DE1955010C3

DE1955010C3 - Verfahren zur Oberflächen vergütung eines Zapfenkreuzes

Info

Publication number: DE1955010C3
Application number: DE1955010A
Authority: DE
Inventors: Wenjamin D. Kalner; Wladimir F. Nikonow; Anatolij G. Orlowskij; Grigorij A. Ostrowskij; Alexandr M. Ryskind; Konstantin S. Schepeljakowskij; Isaak N. Skljarow; Stanislaw I. Smirnow; Anatolij L. Stepin
Original assignee: Moskowskij Dwaschdij Ordena Lenina I Ordena Trudowogo Krasnogo Snameni Awtomobil'nij Sawod Imeni Ia Lichatschewa Moskau
Current assignee: Moskowskij Dwaschdij Ordena Lenina I Ordena Trudowogo Krasnogo Snameni Awtomobil'nij Sawod Imeni Ia Lichatschewa Moskau
Priority date: 1968-10-31
Filing date: 1969-10-31
Publication date: 1974-04-11
Also published as: US3655466A; GB1223960A; DE1955010B2; FR2022061A1; DE1955010A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenvergütung eines Zapfenkreuzes, insbesondere für Kardangelenke, aus unlegiertem oder niedriglegiertem Stahl mit verminderter Durchhärtbarkeit, der 0,4 bis 1,2% Kohlenstoff und 0,1 bis 0.3% Mangan enthält und dessen in Nadeln gelagerte Zapfen während des Betriebes in den an der Basis der Zapfen befindlichen Bereichen und in den mit den Nadeln des Lagers in Berührung stehenden Bereichen unterschiedliche Belastungsarten aufnehmen müssen.

Zapfenkreuze, insbesondere für Kardangelenke, werden unterschiedlichen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, deshalb müssen sie an ihren Lagerstellen eine besonders hohe Härte aufweisen, andererseits dürfen sie jedoch nicht so spröde sein, daß sie durch die übertragenen statischen und dynamischen Belastungen zerbrechen. Diesen unterschiedlichen Anforderungen wurde man bisher nur gerecht, wenn man teure hochlegierte Stähle verwendete, die die erforderlichen plastischen Eigenschaften aufwiesen.

Es ist bekannt, um eine ausreichende Härte der Lagerflächen an den Zapfen von Universalgclenken zu erzielen, durch Induktion gemäß der USA.-Patentschrift 3 039 183 Zu härten.

Aus der deutschen Patentschrift 881 352 ist ein Verfahren bekannt, bei durchgehend oder nur an der Oberfläche gehärteten Werkstücken aus Stahl durch elektroinduktives Anlassen die plastischen Eigenschäften zu fördern, wobei die dem Heizgerät zugekehrten Flächen des vorzugsweise bei hohen Temperaturen gehärteten Werkstückes während des Aufheizens zum Anlassen regelbar derart gekühlt werden, daß über den gesamten Querschnitt eine gleichmäßige Anlaßtemperatur oder eine gegen die Außenflächen abnehmende Temperatur vorzugsweise zwischen 100 und 300° C erreicht wird.

Ein derartiges Verfahren ist durch die einstellbare Oberflächenkühlung sehr aufwendig und kompliziert, außerdem ist der Härteverlauf über die gesamte Oberfläche nicht wesentlich abstufbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Oberflächenvergütung von Zapfenkreuzen aus unlegiertem oder niedriglegiertem Stahl mit verminderter Durchhärtbarkeit anzugeben, das Zapfenkreuze h -rzustellen erlaubt, die im Bereich der Lagerstellen für die Nadeln eine sehr hohe Oberflächenhärte, andererseits im Bereich der Basis der Zapfen eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen konstante und schlagartige Biegebelasturgert aufweist.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreich;, daß das Zapfenkreuz insgesamt oberflächengehärtet wird und daß anschließend die Zapfen an den Bcrührungsstellen mit den Nadeln des Lagers über 6 bis 12 Sekunden auf eine Temperatur von 100 bis 200 C und eine Härte von 60 bis 67 HRC, die Stellen des Zapfenkreuzes in der Zapfenbasis 6 bis 12 Sekunden auf eine Temperatur von 450 bis 650° C und eine Härte von 50 bis 56 HRC angelassen werden.

