DE19905953A1

DE19905953A1 - Production of metal gearwheel with layered material structure, and resultant gearwheel

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Publication number: DE19905953A1
Application number: DE19905953A
Authority: DE
Inventors: Heinrich-Dietrich Haferkamp; Markus Breuer; Matthias Niemeyer
Original assignee: HAFERKAMP HEINRICH DIETRICH
Current assignee: HAFERKAMP HEINRICH DIETRICH
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 1999-12-30

Abstract

The method consists of the following steps: a) a cylindrical metal blank (2) is inserted into another cylindrical blank (1) with different chemical composition; b) the assembled blanks are subjected to a hot-forming process to produce a gearwheel (11) and, at the same time, to shape the blanks in such a way that a joint based on material and form bonds is produced between them.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Zahnrades mit gradiertem Gefügeaufbau sowie das entsprechende Zahnrad selbst. Dabei kann das Zahnrad beispielsweise ein nur grob konturiertes Zahnrad-Rohstück sein, ist aber vorzugsweise ein endkonturnahes Zahnrad. Es handelt sich dann um eine Near-Net-Shape-Technologie.The invention relates to a method for producing a metallic Gear wheel with graded structure and the corresponding gear wheel itself. The gear wheel can, for example, only be roughly contoured Be gear-blank, but is preferably a near-net shape gear. It is then a near-net-shape technology.

Ein metallischer Werkstoff mit immenser wirtschaftlicher Bedeutung für die Zahnradfertigung ist Stahl, und so betrifft die vorliegende Erfindung auch insbesondere - aber nicht ausschließlich - Zahnräder aus Stahl.A metallic material with immense economic importance for the Gear manufacturing is steel, and so does the present invention especially - but not exclusively - steel gears.

Die Kontur von Zahnrädern wird heutzutage aus Präzisionsgründen vorwiegend spanend hergestellt; es sind jedoch auch umformtechnische Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern bekannt. Bei den bisher in der Praxis eingesetz ten umformtechnischen Verfahren wird ein einzelnes Werkstück (z. B. ein zylindrisches Rohteil aus Stahl) einer schmiedetechnischen Warmumformung in einem Gesenk unterworfen und in einem oder mehreren Umformschritten bis zur gewünschten Endkontur geschmiedet. Das so geschaffene Zahnrad ist dann che misch homogen.The contour of gears is nowadays predominant for reasons of precision machined; however, there are also processes for forming Manufacture of gears known. Used in practice so far a single workpiece (e.g. a cylindrical blank from steel) of hot forging in subjected to a die and in one or more forming steps up to desired final contour forged. The gear created in this way is then che mix homogeneous.

Zahnräder benötigen aber für die Erfüllung der Belastungsanforderungen im Betrieb regelmäßig einen gradierten Gefügeaufbau. Sie sollen einen harten, verschleißfesten Randbereich (= außenliegenden Bereich) und einen zähfe sten, d. h. duktilen Kern (= innenliegenden Bereich) besitzen. But gears need to meet the load requirements in the Operation regularly a graded structure. You're supposed to have a tough wear-resistant edge area (= outer area) and a tough most, d. H. have a ductile core (= inner area).

Zum Erreichen des erforderlichen gradierten Gefügeaufbaus wird ein ge schmiedetes, chemisch homogenes Zahnrad deshalb in einem separaten Schritt einer thermochemischen Wärmebehandlung unterworfen, bei der die chemische Zusammensetzung der Zahnrad-Randschicht auf gewünschte Weise verändert wird. Diese thermochemische Wärmebehandlung, zum Beispiel ein Aufkohlen oder Nitrieren in einem Kammerofen, ist allerdings sehr zeit- und kosten intensiv. Bei der Zahnradherstellung findet in der Praxis am häufigsten das thermochemische Verfahren des Einsatzhärtens Anwendung, da hierbei im Vergleich mit den anderen thermochemischen Behandlungsverfahren (z. B. Nitrieren, Nitrobarburieren oder Carbonitrieren) die höchsten Zahnfuß- und Zahnflanken-Dauerfestigkeiten erzielt werden können. Und bei dem Stahl 16MnCr5, der häufig als Zahnradwerkstoff häufig eingesetzt wird, beträgt die Aufkohlungsdauer dann bereits ca. 7 Stunden, um eine Einsatzhärtungs tiefe (550 HV1) von nur 0,7 mm zu erreichen.To achieve the required graded structure, a ge Forged, chemically homogeneous gear wheel in a separate step subjected to a thermochemical heat treatment in which the chemical Change the composition of the gear rim layer in the desired way becomes. This thermochemical heat treatment, for example carburizing or nitriding in a chamber furnace, however, is very time and cost intensive. In practice, this is most common in gear manufacturing thermochemical process of case hardening application, because in this Comparison with the other thermochemical treatment processes (e.g. Nitriding, Nitrobarburieren or Carbonitrieren) the highest tooth root and Tooth flank fatigue strength can be achieved. And with the steel 16MnCr5, which is often used as a gear material, is the carburizing time is already about 7 hours to case hardening depth (550 HV1) of only 0.7 mm.

