der Durchführung eines schonenden Aufkohlungsschritts an einem Pulvermetallteil mit weniger als Volldichte oder einem eisenhaltigen Rohling beginnen. Bei diesem Pulvermetallteil mit weniger als Volldichte kann es sich um einen Grünling handeln, der mit Hilfe herkömmlicher metallurgischer Verdichtungstechniken verdichtet wird, in denen das Teil im verdichteten Zustand der Endgeometrie des fertigen Teils nahe kommt, allerdings mit leichter Überdimensionierung zur Berücksichtigung der Schrumpfung vom Sintern des Teils. Es wird davon ausgegangen, dass das Pulvermetallteil als Grünling eine Dichte aufweisen kann, die beispielsweise kleiner als 90 % der theoretischen Volldichte ist.
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Dieses Pulvermetallteil mit weniger als Volldichte wird gesintert, um die Pulvermetallpartikel metallurgisch aneinander zu binden, wozu auch das Abbrennen von Wachs, Bindemittel oder Schmiermittel im Pulvermetallteil gehören kann. Wie oben angemerkt, wird im Zuge der Bindung und Zusammenziehung der Partikel des Pulvermetalls ein poröses Netzwerk gebildet. Während des Sintervorgangs, der bei erhöhten Temperaturen stattfindet, kann das Pulvermetallteil dann problemlos Kohlenstoff aus der Sinteratmosphäre aufnehmen, unter der Annahme, dass die Kohlenstoffkonzentration in der Sinteratmosphäre ausreichend hoch ist, um den Kohlenstoff thermodynamisch in den eisenhaltigen Pulvermetallgrünling hineinzutreiben.
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Bei der Zugabe von Kohlenstoff aus der Umgebung während des Sinterns handelt es sich um einen Sinter-Aufkohlungsprozess, der einen kontrollierten Kohlenstoffgehalt und eine kontrollierte Kohlenstofftiefe als anfängliches Aufkohlungsprofil erzeugt. Dieses anfängliche Aufkohlungsprofil wird unter Einbeziehung des nachfolgenden Schmiedeschritts auch als Vorschmiede-Aufkohlungsprofil bezeichnet. Wie im obigen Abschnitt angemerkt, der den Sinter-Aufkohlungsprozess beschreibt, ist aufgrund der Tatsache, dass das Pulvermetallteil eine unterhalb der Volldichte liegende Beschaffenheit aufweist, die Diffusionsrate sehr hoch, und so kann Kohlenstoff problemlos in das Teil eindringen, was zu einem tiefen Kohlenstoffprofil führt.
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Ein spezielles Beispiel des ersten Sinter-Aufkohlungsschritts ist in 4 dargestellt. In der Darstellung von 4 wird im oberen oder ersten Block mit einem eisenhaltigen Pulvermetallteil begonnen, das 0,10 bis 0,30 Gew.% Kohlenstoff enthält. Es ist wahrscheinlich, dass im Pulvermetallbauteil ein gewisser, wenn auch geringer, Anfangsgehalt von Kohlenstoff vorliegt, da das Ziel dieses Prozesses darin besteht, eine Randaufkohlungsschicht zu erzeugen und 0,10 bis 0,30 Gew.% Kohlenstoff für viele Anwendungen typisch ist; der besondere Kohlenstoffanteil ist jedoch letztlich abhängig von der Jominy-Materialkurve gegenüber der gewünschten Härte an verschiedenen Positionen und von der Art der in der Herstellung des fertigen Teils verwendeten Abschreckverfahren. Bei der Sinter-Aufkohlung kann sich eine angereicherte Kohlenstoffschicht mit etwa 0,50 bis 0,60 Gew.% Kohlenstoff entwickeln, wie im mittleren und zweiten Block von 4 dargestellt. Der untere und dritte Block zeigt an, dass mit zusätzlicher Kohlenstoffdiffusion und Zeitdauer das Kohlenstoffprofil in erheblichem Ausmaß migrieren kann und ein großzügiger Gradient zwischen der kohlenstoffreicheren äußeren Oberflächenschicht und dem Kern (der bei etwa 0,10 bis 0,30 Gew.% Kohlenstoff bleibt) erzeugt wird. Es ist zu beachten, dass diese Zahlen lediglich beispielhaft und nicht als einschränkend zu betrachten sind.
