DE19704871C1

DE19704871C1 - Verfahren zum Härten von Hohlwellen und nach diesem Verfahren hergestellte Hohlwellen

Info

Publication number: DE19704871C1
Application number: DE1997104871
Authority: DE
Inventors: Helmut Diehl
Original assignee: WILL HAERTETECHNIK GmbH
Current assignee: WILL HAERTETECHNIK GmbH
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2017-02-11

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Härten von Hohlwellen, insbesondere Antriebswellen, aus Kaltfließpreß-Stahl 25 Cr Mo4 in stickstoffhaltiger und durch Methanol- und Propanzugabe Kohlenstoff aufweisender Atmosphäre mit einzelnen Be handlungsschritten unterschiedlicher Temperatur sowie auf nach diesem Verfahren hergestellte hohle Antriebswellen.

Die Entwicklungstendenzen im Fahrzeugbau, insbesondere im Automobilbau, gehen dahin, das Fahrzeuggewicht soweit es die Sicherheitsanforderungen ermöglichen zu verringern, um auf diese Weise zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauches beizu tragen. Je geringer das Fahrzeuggewicht bzw. dessen Masse ist, um so weniger Kraft stoff wird beim Betrieb des Kraftfahrzeugs, insbesondere bei den Beschleunigungsvor gängen, verbraucht. Eine Verringerung des Kraftfahrzeuggewichtes wird zum einen durch den Einsatz von Kunststoffen in weiten Bereichen des Karosseriebaus herbeige führt. Kunststoff ist spezifisch leichter als Stahl, der früher fast ausnahmslos Einsatz gefunden hat. Immer stärker finden auch Aluminiumlegierungen beim Motorenbau Ein gang. Sie ersetzen den spezifisch schwereren Eisenguß. Schließlich werden auch jeg liche Art von Bauelementen des Fahrzeugs so gering wie möglich dimensioniert, um allein auf Grund der dadurch gegebenen verringerten Masse an Gewicht zu sparen.

Zum Gesamtgewicht eines Kraftfahrzeugs trägt zu einem erheblichen Teil das Gewicht seines Antriebsstranges bei, d. h. die Maschinenelemente, über die die Antriebskraft vom Motor auf die Antriebsräder geleitet wird. Bei einem Fahrzeug mit Frontmotor und Hinterradantrieb sind dies insbesondere die Kardanwelle, die die Antriebskraft des Motors in das Differentialgetriebe einleitet, sowie die vom Differential zu den angetrie benen Hinterrädern verlaufenden Antriebswellen. Im Falle eines Frontantriebs mit Frontmotor sind es im wesentlichen die Antriebswellen alleine, die vom auch frontseitig vorgesehenen Differential zu den angetriebenen Fronträdern verlaufen. Über die An triebswellen wird also die Antriebskraft des Motors auf die Antriebsräder übertragen. Im Normalfall überträgt somit eine Antriebswelle die Hälfte der Antriebskraft. Die An triebswellen müssen so definiert sein, daß sie die auf sie im Normalfall übertragene Antriebskraft zuverlässig während der normalen Lebensdauer des Fahrzeugs übertra gen. Sie sind deshalb im Normalfall als Vollwellen ausgeführt, d. h. sie weisen vollen, durchgehenden Querschnitt auf. Um auch in diesem Fall zu der vorstehend angespro chenen Gewichtsreduktion beitragen zu können, erscheint es zwar grundsätzlich mög lich, Hohlwellen zu benutzen, da die bekannten Vollwellen hinsichtlich der zu übertra genden Antriebskraft bzw. des zu übertragenden Drehmomentes bekanntermaßen überdimensioniert sind. Bisher ist aber kein für den Automobilbau als wirtschaftlich zu bezeichnendes Verfahren bekannt, mit dem Hohlwellen herstellbar sind, die auch die notwendige Zeitstandfestigkeit zur Übertragung der Antriebsleistung des Fahrzeugmo tors aufweisen. Solchen Verfahren ist auch die Aufkohlung und Abschreckung eines Stahles der Zusammensetzung 0,1-0,3% C, 0,03-0,5% Si, 0,3-1,8% Mn, 0,3-1,8% Cr, Rest Eisen, zuzurechnen. Bei diesem Verfahren (Patent Abstract of Japan. C-762, 1990, No. 63, JP 2-173 241 A) wird der Stahl bei einer Temperatur zwischen Ac₁ und Ac₁ + (Ac₃ - Ac₁) × 0,4 für 2-4 Stunden in einer aufkohlenden Atmosphäre gehalten, danach langsam mit einer Rate von 20-30°C/h abgekühlt und desweiteren bei einer Temperatur zwischen Ac₃ und (Ac₃ + 30°C) kurze Zeit gehalten und abgeschreckt. Dies zur Verbesserung der Dauerstandfestigkeit.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, Hohlwellen herzustellen, die hinsichtlich ihrer Festigkeit und ihrer Herstel lungskosten Einsatz bei der Fertigung von in großen Stückzahlen produzierten Auto mobilen für den Straßenverkehr finden können.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß man aus Kaltfließpreß- Stahl vorgefertigte Hohlwellen wie folgt behandelt:

- Erhitzen auf etwa 930-980°C für etwa 50-100 Minuten bei einem Kohlenstoff pegel der Atmosphäre von etwa 0,3-0,6%,
- Anheben des Kohlenstoffpegels bei dieser Temperatur auf etwa 0,8-0,95% während etwa 60-100 Minuten,
- vergleichsweise schnelles Absenken des Kohlenstoffpegels auf etwa 0,6-0,75% bei der Temperatur von 930-980°C und Halten dieser Temperatur über 60-100 Minuten,
- Absenken der Temperatur auf 820-890°C bei dem Kohlenstoffpegel von 0,6-0,75% und Halten der Temperatur über 40-130 Minuten,
- Abkühlen im Ölbad bei 60-90°C während 15-30 Minuten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man erstmals Hohlwellen aus preiswer tem Kaltfließpreß-Stahl, die als Antriebswellen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden können. Untersuchungen haben gezeigt, daß solchermaßen behandelte Hohlwellen die erforderliche Zeitstandfestigkeit bei den zu übertragenden Drehmomenten aufweisen. Sie sind preiswert und erbringen bei Verwendung in einem Antriebsstrang eines Mit telklassewagens eine Gewichtsersparnis von etwa 1 bis 4 kg, was einer Ersparnis von etwa 30 bis 50% gegenüber Vollwellen entspricht. Mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren können nicht nur Antriebswellen für Personenkraftwagen, sondern auch solche für Lastkraftwagen behandelt werden. Es ist möglich, hohle Antriebswellen zu fertigen, die eine statische Torsionsprüfung von bis zu etwa 4500 N/mm² erfüllen.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich durch fol gende Behandlungsparameter aus:

- Erhitzen auf etwa 960°C bei einem Kohlenstoffpegel von etwa 0,5%, Halten der Temperatur während etwa 60 Minuten,
- Halten der Temperatur von etwa 960°C für etwa 90 Minuten bei einem Kohlen stoffpegel von etwa 0,9%,
- Absenken des Kohlenstoffpegels auf etwa 0,7% und Halten bei etwa 960°C über weitere 90 Minuten,
- Absenken der Temperatur auf 860°C bei einem Kohlenstoffpegel von etwa 0,7% und Halten über etwa 60 Minuten,
- Abkühlen im Ölbad bei etwa 80°C während etwa 20 Minuten.

Mit diesem speziellen Behandlungsverfahren wurden Hohlwellen mit einem Außen durchmesser von ca. 28 mm und einem Innendurchmesser von ca. 14 mm behandelt. Die so erfindungsgemäß behandelten Hohlwellen erfüllten eine statische Torsionsprü fung von mindestens etwa 4000 N/mm², weshalb sie zum Einsatz selbst in sehr sportli chen Mittelklassewagen geeignet sind.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, daß die Hohlwellen nach der erfindungsgemä ßen Behandlung gewaschen und ggf. mechanisch gerichtet werden.

Zum Ausgleich evtl. aufgetretener interner Spannungen können die Hohlwellen erfin dungsgemäß einer zusätzlichen Entspannungsbehandlung durch Erwärmen auf 160-200°C während 80-120 Minuten, vorzugsweise bei etwa 180°C während 90 Minuten, unterzogen werden.