In der Zahnrad-Massenfertigung ist zudem nachteiligerweise zwischen dem Umformschritt und der thermochemischen Wärmebehandlung regelmäßig eine Zwischen- oder Pufferlagerung der nacheinander aus der Schmiede kommenden Zahnräder erforderlich, damit größere Zahnradmengen auf einmal der Wärmebe handlung unterzogen werden können. Hiermit sind zum einen entsprechende Personal-, Lager- und Transportkosten verbunden; das Erfordernis der Pufferlagerung bedeutet aber auch, daß ein Zahnrad zunächst aus der Schmiedewärme auf die Lagertemperatur abgekühlt wird, um dann kosten- und energieintensiv für die thermochemische Wärmebehandlung erneut erwärmt zu werden.In mass gear manufacturing, there is also a disadvantage between Forming step and thermochemical heat treatment regularly Temporary or buffer storage of those coming from the forge one after the other Gears required to allow larger amounts of gears to heat up at once can be subjected to action. On the one hand, there are corresponding ones Personnel, storage and transportation costs connected; the requirement of Buffer storage also means that a gear is first removed from the Forging heat is cooled to the storage temperature, then cost and again energy-intensive for thermochemical heat treatment become.

Es ist zudem klar, daß die Änderung der chemischen Zusammensetzung der Zahnrad-Randschicht nachteiligerweise nur innerhalb eines bestimmten Zusammensetzungsbereichs eingestellt werden kann, der durch die jeweilige thermochemische Verfahrensführung bestimmt ist. Dies gilt sowohl hinsicht lich der Auswahl und Variation der einzubringenden Leglerungselemente (insbesondere Kohlenstoff und Stickstoff) als auch hinsichtlich deren Kon zentration.It is also clear that the change in chemical composition of the Gear rim layer disadvantageously only within a certain Composition range can be set by the respective thermochemical procedure is determined. This applies to both Lich the selection and variation of the layering elements to be introduced (especially carbon and nitrogen) as well as their con centering.

Im Anschluß an die thermochemische Wärmebehandlung erfolgt in der Praxis übrigens noch regelmäßig eine Hartfeinbearbeitung, bei der die gewünschte Zahnrad-Endkontur mit ausreichender Präzision erreicht wird. Following the thermochemical heat treatment takes place in practice Incidentally, a regular hard finishing, in which the desired Final gear contour is achieved with sufficient precision.

Von den genannten Verfahrensschritten zur Herstellung eines Zahnrades nach den bekannten Verfahren kommt ersichtlich der thermochemischen Wärmebehand lung eine besondere Bedeutung zu, denn nur durch sie werden die spezifi schen physikalischen Eigenschaften erreicht, die der Zahnradwerkstoff für die Erfüllung der Belastungsanforderungen benötigt. Speziell für die in der Zahnradfertigung dominierende Werkstoffgruppe der niedrig legierten Stähle war bislang eine festigkeitssteigernde thermochemische Wärmebehandlung unumgänglich. Der damit verknüpfte zeitliche und verfahrensmäßige Aufwand und die hohen Gesamtkosten dieser mehrstufigen Fertigungsweise wurden bislang von der Industrie hingenommen, weil keine wirtschaftlichere Alternative zur Verfügung stand.From the above-mentioned process steps for the manufacture of a gear The known processes obviously involve thermochemical heat treatment of particular importance, because only through them are the speci The physical properties achieved by the gear material for the fulfillment of the load requirements is required. Especially for those in the Gear manufacturing dominant material group of low alloy steels was previously a strength-enhancing thermochemical heat treatment inevitable. The associated time and procedural effort and the high total cost of this multi-stage manufacturing method so far accepted by industry because no more economical Alternative was available.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein umformtechnisches Verfahren zur Herstellung eines Zahnrades mit einem gradierten Gefügeaufbau anzugeben, welches eine wirtschaftlichere Massenfertigung ermöglicht als die bekannten umformtechnischen Verfahren.The invention was based on the object of a forming process Specify the manufacture of a gearwheel with a graded structure, which enables more economical mass production than the known ones metal forming processes.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Her stellung eines metallischen Zahnrades mit gradiertem Gefügeaufbau, bei dem ein (zumindest im wesentlichen) zylindrisches metallisches Rohteil (inneres Rohteil) koaxial in ein (zumindest im wesentlichen) hohlzylindrisches metallisches Rohteil (äußeres Rohteil) anderer chemischer Zusammensetzung eingesetzt wird und die ineinandergesetzten Rohteile einer Warmumformung unterzogen werden, bei der simultan ein Zahnrad erzeugt und die Rohteile so verformt werden, daß eine sowohl stoff- als auch (radial) formschlüssige Verbindung zwischen ihnen entsteht. Handelt es sich bei beiden zylin drischen Rohteilen um Hohlzylinder, so kann in den Inneren der beiden Hohlzylinder natürlich zusätzlich ein drittes zylindrisches Rohteil koaxial eingesetzt werden; die nachstehenden Ausführungen gelten sinngemäß auch für derartige Anordnungen aus drei oder mehr ineinandergesetzten zylindrischen Rohteilen.According to the invention, this object is achieved by a method for manufacturing position of a metallic gearwheel with graded structure, in which a (at least essentially) cylindrical metallic blank (inner Blank) coaxially into an (at least essentially) hollow cylindrical metallic raw part (outer raw part) of different chemical composition is used and the nested raw parts of hot forming be subjected to a gearwheel and the raw parts be deformed that a both material and (radial) positive Connection between them is created. Are both cylin dry raw parts around hollow cylinders, so inside the two Hollow cylinder, of course, also a third cylindrical blank coaxial be used; the following explanations also apply mutatis mutandis to such arrangements of three or more nested cylindrical Raw parts.