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Es wird nochmals ersichtlich, dass der erste Aufkohlungsschritt in den meisten Formen des Verfahrens gleichzeitig oder zeitgleich mit einem Sinterschritt stattfinden wird. Auf diese Weise kann das Eintragen von Kohlenstoff über das poröse Netz des Teils mit weniger als Volldichte bestens begünstigt werden. Die kombinierte Sinterung und Aufkohlung hat Einsparpotenzial und die Erwärmung des Teils für das Sintern kann auch zur Begünstigung der Diffusion von Kohlenstoff verwendet werden. Es ist jedoch auch davon auszugehen, dass der erste Aufkohlungsschritt separat vom Sintern erfolgen kann, obwohl in diesem Fall die separate Aufkohlung mit teilgebundenen Partikeln und noch nicht geschlossenen Poren am effizientesten wäre. Anders ausgedrückt, wenn das Teil gesintert und anschließend dann aufgekohlt wird, ist es wahrscheinlich, dass sich die Poren während des Sinterns großteils schließen und die Aufkohlung weniger wirksam wäre, sofern nicht der Prozess sorgfältig überwacht wird, um ein Schließen der Poren vor der Aufkohlung zu vermeiden.
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Als nächstes wird das Pulvermetallteil geschmiedet, um die Dichte unter geeigneten Materialflussbedingungen zu erhöhen. In einigen Formen kann hierzu gehören, dass die Dichte auf die effektive Volldichte erhöht wird, bei der es sich beispielsweise um die effektive Volldichte der MPIF handeln kann. Wie an anderer Stelle in dieser Offenbarung dargelegt, ist die effektive Volldichte kleiner als die theoretische Volldichte, kommt dieser aber oftmals nah. In einigen Formen kann diese effektive Volldichte bei mehr als 98 % der theoretischen Volldichte liegen, und die Dichte des Pulvermetallteils mit weniger als der Volldichte vor dem Schmieden kann kleiner als 95 % der theoretischen Volldichte sein. Diese Schmiedeschritt kann dazu führen, dass sich der oberflächige Kohlenstoffgehalt für das Pulvermetallteil infolge des Schmiedevorgangs leicht erhöht. Außerdem ist mit erfasst, dass man das geschmiedete Pulvermetallteil in einem nicht abgeschreckten Zustand abkühlen lassen kann.
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Viele der Endverwendungen der durch diese Verfahren hergestellten Teile verlangen von den Produkten Festigkeitseigenschaften, die durch das Schmieden erzielt werden, wobei die Dichte und damit die Festigkeit des Teils durch das Schmieden stark erhöht werden.
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Der Schmiedeprozess erhöht insbesondere nicht nur die Dichte des Pulvermetallteils, sondern kann auch das Vorschmiede-Aufkohlungsprofil in ein Schmiedezustands-Aufkohlungsprofil umwandeln. Diese Umwandlung kann einfach die gleichförmige Verdichtung dieses Teils und, im Prozess, eine nur leichte Veränderung der Abmessungen und des Randschichtprofils umfassen (wie es der Fall wäre, wenn das Pulvermetallteil vor dem Schmieden ein Vorschmiede-Aufkohlungsprofil von gleichförmiger Tiefe aufweist und das geschmiedete Pulvermetallteil ein Schmiedezustands-Aufkohlungsprofil von ebenfalls gleichförmiger Tiefe aufweist, auch wenn die Tiefen des Teils vor dem Schmieden und des geschmiedeten Teils infolge des Schmiedens und Verdichtens leicht unterschiedlich sind). In komplizierteren oder komplexeren Verfahren kann der Schmiedeprozess jedoch aufgrund eines variablen Materialflusses im Schmiedegesenk auch Teilabschnitte des Aufkohlungsprofils verdicken und/oder verdünnen. Wie dieses variable Schmieden zur Ab- oder Umwandlung der aufgekohlten Schicht verwendet wird, ist wiederum aus dem
US-Patent Nr. 8517884 mit dem Titel „Powder Forged Differential Gear“ ersichtlich, das am 27. August 2013 für GKN Sinter Metals, LLC erteilt wurde und durch Inbezugnahme hier für alle Zwecke vollumfänglich mit aufgenommen wird. Um ein unmittelbares Beispiel zu geben, könnte ein solches Aufkohlungsprofil wie im mittleren Block von
4 angegeben dadurch erzielt werden, dass ein Vorformling mit relativ gleichförmiger Härtetiefe geschmiedet wird, um die Härtetiefe in den Teilabschnitten des Zahnfußes zu verdünnen und die Härtetiefe in den Teilabschnitten des Zahnkopfes zu verdicken. Dazu sind der Vorformling (das heißt, des vorgeformten Pulvermetallteils) und das Werkzeug und die Pressform konstruktiv so auszulegen, dass die endgültige Außenflächengeometrie und die variable Härtetiefe im fertiggeschmiedeten Teil erreicht werden.
