-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenhärten der Lager-
und Kurbelzapfen von stählernen Kurbelwellen und der Ausrundungszonen am Übergang
der Zapfen in die Kurbelwangen, um dis Herstellung der Kurbelwellen und deren Verschleißeigenschaften
an den betreffenden Wellenstellep 7.11 verbessern.
-
Bei der konstruktiven Durchbildung von Kurbelwellen hat es sich als
besonders erwünscht erwiesen, an Stelle eines scharfen linienförmigen Überganges
an den Verbindungen zwischen den Enden der Lager-und Kurbelzapfenoberflächen und
den Stirnflächen der Kurbelwangen Ausrundungen vorzusehen, um die Ermüdungsfestigkeit
der Kurbelwelle an den Enden der Lagerzapfen und der Kurbelzapfen zu erhöhen, wo
die Kurbelwelle während des Betriebes ihren härtesten Beanspruchungen ausgesetzt
ist, und um dadurch auch die Möglichkeit von Brüchen und Kurbelwellenbeschädigungen
oder Zerstörungen an diesen Stellen während des Betriebes so klein wie möglich zu
halten. Zur weiteren Steigerung dieses Verstärkungseffekts an den Ausrundungszonen
ist es auch bereits üblich, die Kurbelwelle an den Ausrundungszonen nach verschiedenen,
auf dem Gebiet der Oberflächenhärtung bekannten Verfahren zu härten, die in den
kritisch beanspruchten Bereichen günstige Restdruckspannungen erzeugen.
-
Die Oberflächen der Lager- und Kurbelzapfen sind einem starken Verschleiß
ausgesetzt, insbesondere wenn die Kurbelwelle unter schwerer Beanspruchung arbeitet,
und zum Herabsetzen dieses Verschleißes ist es ebenso seit längerem üblich, die
Oberflächen der Lager- und Kurbelzapfen durch verschiedene Oberflächenhärtungsverfahren
zu behandeln.
-
Bei einem solchen Härten der Zapfenoberflächen und Ausrundungszonen
werden z. B. die zu härtenden Teile schnell erwärmt und dann abgeschreckt. Das Erwärmen
der Teile kann durch sehr starken, mittelfrequenten, induzierten elektrischen Strom
erfolgen, den man nahe der Oberfläche der zu härtenden Gegenstände zirkulieren läßt;
der Stromfluß wird nach dem bekannten Induktionsverfahren erzeugt, wobei in geeigneter
Weise gestaltete Induktoren rings um dieZapfenoberflächen und dieAusrundungszonen
angebracht sind und Strom durch diese hindurchgeleitet wird, wodurch in den zu härtenden
Oberflächenbereichen ein sekundärer oder Heizstromfluß erzeugt wird. Die Kurbelwelle
kann gegebenenfalls während des Induktionshärtungsvorganges gedreht werden. Sobald
die Teile die geeignete Temperatur erreicht haben, wird der Strom unterbrochen,
und die Teile werden unmittelbar darauf abgeschreckt, wodurch der Härtungsvorgang
abgeschlossen wird. Das Härten nach dieser sogenannten Induktionstechnik ist jedoch
nicht frei von Nachteilen, da das erforderliche Glühen oft Restspannungen in der
Kurbelwelle hervorruft, derart, daß sich die Kurbelwelle nach einem Glüh- und Abschreckvorgang
verformt und ihre ursprüngliche Gestalt verliert, insbesondere zwischen den Kurbelwangenstirnflächen,
so daß es er- i forderlich ist, die Welle zu richten, wodurch jedoch erneut unerwünschte
Zugspannungen in diesen sehr kritischen Bereichen an der Welle hervorgerufen werden,
wo die Welle den höchsten Arbeitsbeanspruchungen nach ihrem Einbau in eine Maschine
oder i einen Kompressor ausgesetzt ist. Es ist auch gut möglich, daß das Kurbelwellenmaterial
während der Richtoperationen keine ausreichende Duktilität bzw. Verformbarkeit besitzt,
um das Entstehen von Haarrissen zu vermeiden, mit der Folge, daß häufig derartige
Kurbelwellen als Ausschuß ausgeschieden und verschrottet werden müssen. Zusätzlich
können in der Übergangszone zwischen den gehärteten und den nicht gehärteten Bereichen
hohe örtliche Zugspannungen vorhanden sein, was weiterhin der Lebensdauer der Kurbelwelle
abträglich sein kann, insbesondere wenn sich die Übergangszone in unmittelbarer
Nähe der kritischen Ausrundungsbereiche befindet.