Die Warmumformung erfolgt regelmäßig bei einer Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur(en) der Rohteile.The hot forming takes place regularly at a temperature above the Recrystallization temperature (s) of the raw parts.

Die erfindungsgemäße Verfahrensführung gestattet es, innerhalb kürzester Zeit - der Umformschritt selbst kann bereits nach ca. 40-100 ms abge schlossen sein - aus zwei separaten zylindrischen Rohteilen unterschied licher chemischer Zusammensetzung ein hochbelastbares Zahnrad herzustellen. Die hohe Belastbarkeit ist dabei darauf zurückzuführen, daß in dem erfin dungsgemäß hergestellten Zahnrad sowohl ein Stoff- als auch ein (radialer) Formschluß vorliegen.The procedure according to the invention allows within a very short time Time - the forming step itself can take about 40-100 ms be closed - made of two separate cylindrical raw parts Licher chemical composition to produce a heavy-duty gear. The high resilience is due to the fact that in the invent gear manufactured according to the invention both a material and a (radial) Form fit is present.

Vorzugsweise wird die radiale Dicke (die Wanddicke) des äußeren Hohlzylin ders so gewählt, daß sich nach dem Umformschritt Material des Inneren Rohteils auch in den Zähnen befindet, d. h. radlal im Bereich zwischen Zahnfuß und Zahnkopf eines jeden Zahnes. Die Zähne des Zahnrades besitzen dann Verbundwerkstoffcharakter. Dieser Aspekt wird weiter unten anhand der beigefügten Figuren noch näher erläutert. Vorteilhafterweise werden die Geometrie und die Abmessungen der Rohteile so ausgelegt, daß nach der Umformung an jedem Zahnfuß im Bereich der 30°-Tangente die dem umgeformten äußeren Rohteil entsprechende Randdicke des Zahnrades zwischen 0,05 und 0,15 m beträgt (m ist das Modul des Zahnrades). Derartige Zahnräder besitzen überraschenderweise sowohl eine besonders große Zahnfußdauerfe stigkeit als auch eine besonders stabile Verbindung an der Kontaktfläche zwischen den umgeformten Rohteilen.Preferably, the radial thickness (wall thickness) of the outer hollow cylinder chosen so that after the forming step material of the interior Raw part is also in the teeth, d. H. radlal in the area between Tooth base and tooth head of each tooth. The teeth of the gear have then composite character. This aspect is discussed below using the attached figures explained in more detail. Advantageously, the Geometry and dimensions of the raw parts designed so that according to the Forming on each tooth base in the area of the 30 ° tangent that of the formed one outer blank corresponding edge thickness of the gear between 0.05 and Is 0.15 m (m is the module of the gear). Such gears surprisingly have both a particularly large tooth root duration stability as well as a particularly stable connection on the contact surface between the formed blanks.