Vorteilhaft kann das Verfahren auf ein Zapfenkreuz aus einem Stahl, der 0,4 bis 1,2% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,3% Mangan, 0,13% Chrom, 0,2% Nickel und 0,04% Titan enthält, angewendet werden.

Vorzugsweise kann das Verfahren auf ein Zapfenkreuz, das aus einem Stahl mit den zuvor genannten Zusammensetzungen, jedoch mit 0,6 % Kohlenstoff und 0,17% Mangan hergestellt ist, angewendet werden.

Das erfindungsgemäß oberflächen, vergütete Zapfenkreuz ist bedeutend billiger, da zu seiner Fertigung unlegierter Stahl bzw. niedriglegierter Stahl verwendet wird. Seine Wärmebehandlung erfordert kein langwieriges Einsatzhärten, danach besitzt die Oberflächenschicht in der Nähe der Basis der Zapfen eine geringere Härte, wodurch die Festigkeit und damit die Lebensdauer des Zapfenkreuzes erhöht wird. Auch erlaubt die Erfindung die automatische Herstellung der Zapfenkreuze.

Versuchsergebnisse haben gezeigt, daß das erfindungsgemäß oberflächenvergütetc Zapfenkreuz im Vergleich mit einem aus legiertem Stahl gefertigten Zapfenkreuz mit einer einsatzgehärteten 1,6 bis 2,0 mm starken Schicht eine Widerstandsfähigkeit gegen Biegebeanspruchung hat, die bei konstanter Belastung um 75 bis 80% größer ist. Gleichzeitig ist die Widerstandsfähigkeit gegen Schlagbeanspruchung um 300% größer, obwohl die Widerstandsfähigkeit gegen unterschiedlich große Kontaktbelastungen die gleiche ist. Hiervon kann man sich am besten an Hand der Tabelle überzeugen.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein vollständiges Zapfenkreuz mit Nadellagern in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Anordnung zum ungleichförmigen Anlassen des Zapfenkreuzes durch Induktionserhitzung,

F i g. 3 das Makrogcfüge eines Zapfenkreuzes nach der Erfindung,

ρ ig. 4 das Makrogeiüge eines bekannten, wärmebehandelten Zapfenkreuzes aus legiertem Stahl.

Das Zapfenkreuz besteht aus einem massiven Körper 1 {Fig. 1) mit vier hervorstehende:; Zapfen 2. Auf jedem Zapfen 2 wird ein Lugt:r 3 riiii einem Lage^'uge 4 und Nadeln 5 aufgesetzt, ijus Lager 3 besitzt Stopfbuchsen 6 und 7, um ein Ausließen von Schmierstoffen zu verhüten. Die Lager 3 werden auf alle vier Zapfen 2 aufgesetzt.