-
Obgleich die Induktionshärtung der Zapfenoberflächen selbst nicht
sehr schwierig ist, ist es ziemlich schwer, eine gleichmäßige Härtung in den Ausrundungszonen
zu erzielen, was auf der Schwierigkeit beruht, die Induktoren in diesen Bereichen
derart anzuordnen, daß der Fluß des induzierten Stromes mit dem gewünschten gleichmäßigen
Härtungsbild in den Ausrundungszonen übereinstimmt. Ein Richten nach der Härtungsbehandlung
wird daher äußerst schwierig.
-
Eine andere allgemein verwendete Technik zum Härten der Lageroberflächen
und der Ausrundungsbereiche von Kurbelwellen ist das Nitrieren oder Nitrierhärten.
Ein allgemein übliches Nitrierverfahren ist ein Vorgang, bei dem die Kurbelwelle
in einer abgeschlossenen Glocke oder irgendeinem anderen abgeschlossenen Ofenraum
angeordnet wird, wobei diejenigen Teile der Kurbelwelle, die gehärtet werden sollen,
der Einwirkung wasserfreien Ammoniakgases bei einer Temperatur von etwa 510 bis
etwa 580° C für eine längere Zeitdauer ausgesetzt werden. Durch Dissoziation des
Ammoniaks werden Nitride in den Oberflächenschichten der Zapfenoberflächen und der
Ausrundungszonen gebildet. Der Vorteil dieser Art Härtevorgang ist der, daß auf
Grund der verhältnismäßig geringen Nitriertemperatur und da das Abschrecken entfällt,
das Härten mit einem Minimum an Deformationszugspannungen in der Kurbelwelle ausgeführt
werden kann, wodurch nach dem Nitrieren nur ein äußerst geringes Ausrichten erforderlich
ist. Zusätzlich ergeben sich durch die Nitrierschicht starke Druckspannungen in
der Oberflächenschicht, da sie sich in ihrem Volumen ausdehnt, was sowohl eine erhöhte
Biegefestigkeit als auch eine erhöhte Verschleißfestigkeit ergibt. Da die meisten
Ermüdungsbrüche ihren Ausgang von hohen Zugspannungen in den kritischen Ausrundungszonen
an der äußeren Oberfläche nehmen, verringert die durch die Nitrierung verursachte
Gitterspannung die Größe der Zugspannungen, die durch betriebsmäßige Beanspruchung
hervorgerufen werden, womit die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle erhöht wird.
-
Während des Nitrierens wird die Kurbelwelle mittels bekannter Einrichtungen
vorzugsweise an einem Ende in einer vollkommen passiven Art und Weise abgestützt.
Ein anderer Vorteil des Härtens durch Nitrieren ist der, daß eine ideale Kontrolle
des Härtungsbildes in den Ausrundungszonen erhalten werden kann, da die Bereiche,
die ungehärtet bleiben sollen, wirksam und in wirtschaftlicher Weise abgedeckt werden
können.