Während bei den bekannten Verfahren zur Herstellung eines metallischen Elements mit gradiertem Gefügeaufbau regelmäßig eine thermochemische Wärmebehandlung notwendig ist, und zwar sowohl bei umformtechnischen als auch bei spanenden Verfahren, kann diese bei dem erfindungsgemäßen Ver fahren entfallen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher erstmalig eine Fließfertigung vom Halbzeug über die Warmumformung bis hin zur Wärmebehandlung, und es ist somit bedeutend wirtschaftlicher als die bislang in der Praxis eingesetzten umformtechnischen Verfahren zur Zahnrad fertigung.While in the known method for producing a metallic Elements with a graded structure regularly have a thermochemical structure Heat treatment is necessary, both in terms of forming technology even in the case of cutting processes, this can be achieved in the inventive Ver driving is eliminated. The method according to the invention therefore enables for the first time a flow production from semi-finished products to hot forming to Heat treatment, and it is therefore significantly more economical than that Forming processes for gearwheels previously used in practice production.

Mit dem Fortfall einer separaten thermochemischen Behandlung entfallen aber auch die vorstehend geschilderten (thermochemischen) Beschränkungen hinsichtlich der Variationsbreite der Gradierung und der damit verknüpften physikalischen Eigenschaften eines Zahnrades. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit spezifisch gradierte Zahnräder hergestellt werden, die den jeweiligen Anforderungen häufig noch besser entsprechen als die bisher bekannten gradierten Zahnräder; vom Fachmann auszuwählen ist dabei natürlich die für den jeweiligen Zweck geeignete Werkstoffpaarung. Eine besonders günstige Werkstoffpaarung liegt beispielsweise vor bei Verwendung von Stahl des Typs 100 Cr 6 für den äußeren Hohlzylinder und Stahl des Typs St 52 für den inneren Zylinder, vgl. dazu unten Beispiel 2.With the elimination of a separate thermochemical treatment, however, is no longer necessary also the (thermochemical) restrictions described above with regard to the range of variation of the grading and the associated physical properties of a gear. With the invention Processes can thus be produced with specifically graded gears, which often meet the respective requirements even better than that previously known graded gears; is to be selected by a specialist of course the suitable material pairing for the respective purpose. A particularly favorable material pairing exists, for example, when used of type 100 Cr 6 steel for the outer hollow cylinder and type steel St 52 for the inner cylinder, cf. see example 2 below.

Vorzugsweise werden die ineinander zu setzenden Rohteile vor der Warmumfor mung im Preßsitz angeordnet. Die Handhabung der radlal kraftschlüssig ineinandergepreßten Zylinder entspricht dann im wesentlichen der eines konventionellen zylindrischen Rohteils.Preferably, the raw parts to be put into one another are placed in front of the hot for mung arranged in the press fit. The handling of the radlal non-positively pressed cylinders then essentially corresponds to one conventional cylindrical blank.

Vorteilhafterweise besitzt das äußere Rohteil eine größere Aufhärtbarkelt als das innere Rohteil, wobei vorzugsweise für den äußeren Hohlzylinder ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich der eutektoiden Zusammen setzung gewählt wird. Das resultierende Zahnrad besitzt dann den erwünsch ten Verbundwerkstoffcharakter bzw. gradierten Gefügeaufbau, der durch einen harten, verschleißfesten Randbereich (eine hohe Zahnflankendauerfestigkeit) gekennzeichnet ist. Der innere Zylinder besteht vorteilhafterweise aus einem duktileren Material mit ausreichender Kernfestigkelt.The outer blank advantageously has a larger hardening bar than the inner blank, preferably a for the outer hollow cylinder Steel with a carbon content in the range of eutectoid together setting is selected. The resulting gear then has the desired one th composite character or graded structure, which by a hard, wear-resistant edge area (high tooth flank endurance) is marked. The inner cylinder advantageously consists of a more ductile material with sufficient core strength.

Das erfindungsgemäß hergestellte Zahnrad wird vorteilhafterweise unmit telbar (ohne eine kostspielige Zwischenlagerung, wie sie oben beschrieben ist) nach dem Warmumformschritt abgeschreckt, vorzugsweise ohne zwischen zeitliche Erhöhung der Zahnradtemperatur über die Umformtemperatur hinaus. Besteht das äußere Rohteil aus Stahl, so sollte die Temperatur des Zahnra des vor dem Abschrecken größer sein als die A_c1-Temperatur des äußeren Rohteils, vorzugsweise jedoch sogar größer als seine A_c3- bzw. A_cm-Tempera tur. Auf eine zwischenzeltliche Erhöhung der Zahnradtemperatur über die Umformtemperatur hinaus kann verzichtet werden, wenn bereits die Umformtem peratur größer ist als die besagte A_c1-Temperatur.The gearwheel produced according to the invention is advantageously immediately (without an expensive intermediate storage, as described above) quenched after the hot-forming step, preferably without increasing the gearwheel temperature above the forming temperature. If the outer blank is made of steel, the temperature of the toothed should be greater than the A _c1 temperature of the outer blank before quenching, but preferably even greater than its A _c3 or A _cm temperature. There is no need to increase the gear wheel temperature beyond the forming temperature if the forming temperature is already higher than the A _c1 temperature.