Während des Betriebs wirken auf die Bereiche der Zapfen 2, die mit den Lagernadeln 5 in Berührung stehen, hohe Druckkräfte. Die Bereiche des Zapfen·· 2, die nicht mit den Lagernadeln 5 in Berührung stehen und die sich unterhalb der abdichtenden Stopfbuchsen 6 und 7 befinden, sind derartigen Kräften nicht ausgesetzt. Konstante Belastungen und Schlagbeanspruchungen des Zapfenkreuzes I rufen jedoch hohe Spannungen an der Basis der Zapfen 2 im Querschnitt/-/ hervor. Die Bereiche der Zapfen 2. welche Druckkräften gut widerstehen, können weniger widerstandsfähig in bezug auf durch Bk'uemomente hervorgerufene Zugkräfte sein. Umgekehrt können Bereiche, die gut z'-m Aufnehmen von Zugspannungen geeignet sind, eine geringere Widerstandsfähigkeit gegen hohe Druckkräfte besitzen. Deshalb werden, wenn eine hohe Härte (> 60 HRC) der Zapfen 2 an den Berührungsstellen mit den Lagernadeln 5 beibehalten wird und die Härte in der Nähe der Basis der Zapfen 2, d. h. an den Stellen mit den höchsten Zugkräften, auf 50 bis 5h HRC gesenkt wird, gleichzeitig eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen hohe Druckkräfte und eine erliöhte Festigkeit des gesamten Zapfenkreuzes während des Betriebs erhalten. Ein Senken der Härte auf 50 bis 56 HRC an der Basis der Zapfen 2 ist möglich, da an diesen Stellen die Zapfen 2 durch die abdichtenden Stopfbuchsen 6 und 7 berührt werden und keine hohen Spannungskonzentrationen vorhanden sind.

Diesen Bedingungen entspricht das in Fig. 1 dargestellte Zapfenkreuz, Es ist aus Stahl mit verminderter Durchhärtbarkeit und mit einem Gehalt von 0,4 bis 1,2%, vorzugsweise 0,6% Kohlenstoff sowie von 0,1 bis 0,3Vo, vorzugsweise 0,17Vn Mangan, gefertigt. Außerdem enthält das Zapfenkreuz 0,13 V» Chrom, 0,2V» Nickel, 0,04V»Titan. Die Oberflächenhärte der Zapfen 2 des Zapfenkreuzes beträgt an ihren Berührungsstellen mit den Lagernadeln 5 ύθ bis ίο 67 HRC und in der Nähe der Basis 50 bis 56 HRC.

Das Behandlungsverfahren eines Zapfenkreuzes, das aus Stahl der obengenannten Zusammensetzung mit verminderter Durchhärtbarkeit gefertigt ist, wodurch die gewünschte ungleichmäßige Härte an den Zapfen 2 erhalten wird, besteht aus dem Härten und darauffolgendem Anlassen mittels Induktionserhitzung. Beim Anlassen werden die Zapfen 2 an den Stellen, die mit den Lagernadeln in Berührung stehen, während 6 bis 12 Sekunden auf eine Temperatur von 100 bis 200° C und in der Nähe der Zapfenbasis während 6 bis 11 Sekunden auf eine Temperatur von 450 bis 650° C irtiitzt.

Zu diesem Zweck werden Stromleiter 8 eines Induktors mit auf ihnen aufgesetzten Magnetleitern 9 in der Nähe des Zapfenkreuzkörpers so angeordnet, wie dies aus F i g. 2 ersichtlich ist. Bei einer derartigen Anordnung des Induktors entsteht eine große Stromdichte an der Basis der Zapfen 2 und eine geringere Stromdichte an deren Stirnseiten. Bei kurzzeitiger Erhitzung (6 bis 12 Sekunden) hat die Wärmeleitfähigkeit des Metalls praktisch keine ausgleichende Wirkung und die Zapfenbereiche, die mit den Lagernadeln 5 in Berührung stehen und sich näher an den Stirnflächen befinden, werden bei niedrigen Temperaturen (100 bis 200° C) angelassen. Die Zapfenbereiche dagegen, welche sich in' der Nähe des Zapfenkreuzkörpers befinden, werden bei bedeutend höheren Temperaturen (450 bis 650° C) angelassen.