-
Ein vielen Nitrierprozessen anhaftender Nachteil ist der, daß eine
beträchtliche Zeitdauer erforderlich ist, um eine praktisch brauchbare Härtungstiefe
an den Zapfenoberflächen zu erhalten, was bei einigen Verfahren 100 Stunden und
mehr in Anspruch nehmen kann. Ein zweiter Nachteil des Nitrierens ist der, daß die
an den Lageroberflächen erhaltene Härtungstiefe
unter dem Optimum
liegt, und als dritter Nachteil ist anzugeben, daß der Nitriervorgang Anlaß für
die Bildung einer sehr harten und spröden Haut von Eisennitriden von etwa 0,013
bis etwa 0,025 mm Dicke in den äußersten Oberflächenschichten gibt, die in bekannter
Weise durch Schleifen oder andere bekannte Verfahren entfernt werden muß, bevor
die Kurbelwelle in Gebrauch genommen werden kann.
-
Kurbelwellen, deren Zapfenoberflächen im neuen Zustand gehärtet worden
sind, können auf verschiedene Art und Weise auf- oder nachgearbeitet werden. An
einer nitrierten Welle können die verschlissenen Zapfenlageroberflächen abgeschliffen
werden, bis eine einheitlich bemessene unverschlissene Basistiefe erreicht ist,
und dann können die Zapfenoberflächen durch Chromplattieren wieder auf ihre ursprüngliche
Größe aufgebaut werden. Eine Kurbelwelle mit induktionsgehärteten Zapfenoberflächen
kann so lange abgeschliffen werden, bis eine im Durchmesser einheitliche Grundtiefe
ohne Abnutzungserscheinungen erreicht ist - wobei hier eine größere Flexibilität
gegeben ist, da der Induktionshärtungsvorgang bis in eine größere Tiefe reicht,
als es mit Nitrieren möglich ist - und die Untermaß aufweisenden Zapfenoberflächen
mit geeignet bemessenen Lagern ausgerüstet sind. Dieses Verfahren ist besonders
vorteilhaft, wenn die Möglichkeit des Chromplattierens zum Aufbau der abgenutzten
Oberflächen nicht gegeben ist.
-
Es ist somit zu erkennen, daß eine Kurbelwelle, deren Zapfenoberflächen
und Ausrundungen durch Induktionsglühen und Abschrecken gehärtet worden sind, gewisse
Vorteile ebenso wie Nachteile besitzt, was in gleicher Weise auf das Härten durch
Nitrieren zutrifft.
-
Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, eine Härtungsteehnik
für die Zapfenoberflächen und Ausrundungszonen von Kurbelwellen zu schaffen, die
die Vorteile der beiden obengenannten Verfahren in sich vereint, ohne jedoch ihre
Nachteile zur Folge zu haben.
-
Diese Aufgabe findet ihre Lösung nach der Erfindung durch die Kombination
folgender an sich bekannter Verfahrensschritte: a) Zapfen- und Ausrundungszonen
werden bei einer Temperatur von 510 bis 580° C einer Nitrierhärtung unterzogen;
b) anschließend wird nur der Laufflächenabschnitt des oder der Zapfen zur Steigerung
der Härte und Vergrößerung der Eindringtiefe einer Abschreekhärtung unterzogen,
wobei dieser Bereich schnell auf die dem betreffenden Stahl entsprechende Austenitisierungstemperatur
erwärmt und dann auf Martensittemperatur abgeschreckt wird.
-
Dabei wird der Laufflächenabschnitt eines jeden Zapfens für die anschließende
Abschreckhärtung zweckmäßigerweise induktiv erwärmt.
-
Die Erfindung bietet den Vorteil, daß die Kurbelwellen an den durch
Nitrierhärten behandelten Ausrundungszonen Sprüngen und Brüchen bei Belastung in
erhöhtem Maße standhalten. Durch die anschließende Abschreckhärtung besitzt außerdem
die Kurbelwelle an denZapfenabschnitten eine beispielsweise gegenüber einer normalen
Induktionshärtung erhöhte Härte und eine optimale Einhärtetiefe unter Vermeidung
der bei den üblichen Härteverfahren erforderlichen Nachbearbeitung der Zapfenoberflächen
oder eines Nachrichtens der ganzen Kurbelwelle nach der Härtung.
-
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert.