Die Abkühlgeschwindigkeit beim Abschrecken ist dabei vorzugsweise größer als die kritische Abkühlgeschwindigkeit für das äußere umgeformte Rohteil (d. h. das Material des außenliegenden oder Rand-Bereichs des Zahnrads). Handelt es sich um ein Stahl-Zahnrad, so bildet sich dann zumindest im äußeren der miteinander verschweißten, umgeformten Rohteile (d. h. im Randbereich des Zahnrades) Martensit. Zusätzlich wird durch eine derartige Abkühlgeschwindigkeit der Stoffschluß zwischen den Rohteilen gefördert. The cooling rate during quenching is preferably greater than the critical cooling rate for the outer formed blank (i.e., the material of the outer or edge portion of the gear). If it is a steel gear, then at least in the outer of the welded, formed raw parts (i.e. in Edge area of the gear) martensite. In addition, such Cooling rate promoted the bond between the raw parts.

Da bei einer derartigen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine anschließende thermochemische Wärmebehandlung nicht erforderlich ist, läßt sich eine kostengünstige industrielle Fließfertigung einrichten, in der die hergestellten Zahnräder nach der Warnumformung und dem Abschrecken im Regelfall keiner Wärmebehandlung unterzogen und nicht mehr zwischengelagert werden.Since in such an implementation of the method according to the invention subsequent thermochemical heat treatment is not necessary set up an inexpensive industrial flow production in which the manufactured gears after the warning forming and quenching in Usually not subjected to any heat treatment and no longer stored temporarily become.

In Abhängigkeit von den eingesetzten Werkstoffen und gewählten Abkühlbedin gungen kann durch das Abschrecken zusätzlich zu der stoff- und formschlüs sigen Verbindung auch ein Kraftschluß erreicht werden, etwa durch ein Auf schrumpfen des äußeren Rohteils auf das innere. Der Fachmann kann anhand weniger Versuche geeignete Rohteilpaarungen herausfinden.Depending on the materials used and the cooling conditions selected The quenching can add to the material and form locking sigen connection can also be achieved, for example by an on shrink the outer blank onto the inner one. The expert can use fewer attempts to find suitable blank pairings.

In manchen Fällen ist es ratsam, zumindest eines der metallischen Rohteile vor der Warmumformung einer Behandlung zum Entfernen von oberflächlichen Verunreinigungen (wie Zunder oder Oxidschichten) zu unterziehen. Der Fachmann wird nach wenigen Vorversuchen wissen, ob und gegebenenfalls welche Art der Vorbehandlung für die ihm jeweils vorliegende Rohteil- Paarung notwendig und ausreichend ist; zur Reinigung kommen insbesondere mechanische und chemische Verfahren in Betracht.In some cases it is advisable to use at least one of the metallic raw parts before hot forming a treatment to remove superficial Undergo impurities (such as scale or oxide layers). Of the After a few preliminary tests, a specialist will know whether and if so what kind of pretreatment for the raw part Mating is necessary and sufficient; come for cleaning in particular mechanical and chemical processes.

Die Erwärmung zumindest eines der metallischen Rohteile auf die Umformtem peratur und/oder die Warmumformung der ineinandergesetzten Rohteile wird vorzugsweise zumindest zeitweilig unter Schutzgasatmosphäre vorgenommen, um eine (erneute) Verzunderung oder Oxidbildung zu vermeiden.The heating of at least one of the metallic raw parts to the formed part temperature and / or the hot forming of the nested raw parts preferably at least temporarily under a protective gas atmosphere in order to avoid (renewed) scaling or oxide formation.

Es können alternativ auch andere Vorkehrungen getroffen werden, die den Zutritt von Sauerstoff zu den Kontaktflächen der Rohteile verhindern. Beispielsweise können die Rohteile im Bereich ihrer Stirnflächen so verschweißt werden, daß zumindest nahezu kein Sauerstoff mehr zu den Kontaktflächen gelangt.Alternatively, other precautions can be taken that the Prevent entry of oxygen to the contact surfaces of the raw parts. For example, the raw parts can be in the area of their end faces welded that at least almost no more oxygen to the Contact areas.