Festigkeitseigenschaften Biegeversuche mit Zapfenkreuzen bei konstanter und Schlagbelastung

Stahl

Stahl mit verminderter
Durchhärtbarkeit
C — 0,6 »/0
Mn—0,17»/.
Cr-0,13·/»
Ni- 0,2 Vo
Ti —0,04Vo

Wärmebehandlungsart

Max. Biege-

moment bei

konstanter

Belastung

kp-m

Härten nach tiefer Induktionserhitzung, ungleichmäßiges Elektroanlasscn, das eine Härteverteilung längs der Zapfen entsprechend den Betriebserfordernissen von 63 bis 50 HRC bei 2 mm und größerer Tiefe der gehärteten Schicht gewährleistet

C —0,2"'.
Cr-0,10Ve
Ni-I₁OVe
Ti—0,05 V»

P —0.003·/· I

. Einsatzhärten auf 1,6 bis 2 mm Tiefe, Härten, gleichmäßiges Elcktroanlassen im Ölbad tx\ 180" C im Laufe von 90 Minuten bis zum Erreichen einer Härte von 61 HRC

Brucharbeit

bei

Schlagbeanspruchung

kp-m

1150

700

Zeitspanne bis zum Auftreten von Eindrücken

bei Versuchen mit geschltweiiem Kreislauf

auf einem Prüfstand und bei 220 kp-m Drehmoment am Zapfenkreuz Stuniicn

90

Beim Härten des Zapfenkreuzes, das aus Stahl mit verminderter Druckhärtbarkeit gefertigt ist, entsteht an der ganzen Oberfläche eine mehr als 1,5 mm dicke Martensitschicht 10 (Fig. 3) mit einer Härte von 65 bis 67 HRC, unter der sich Troostit 11 mit einer Härte von 35 bis 40 HRC befindet. Die Härte der Zapfen 2 bleibt nach dem ungleichmäßigen Induktionsanlassen in dem Bereich, in dem der Zapfen mit den Lägernadeln in Kontakt steht, über 60 HRC, ist aber an der Basis der Zapfen 2 auf 50 bis 56 HRC erniedrigt.

F i g. 4 enthält zum Vergleich das Makrogefüge eines bekannten wärmebehandelten Zapfenkreuzes aus legiertem Stahl. Hier weist das Makrogefüge eine aufgekohlte Martensitschicht 12 mit einer Härte von über 60 HRC an der ganzen Zapfenkreuzoberflächc auf. Die tieferen Schichten enthalten niedriggekohlten Martensit 13 mit einer Härte von 35 bis 40 HRC. Aus den angeführten Daten ist ersichtlich, daß die Oberflächenhärte der Zapfen 2 an den Berührungsstellen mit den Lagernadeln 5 und die Härte des ίο Kerns des Zapfenkreuzes gleich der Härte der entsprechenden Bereiche des einsatzgehärteten Zapfcnkrcuzcs sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Oberflächenvergütung eines Zapfenkreuzes, insbesondere für Kardangelenke, aus unlegiertem oder niedriglegiertem Stahl mit verminderter Durchhärtbarkeit, der 0,4 bis 1,2% Kohlenstoff und 0,1 bis 0,3% Mangan enthält und dessen in Nadeln gelagerte Zapfen während des Betriebes in den an der Basis der Zapfen be- ίο findlichen Bereichen und in den mit den Nadeln des Lagers in Berührung stehenden Bereichen unterschiedliche Belastungsarten aufnehmen müssen, dadurch gekennzeichnet, daß das Zapfenkreuz insgesamt oberflächengehärtet wird und daß anschließend die Zapfen an den Berührungsstellen mit den Nadeln des Lagers über ό bis 12 Sekunden auf eine Temperatur von 100 bis 200 > C un-i eine Härte von 60 bis 67 HRC, die Stellen des Zapfenkreuzes in der Nähe der Zapfenbasis 6 bis 12 Sekunden auf eine Temperatur von 450 bis 650° C und eine Härte von 50 bis 56 HRC angelassen werden.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf ein Zapfenkreuz aus einem Stahl, der 0,4 bis l,2°/o Kohlenstoff, 0,1 bis 0.3⁰Zn Mangan, 0,13 "/ο Chrom, 0,2⁰O Nickel und 0,04% Titan enthält.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf ein Zapfenkreuz, das aus einem unlegierten Stahl nach Anspruch 1 oder 2 mit 0,6 °/o Kohlenstoff und 0,17% Mangan hergestellt ist.