In dieser zeigt F i g. 1. einen Abschnitt einer Kurbelwelle, teilweise im Schnitt
und teilweise in der Ansicht, und F i g. 2 ein Diagramm, in dem die Härte im Verhältnis
zur Einhärtetiefe für die Zapfenabschnitte der Kurbelwelle nach Anwendung verschiedener
Härtetechniken einschließlich derjenigen nach der Erfindung eingezeichnet ist.
-
Die in der Zeichnung mit 1 bezeichnete Kurbelwelle besitzt mehrere
Lagerzapfen 2 und Kurbelzapfen 3, die gegenüber den Lagerzapfen
2 durch Kurbelwangen bzw. -arme 4 axial versetzt sind. In den Endzonen,
wo die Lagerzapfen und die Kurbelzapfen in die Kurbelwangen 4 übergehen,
wird dieser Übergang durch Herstellen von Ausrundungen mit einem großzügig bemessenen
Radius 5 vorzugsweise so ausgebildet, daß kein scharfer Übergang vorhanden ist.
Wie oben ausgeführt, sind solche Ausrundungen erwünscht, um die Ermüdungsfestigkeit
der Kurbelwelle in diesen besonders kritischen Zonen, in denen die Welle ihren härtesten
Beanspruchungen während des Betriebes ausgesetzt ist und wo erwiesenermaßen die
meisten Kurbelwellenschäden eintreten, zu steigern.
-
Die Kurbelwelle kann aus herkömmlichen nitrierbaren Stählen hergestellt
sein, die der Norm A. I. S. I. 4130 oder 4140 entsprechen und gemäß Metals Handbook,
Ausgabe 1948, S. 308, folgende Zusammensetzung besitzen:
| Norm A. I. S. I. C Mn maximal maximal Si Cr Mo |
| Nr. 4130 ..... 0,28 bis 0,33 0,40 bis 0,60 0,040 0,040
0,20 bis 0,35 0,80 bis 1,10 0,15 bis 0,25 |
| Nr. 4140 ..... 0,38 bis 0,43 0,75 bis 1,00 0,040I 0,040
0,20 bis 0,35 |
| 0,80 bis 1,10 0,15 bis 0,25 |
Nach der verbesserten Härtungstechnik wird als Anfangshärtung der Ausrundungszonen
und der Lager- und Kurbelzapfenoberflächen die an sich bekannte Nitrierhärtung angewendet.
Diese Nitrierhärtung kann in herkömmlicher Weise durchgeführt werden, z. B. mit
einer Vorrichtung, in der die Kurbelwelle an einem Ende abgestützt ist, um Verwindungs-
und Verformungsspannungen während des Erwärmens so gering wie möglich zu halten.
Die Nitrierhärtung erfolgt bei einer Temperatur von etwa 510 bis 580° C und wird
so lange fortgesetzt, bis eine Härtungsschicht von ausreichender Tiefe gebildet
worden ist, um die gewünschten Druckspannungen und die daraus resultierende Steigerung
der Ermüdungsfestigkeit in den kritischen Ausrundungszonen zu erzeugen. Da die Lagerzapfen-
und Kurbelzapfenoberflächen
2 und
3 ebenso mitgehärtet werden, weisen
auch diese Oberflächen einen gewissen
Gehalt an »weißer Schicht«
auf, die aus einem harten, spröden, stickstoffreichen Material, zumeist Fe2N und
Fe4N besteht, und besitzen an dieser Stelle des Härtungsvorganges eine geringere
als die optimale Härtungstiefe. Eine typische Einhärtetiefe und eine Wiedergabe
der nitrierten Teile unterhalb der Oberfläche der Kurbelwelle ist durch die gestrichelten
Linien 6 in F i g. 1 dargestellt.