Alternativ oder zusätzlich ist es in manchen Fällen sinnvoll, die zylindri schen Rohteile, die vorzugsweise bereits koaxial ineinandergesetzt sind, induktiv zu erwärmen; in einer induktiven Anlage zur Einzelteilerwärmung lassen sich die Rohteile nämlich so schnell auf die für die Umformung nötige Temperatur bringen, daß sich eine (erneute) Zunderbildung fast voll ständig vermeiden läßt.As an alternative or in addition, in some cases it makes sense to use the cylinder raw parts, which are preferably already coaxially nested, to be heated inductively; in an inductive system for heating individual parts the raw parts can be quickly moved to those for forming bring the necessary temperature that a (renewed) scale formation is almost full constantly avoided.

Besonders gute Ergebnisse wurden in erfindungsgemäß gestalteten Testver fahren erzielt, in denen hohe Umformgrade erzwungen wurden. Die starke Formänderung während der Umformung sorgt hierbei dafür, daß weite Bereiche der einander zugewandten Rohteil-Oberflächen fließen und aufreißen und dadurch neue aktive Oberflächen gebildet werden. Diese aktiven Oberflächen der ineinandergesetzten Zylinder verbinden sich besonders gut und fest miteinander. Eine in manchen Fällen vorhandene dünne Zunder- oder Oxid schicht auf den Kontaktflächen der zu verbindenden zylindrischen Rohteile hatte dabei keinen nennenswerten negativen Einfluß auf die Stabilität der erzeugten Verbindung zwischen den Rohteilen.Particularly good results were obtained in test ver designed according to the invention drive achieved in which high degrees of deformation were forced. The strenght Shape change during the forming process ensures that wide areas of the mutually facing raw part surfaces flow and tear open and this creates new active surfaces. These active surfaces the nested cylinders connect particularly well and firmly together. A thin scale or oxide present in some cases layer on the contact surfaces of the cylindrical raw parts to be connected had no significant negative impact on the stability of the generated connection between the raw parts.

Gemäß einer häufig vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung werden zumindest zwei der zu verbindenden Rohteile erst nach dem Erwärmen auf die Arbeitstemperatur kontaktiert.According to a frequently advantageous variant of the present invention at least two of the raw parts to be connected only after heating to the Working temperature contacted.

Bei manchen Rohteil-Paarungen ist es hilfreich, ein Fügungshilfsmittel wie zum Beispiel Flußmittel auf die Kontakt-Oberfläche zumindest eines Rohteils aufzubringen, um Zunder und/oder Oxidbelag zumindest weitgehend zu beseiti gen. Als Fügungshilfsmittel kann auch eine niedrig schmelzende Legierung, beispielsweise ein Lot, eingesetzt werden.For some blank pairings, it is helpful to use a joining aid such as for example flux on the contact surface of at least one blank apply in order to at least largely remove scale and / or oxide coating A low-melting alloy, for example, a solder.

Wenngleich der erfindungsgemäße Warmumformungs-Schritt das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Produkte kennzeichnet, ist es doch manchmal erwünscht, der Warmumformung der zylindrischen metallischen Rohteile zumindest einen weiteren Fertigungsschritt vor- oder nachzu schalten, zum Beispiel einen weiteren Umformschritt oder eine spanende Bearbeitung.Although the hot forming step according to the invention is the one according to the invention Characterized process and the products of the invention, it is sometimes desired, the hot forming of the cylindrical metallic Raw parts at least one further production step before or after switch, for example a further forming step or a machining step Editing.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Fachmann die ihm bekannten Warmumform-Vorrichtungen verwenden, also insbesondere Gesenke mit einer Innenverzahnten Matrize.The person skilled in the art can carry out the method according to the invention use known hot-forming devices, in particular with dies an internally toothed die.

Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Zahnräder anhand von drei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Außerdem wird anhand eines beispiel haften Fließschemas die Fließfertigung von Stahl-Zahnrädern unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert (Beispiel 4). Es stellen dar:The process according to the invention and the process according to the invention are described below Gears based on three embodiments with reference to the attached figures explained in more detail. It also uses an example flow diagrams adhere to the flow production of steel gears of the inventive method explained (Example 4). They represent:

Fig. 1 eine stark schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den Ausführungsbeispielen 1-3, Fig. 1 is a highly schematic representation of the method according to the embodiments 1-3,

Fig. 2 ein schematischer Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Zahn rad gemäß den Ausführungsbeispielen 1-3, Fig. 2 is a schematic cross-section through an inventive tooth wheel according to the embodiments 1-3,