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Es sei auch angemerkt, dass sich aufgrund der Tatsache, dass nur eine Teilmenge des Kohlenstoffs im ersten Aufkohlungsschritt beigebracht wird (wobei der zusätzliche Kohlenstoff nach dem Schmieden angelegt wird), das Pulvermetallteil leichter schmieden lässt als ein Teil, in dem der gesamte Kohlenstoffgehalt vor dem Schmieden eingetragen wird, da ein starkes Aufkohlen eine harte, spröde Randschicht erzeugt, die sich schwer oder auch gar nicht schmieden lässt.
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Zudem ist der Schmiedeschritt hier so beschrieben, dass er die Dichte des Pulvermetallteils erhöht; in den meisten Fällen jedoch kann dies umfassen, dass das Pulvermetallteil auf die effektive Volldichte des Pulvermetallteils geschmiedet wird (effektiv ein Zustand, in dem während des Schmiedens nahezu sämtliche Poren geschlossen oder beseitigt wurden). Dennoch wird mit davon ausgegangen, dass Situationen auftreten können, in denen ein Pulvermetallteil, das zwar verdichtet ist, dessen Dichte aber kleiner als die effektiven Volldichte ist, eine für den Übergang zum zweiten Aufkohlungsschritt ausreichend geschlossene Porosität aufweisen könnte.
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An diesem Punkt und nach dem Schmieden und kontrollierten Abkühlen des Pulvermetallteils im geschmiedeten Zustand kann das fertiggeschmiedete Pulvermetallteil (jetzt mit erhöhter Dichte oder effektiver Volldichte) in einem Nachschmiede-Aufkohlungsschritt ein zweites Mal aufgekohlt werden. Da das Pulvermetallteil in dieser Phase mit erhöhter Dichte oder effektiver Volldichte vorliegt, kann das Pulvermetallteil aufgrund des vor dem Schmieden im ersten Aufkohlungsschritt eingetragenen Kohlenstoffs weitaus effizienter gasaufgekohlt werden. Während dieses zweiten Aufkohlungsschritts können somit sowohl der vorbestehende oder „dotierte“ oder „eingespeiste“ Kohlenstoff aus einer früheren Prozessphase weiter in das Pulvermetallteil eindiffundieren als auch zusätzlicher Kohlenstoff in die Oberfläche des Pulvermetallteils absorbiert werden, um eine besonders kohlenstoffreiche Außenzone oder Randschicht zu erzeugen. Da vorbestehender Kohlenstoff aus dem ersten Aufkohlungsschritt schon vorhanden ist, ist der zweite Gasaufkohlungsschritt nicht so stark zeit- und temperaturabhängig wie eine reine Gasaufkohlung eines Teils mit Volldichte, bei welcher der Kohlenstoff in einem einzigen Zyklus/Schritt eingebracht wird, und so wird die langsamen Diffusionsrate zu einem erheblichen Teil vermieden.