-
Das weitere Härten der Lager- und Kurbelzapfen erfolgt gemäß der Erfindung
dadurch, daß anschließend nur der Lauflächenabschnitt des oder der Zapfen zur Steigerung
der Härte und Vergrößerung der Eindringtiefe einer Abschreckhärtung unterzogen wird,
wobei dieser Bereich schnell auf die dem betreffenden Stahl entsprechende Austenitisierungstemperatur
erwärmt und dann auf Martensittemperatur abgeschreckt wird. Das erforderliche schnelle
Erwärmen der nitrierten Lagerzapfen- und Kurbelzapfenoberflächen kann in geeigneter
Weise durchgeführt werden, doch hat sich die Induktionserwärmung als praktisch am
brauchbarsten erwiesen, da bei ihr die zu erwärmende Zone, d. h. die Zapfenoberflächen,
jedoch nicht die Ausrundungen, sehr einfach durch entsprechende Gestaltung der rings
um die Zapfenoberflächen angeordneten Induktoren überwacht werden kann.
-
Die Abschreckhärtung, bei der die Induktionserwärmung mit einer Frequenz
von 3000 Hz durchgeführt werden kann, steigert die Tiefe der anfänglich durch Nitrieren
bewirkten Härtung; eine typische Einhärttiefe und ein Bild der zusätzlichen Härtung,
wie sie an den Lager- und Kurbelzapfen ausgebildet ist, ist durch die strichpunktierten
Linien 7 angedeutet. Selbstverständlich ist die Tiefe der strichpunktierten Linien
7 ebenso wie die der gestrichelten Linien 6, wie sie in der Zeichnung dargestellt
sind, nicht maßstabgerecht, sondern überhöht gezeichnet, um die Zeichnung anschaulicher
zu gestalten. Darüber hinaus ist zusätzlich zu der Vergrößerung der Einhärtetiefe
die Härte des Stahles selbst, z. B. A. I. S. I. 4130, auf einen Wert gebracht, der
höher ist, als er üblicherweise durch herkömmliches Induktionshärten für diesen
gleichen Stahl erhalten wird, was in der vergleichenden graphischen Darstellung
der F i g. 2 gezeigt ist.
-
Es ist ersichtlich, daß durch eine zweistufige Härtungstechnik für
Kurbelwellen gemäß der Erfindung eine in ihren Festigkeitseigenschaften den bisherigen
Erzeugnissen überlegene Kurbelwelle hergestellt wird, die besser dazu geeignet ist,
den betriebsmäßigen Beanspruchungen und Belastungen über längere Zeit ohne Schaden
im Vergleich zu einer entsprechenden, nach einem herkömmlichen Induktionshärteverfahren
behandelten Kurbelwelle standzuhalten. Ferner ist der Härtevorgang selbst an den
Zapfenoberflächen und den Ausrundungszonen vorteilhafter, da man so in der Lage
ist, die Entstehung von gefährlichen, stark verformenden Zugspannungen in den kritischen
Ausrundungszonen, wie man sie an induktionsgehärteten Kurbelwellen festgestellt
hat, herabzusetzen, wenn nicht sogar gänzlich zu vermeiden. Durch die genannten
Beanspruchungen wird nämlich nicht nur die Gefahr der Bildung von Oberflächenfissuren
in diesen Bereichen erhöht, sondern sie führen auch zu wirklichen Verformungen an
der Welle selbst, die dann ein Richten der Welle erforderlich machen, wodurch sich
weitere unerwünschte Spannungszustände in der gerichteten Welle ausbilden. Zusätzlich
zur Bildung gehärteter Ausrundungszonen mit günstigen Restdruckspannungen zur Verbesserung
der Ermüdungsfestigkeit der Welle an diesen kritischen Bereichen, wo die meisten
Kurbelwellenbrüche eintreten, können die Zapfenoberflächen selbst bis in eine größere
Tiefe und bis zu einem höheren Härtegrad gehärtet werden, was bisher mit der alleinigen
Anwendung entweder des Nitrierhärtens oder des Induktionshärtens nicht zu erreichen
war. Weiter wird die unerwünschte »Weißschicht«-Eigenschaft, die vorher mit dem
Nitriervorgang verbunden war, tatsächlich in dem Bereich der Lagerzapfen und der
Kurbelzapfen ausgeschaltet, und zwar durch den zweiten Härtungsvorgang.