Fig. 3 Makroquerschliff der wellenförmigen Verbindungszone eines verbundgeschmiedeten Zahnrades gemäß Beispiel 2, Fig. 3 macro transverse section of the wave-shaped connecting zone of a composite forged gear according to Example 2,

Fig. 4 Vergrößerung der Fügezone eines verbundgeschmiedeten Zahnrades gemäß Beispiel 2, im Bereich der 30°-Tangente und Fig. 4 Enlargement of the joining zone of a composite forged gear according to Example 2, in the region of the 30 ° tangent and

Fig. 5 Fließschema zur Fließfertigung von Zahnrädern unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 5 flow diagram for the flow production of gears using the method according to the invention.

example 1 Making a gear from 16MnCr5 / C60 / low cooling speed speed

Ausgehend von einem Rundstabhalbzeug aus 16MnCr5 und einem Rundstabhalbzeug C60 wurden zunächst zwei Hohlzylinder gleicher Höhe (ca. 52 mm) spanend hergestellt. Das Maß der Innenbohrung des Zylinders aus C60 (nachfolgend: Hohlzylinder 1) entsprach dabei dem Außendurchmesser des Zylinders aus 16MnCr5 (nachfolgend: Hohlzylinder 2) und betrug ca. 36 mm. Der Außendurch messer des (äußeren) Hohlzylinders 1 betrug ca. 43 mm, der Durchmesser der Innenbohrung des (inneren) Hohlzylinders 2 ca. 20 mm.Starting from a round rod made of 16MnCr5 and a round rod C60, two hollow cylinders of the same height (approx. 52 mm) were first machined. The dimension of the inner bore of the cylinder made of C60 (hereinafter: hollow cylinder 1 ) corresponded to the outer diameter of the cylinder made of 16MnCr5 (hereinafter: hollow cylinder 2 ) and was approx. 36 mm. The outer diameter of the (outer) hollow cylinder 1 was approximately 43 mm, the diameter of the inner bore of the (inner) hollow cylinder 2 was approximately 20 mm.

Anschließend wurden die Hohlzylinder 1 und 2 In einem Ultraschallbad entfettet und gereinigt, insbesondere um etwaige Rückstände auf der Oberfläche des Zylinders zu entfernen, die sich dort möglicherweise beim Spanen ablagern konnten.The hollow cylinders 1 and 2 were then degreased and cleaned in an ultrasound bath, in particular in order to remove any residues on the surface of the cylinder which could possibly be deposited there during cutting.

Nach der Ultraschallbad-Behandlung wurde der Hohlzylinder 2 In den Hohl zylinder 1 eingesteckt. Die nunmehr koaxial angeordneten Hohlzylinder 1 und 2 bildeten eine Rohteil-Paarung (einen Schmiederohling), die dem erfin dungsgemäßen Verfahren unterzogen werden sollte. Die so angeordneten Hohl zylinder 1 und 2 sind in Fig. 1 auf der linken Seite dargestellt, die strichpunktierte Linie symbolisiert dabei die Symmetrieachse der Zylinder.After the ultrasonic bath treatment, the hollow cylinder 2 was inserted into the hollow cylinder 1 . The now coaxially arranged hollow cylinders 1 and 2 formed a blank pairing (a forging blank), which was to be subjected to the inventive method. The thus arranged hollow cylinders 1 and 2 are shown in Fig. 1 on the left side, the dash-dotted line symbolizes the axis of symmetry of the cylinder.

Die Hohlzylinder-Paarung wurde dann in einen Ofen gelegt, dort unter Schutzgas auf eine Temperatur von 1250°C erwärmt und bei dieser Temperatur gehalten. Die Verweildauer im Ofen betrug insgesamt 25 Minuten.The pair of hollow cylinders was then placed in an oven, under there Shielding gas heated to a temperature of 1250 ° C and at this temperature held. The total residence time in the oven was 25 minutes.