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Der Vorteil dieser Dotierung oder Einspeisung des Kohlenstoffs in das geschmiedete Teil wird in den 5A, 5B und 6 veranschaulicht. 5A zeigt das Profil der äußeren Oberfläche eines Teils eines Zahnradzahns gemeinsam mit der darunter liegenden Kohlenstoffschicht. Auch in dieser Darstellung ist das Pulvermetallteil geschmiedet und so weist die eingebrachte Kohlenstoffschicht aus dem ersten Aufkohlungsschritt eine variable Tiefe im Verhältnis zur Zahnoberfläche auf, mit einer dickeren Tiefe an den Zahnköpfen und einer dünneren Tiefe an den Zahnfüßen. In 5B ist das ursprüngliche Randschichtprofil (jetzt als gestrichelte Linie dargestellt) mit weiterer Gasaufkohlung dieses Teils in einem zweiten, nach dem Schmieden stattfindenden Aufkohlungsschritt mehr oder weniger gleichförmig weiter in den Körper des Teils vorgedrungen. Das ist auch in 6 schematisch dargestellt. In 6 illustrieren die ersten drei Blöcke einen Prozess ähnlich dem Prozess, der unter Verweis auf 4 beschrieben wurde, und dann entwickelt sich mit der zusätzlichen Gasaufkohlung in einem zweiten, nach dem Schmieden stattfindenden Aufkohlungsschritt das Profil des ganz rechts befindlichen Blocks, in dem der oberflächige Kohlenstoffgehalt sich auf etwa 0,70 bis 0,90 Gew.% Kohlenstoff erhöht, mit einem Übergang zu einem anderen kohlenstoffreicheren Bereich von 0,5 bis 0,6 Gew.% Kohlenstoff, bevor der Kern erreicht wird.
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Das sich ergebende Profil des Verfahrens mit zwei durch einen Schmiedeschritt getrennten Aufkohlungsschritten wird auch in den 3A und 3B dargestellt, die ein Vergleichsbild zu den Bildern der obigen 1A, 1B, 2A und 2B bereitstellen. In 3A wird ersichtlich, dass insbesondere im Vergleich zu den dargestellten Teilen, die durch den Schmiede- und Gasaufkohlungprozess aus 1A und 1B hergestellt wurden, und im Vergleich zu dem Prozess der Sinter-Aufkohlung und des Schmiedens aus 2A und 2B, eine tiefgehende und variable Härtetiefe erzeugt wurde, in der es einen beträchtlichen Kohlenstoffgradienten in der Übergangszone zwischen der gehärteten Außenfläche und dem Kern gibt. Gleichermaßen illustriert 3B die verteilte Härte, die einen großzügigen Gradienten und einen allmählichen Übergang zeigt.
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Neben dem verbesserten Gefüge und Randschichtprofil gibt es auch viele Prozessvorteile.
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Durch Verwendung eines geschmiedeten Teils im „dotierten“ oder voraufgekohlten Zustand kann das Pulvermetallteil im geschmiedeten Zustand einen oberflächigen Kohlenstoffgehalt aufweisen, der gegenüber einem nicht voraufgekohlten Pulvermetallteil nur um weniger als den hälftigen Betrag des Kohlenstoffgehalts erhöht ist. Das heißt, die Einwirkzeiten mit erhöhten Kohlenstoffkonzentrationen lassen sich während der Nachschmiede-Aufkohlung erheblich erhöhen. Gleichermaßen gilt für Pulvermetallteile mit einer großen Oberfläche - bei denen die Fähigkeit der Atmosphäre zum ausreichend schnellen Heranführen von Kohlenstoff an die Oberfläche des Teils ein ratenlimitierender Faktor ist -, dass diese Teile schneller verarbeitet werden können, da eine Teilmenge des in das Teil einzutragenden Kohlenstoffs bereits aus dem Vorschmiede-Aufkohlungsschritt im Teil vorliegt.
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Weiterhin ist bei Verwendung dieses Verfahrens die Härtetiefe bereits zu einem großen Teil im Oberflächennahbereich des Pulvermetallteils vorhanden, was einen reduzierten Zeit- und Energieaufwand für den weiteren Fortgang bedeutet. Dies kann zu einem allmählicheren Übergang zwischen Randschicht und Kern führen, wie in 3A und 3B dargestellt (in denen auch dargestellt ist, wie das variable Schmieden eingesetzt wird, um eine variierende Härtetiefe zu erzeugen). Dieser geglättete Übergang von der Randzone zum Kern reduziert letztlich die inneren Scherspannungen durch einen progressiven Spannungszustand, der auf die Leistungsanforderungen eines Produktes abgestellt werden kann.