Die Erfindung umfaßt auch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Hohl wellen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert:
Chargen in Losgrößen von 350 vorgefertigten Antriebswellen wurden in einem Mehr zweckkammerofen, Fabrikat Degussa, aufgekohlt. Bei dem Ofen handelt es sich um ein geschlossenes System, das elektrisch beheizbar ist und mit verschiedenen Schutzga sen beaufschlagbar ist, wie Stickstoff. Der Ofen weist auch Zuführungsleitungen für kohlenstoffhaltige Gase, nämlich Methanol und Propan, auf. Durch dosierte Zugabe dieser Gase kann der C-Gehalt in der Ofenatmosphäre eingestellt und geregelt wer den. Die Antriebswellen sind in Körben aus hochfestem Va-Stahl im wesentlichen senk recht angeordnet. Sie sind dort auf entsprechenden Ansätzen angeordnet. Diese hoh len Antriebswellen sind aus Kaltfließpreß-Stahl 25 Cr Mo4 hergestellt. Die ursprüngli chen Rohrrohlinge sind bereits als Antriebswellen vorgefertigt, d. h. an ihren beiden Enden sind sie im Durchmesser verringert und mit einer Profilverzahnung versehen. Diese vorgefertigten Antriebswellen weisen eine Länge von 500 mm, einen Außen durchmesser von 28 mm und einen Innendurchmesser von 14 mm auf, so daß eine Wandstärke von 7 mm gegeben ist.

Die Körbe oder Behälter weisen eine Länge von 110 mm, eine Breite von 750 mm und eine Höhe von 600 mm auf. Nachdem der Behälter mit den darin angeordneten An triebswellen in den Ofen eingebracht und dieser verschlossen wurde, erfolgt ein Erhit zen auf 960°C bei einem Kohlenstoffpegel oder C-Gehalt der Ofenatmosphäre von 0,5%. Diese Temperatur wurde dann während 60 Minuten gehalten. Anschließend wurde der Kohlenstoffpegel auf 0,9% hochgefahren für etwa 90 Minuten bei weiterhin 960°C. Sodann wurde der Kohlenstoffpegel innerhalb etwa 1 Minute auf 0,7% bei gleichblei bender Temperatur von 960°C während weiterer 90 Minuten abgesenkt. Sodann wurde die Temperatur auf 860°C während 60 Minuten erniedrigt unter Beibehalten des Koh lenstoffgehaltes von 0,7%.

Damit war die Einsatzhärtung der Hohlwellen im wesentlichen abgeschlossen. Es er folgte ein abschließendes Abkühlen im Ölbad bei etwa 80°C während 20 Minuten zum Abbauen evtl. aufgetretener Materialspannungen. Die so behandelten hohlen An triebswellen erfüllen eine statische Torsionsprüfung von mindestens 4000 N/mm².

Die Prozentangaben in den vorliegenden Unterlagen sind Vol.-% .

Claims

1. Verfahren zum Härten von Hohlwellen, insbesondere Antriebswellen, aus Kalt fließpreß-Stahl 25 Cr Mo4 in stickstoffhaltiger und durch Methanol- und Propanzugabe Kohlenstoff aufweisender Atmosphäre mit einzelnen Behandlungsschritten unter schiedliche Temperatur, gekennzeichnet durch folgende Behandlungsschritte:

1. Erhitzen auf etwa 930-980°C für etwa 50-100 Minuten bei einem Kohlenstoff pegel der Atmosphäre von etwa 0,3-0,6%,
2. Anheben des Kohlenstoffpegels bei dieser Temperatur auf etwa 0,8-0,95% während etwa 60-100 Minuten,
3. vergleichsweise schnelles Absenken des Kohlenstoffpegels auf etwa 0,6-0,75% bei der Temperatur von 930-980°C und Halten dieser Temperatur über 60-100 Minuten,
4. Absenken der Temperatur auf 820-890°C bei dem Kohlenstoffpegel von 0,6-0,75% und Halten der Temperatur über 40-130 Minuten,
5. Abkühlen im Ölbad bei 60-90°C während 15-30 Minuten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Behandlungspara meter:

1. Erhitzen auf etwa 960°C bei einem Kohlenstoffpegel von etwa 0,5%, Halten der Temperatur während etwa 60 Minuten,
2. Halten der Temperatur von etwa 960°C für etwa 90 Minuten bei einem Kohlen stoffpegel von etwa 0,9%,
3. Absenken des Kohlenstoffpegels auf etwa 0,7% und Halten bei etwa 960°C über weitere 90 Minuten,
4. Absenken der Temperatur auf 860°C bei dem Kohlenstoffpegel von etwa 0,7% und Halten über etwa 60 Minuten,
5. Abkühlen im Ölbad bei etwa 80°C während etwa 20 Minuten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwel len nach der Behandlung gewaschen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwel len gerichtet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwel len einer Entspannungsbehandlung durch Erwärmen auf 160-200°C während 80-120 Minuten unterzogen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungs behandlung 90 Minuten bei etwa 180°C dauert.

7. Hohle Antriebswelle hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Hohle Antriebswelle hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 2.