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Darüber hinaus kann der Prozess auf niedrige Moduln, dünn ausgelegte Elementprodukte, zugeschnitten werden, wo in einem Prozess mit ausschließlich Sinter-Aufkohlung/Schmieden das Problem der Durchhärtung oder Ganzhärtung eine Rolle spielen kann. In solchen Prozessen ist aufgrund der geometrischen Gegebenheiten keine standardgemäße Sinter-Aufkohlung auf geschmiedete Endform möglich (das heißt, die dünnen Elemente können nicht ohne Bruch geschmiedet werden). Dieser zweistufige Aufkohlungsprozess kann jedoch die Fähigkeit zum effizienten Schmieden eines mit einer geringeren Menge von Kohlenstoff vorgefüllten Teils (das sich nach wie vor bruchfrei schmieden lässt) bereitstellen, woraufhin dieses Teil nach dem Schmieden einer weiteren Aufkohlung unterzogen wird, um den zusätzlichen Kohlenstoff für die gewünschte Endhärte zu erhalten.
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Zur Bewertung des ökonomischen Nutzens dieses neuen Verfahrens wird eingeschätzt, dass dieses neue Verfahren - in welchem der Kohlenstoff vor dem Schmieden in das Pulvermetallteil dotiert oder eingespeist wird - in der Lage ist, die Kosten der im Anschluss an das Schmieden erfolgenden Gasaufkohlung um etwa 40 % gegenüber Verfahren zu erhöhen, die nur die Gasaufkohlung eines Pulvermetallteils ohne vorhergehende Dotierung oder Einspeisung von Kohlenstoff umfassen. Diese beispielhafte 40%ige Kostenreduzierung fußt auf einer erhöhten Durchsatzleistung und einem reduzierten Zeitaufwand für die Einhaltung der gleichen oder größerer Kohlenstoffeindringtiefen, indem als Aufkohlungsverfahren allein die Nachschmiede-Gasaufkohlung verwendet wird. Es sei besonders angemerkt, dass der Sinter-Aufkohlungsschritt für die Aufkohlung des Pulvermetallteils vor dem Schmieden keinen umfangreichen zusätzlichen Kapitalaufwand für die Realisierung bedeutet. Im Vergleich zur herkömmlichen Sinter-Aufkohlung, bei welcher der gesamte Kohlenstoff in diesem einen Prozess eingetragen wird, ist der erste Aufkohlungsschritt vor dem Schmieden nicht darauf ausgelegt, den kompletten Kohlenstoff in einer einzigen Zugabe oder Dosis einzubringen, und hat deshalb geringere Realisierungskosten und eine allgemeine höhere Durchsatzleistung als herkömmliche Sinter-Aufkohlungsprozesse.
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Aufgrund der Trennung der Aufkohlungsschritte - also vor und nach dem Schmiedeschritt - gibt es keine Möglichkeit oder keinen Vorteil eines direkten Abschreckens oder Anlassens aus der Schmiedepresse. Das geschmiedete Produkt ist daher per Definition ein nicht wärmebehandeltes Produkt, das maschinell entsprechend der geforderten Endgeometrie weich bearbeitet werden kann. Dies kann auch bei Produkten mit mäßiger bis hoher maschineller Bearbeitung zu Kostensenkungen führen, da das Weichdrehen generell nicht so aufwändig wie das Hartdrehen ist, während die zusätzliche Reduzierung der Kosten des Gasaufkohlungsvorgangs nach wie vor realisiert wird.
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Während die hier beschriebenen Verfahren mehr Verarbeitungsschritte als die alleinige vollständige Sinter-Aufkohlung aufweisen, umfassen diese neuen Verfahren nicht mehr Schritte als herkömmliche Gasaufkohlungsprozesse, da diese Prozesse bereits Sintern, Schmieden und Gasaufkohlung umfassen. Die hier beschriebenen Verfahren bieten somit eine höhere Ökonomie und gleichzeitig eine Möglichkeit für hochentwickelte Randschichtprofile, die in einstufigen Aufkohlungsverfahren bis dato so noch nicht da gewesen sind.
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Es ist zu ersehen, dass an den bevorzugten Ausführungsformen verschiedenen andere Modifikationen und Abwandlungen innerhalb des Wesen und Umfangs dieser Erfindung vorgenommen werden können. Deshalb soll die Erfindung nicht auf die beschrieben Ausführungsformen beschränkt werden. Zur Ermittlung des Gesamtumfangs der Erfindung ist auf die folgenden Ansprüche Bezug zu nehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 62/833407 [0001]
- US 8517884 [0016, 0046]