Nach Ablauf dieser Zeitspanne wurde die Zylinder-Paarung aus dem Ofen entnommen und noch heiß in eine Schmiedepresse (Kupplungs-Spindelpresse) 3 mit federnd gelagerter Matrize 5 eingelegt, wie in Fig. 1 in der Mitte dargestellt. Sofort nach dem Einlegen wurde der Schmiedevorgang ausgelöst, d. h. eine Warm-Umformung der Zylinder-Paarung durchgeführt. Die in Fig. 1 dargestellten, mit F bezeichneten Pfeile symbolisieren die Kraftrichtung der in der Presse 3 wirkenden Preßstempel 6, 6', und die gekrümmt nach außen verlaufenden Linien 4, 4' deuten die Kontaktfläche zwischen den (ehemaligen) Hohlzylindern zu einem Zeitpunkt während des Umformvorgangs sowie die umformende Wirkung der Preßkraft auf die Hohlzylinder an.After this period, the pair of cylinders was removed from the furnace and still hot in a forging press (clutch screw press) 3 with a spring-loaded die 5 , as shown in Fig. 1 in the middle. The forging process was triggered immediately after insertion, ie the cylinders were hot-formed. The arrows shown in Fig. 1, designated F, symbolize the direction of force of the press rams 6 , 6 'acting in the press 3 , and the curved lines 4 , 4 ', which point outwards, indicate the contact area between the (former) hollow cylinders at a time during of the forming process and the forming effect of the pressing force on the hollow cylinder.

Durch den Umformvorgang, der nach ca. 40 bis 100 Millisekunden abgeschlos sen war, wurde aus der Zylinder-Paarung ein einteiliges Zahnrad 11 (vgl. Fig. 1, rechts und Fig. 2) hergestellt, das im direkten Anschluß an die Um formung aus der Schmiedepresse 3 entnommen und im Sand abgekühlt wurde. Bei dem gefertigten Zahnrad 11 handelte es sich um ein Stirnrad.Due to the forming process, which was completed after approx. 40 to 100 milliseconds, a one-piece gearwheel 11 (see FIG. 1, right and FIG. 2) was produced from the cylinder pairing, which formed directly after the shaping was removed from the forging press 3 and cooled in the sand. The manufactured gear 11 was a spur gear.

Metallographische Schliff-Untersuchungen an dem in Fig. 2 In schematischer Draufsicht dargestellten, abgekühlten Zahnrad 11 ergaben, daß sich im Bereich der ursprünglichen Kontaktflächen der Hohlzylinder 1 und 2 eine in etwa wellenförmige Verbindungszone 12 (in Fig. 2 durch eine durchgezogene Linie angedeutet) gebildet hatte, bei der jedem Wellenberg 13 ein Zahn 23 des hergestellten Zahnrades 11 und jedem Wellental 14 ein Zahnzwischenraum 24 zugeordnet war. Es lag also auch eine (radial) formschlüssige Verbindung der ehemaligen Hohlzylinder 1 und 2 vor. Jeder einzelne Zahn 23 umfaßte dabei sowohl Material des inneren Hohlzylinders 2 als auch des äußeren Hohlzylinders 1, d. h. radial im Bereich zwischen Zahnfuß und Zahnkopf eines jeden Zahnes 23 befand sich Material des Inneren Hohlzylinders 2. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der äußere Hohlzylinder 1 - bezogen auf den Abstand zwischen Zahnfuß und Zahnkopf des fertigen Zahnrades - vergleichs weise dünnwandig ausgelegt war (radiale Dicke Hohlzylinder 1 = 3,5 mm; radialer Abstand Zahnfuß-Zahnkopf < 5 mm).Metallographic grinding examinations on the cooled gearwheel 11 shown in FIG. 2 in a schematic plan view showed that in the area of the original contact surfaces of the hollow cylinders 1 and 2 an approximately wavy connecting zone 12 (indicated by a solid line in FIG. 2) was formed had in which each shaft crest 13 a tooth 23 of the gear 11 produced and each trough 14 was assigned a tooth space 24 . There was also a (radial) positive connection of the former hollow cylinders 1 and 2 . Each individual tooth 23 comprised thereby both material of the inner hollow cylinder 2 and the outer hollow cylinder 1, ie radially in the region between the tooth root and the tooth tip of each tooth 23, material was of the interior of the hollow cylinder. 2 This is due to the fact that the outer hollow cylinder 1 - based on the distance between the tooth base and the tooth tip of the finished gear - was designed to be relatively thin-walled (radial thickness hollow cylinder 1 = 3.5 mm; radial distance tooth base-tooth head <5 mm).

Wesentlicher noch als die Beobachtung dieser formschlüssigen Verbindung war jedoch die Feststellung, daß im Bereich der Verbindungszone 12 eine stoff schlüssige Verbindung zwischen den ursprünglichen Hohlzylindern 1 und 2 entstanden war.More importantly than the observation of this positive connection was the finding that a material connection between the original hollow cylinders 1 and 2 had arisen in the area of the connection zone 12 .

Es lag mit anderen Worten ein einteiliges Zahnrad 11 vor, das
In other words, there was a one-piece gear 11

- In its outer area (edge area) 31 a high carbon content ("C60", which corresponds to a carbon content of about 0.6%),
in its inner region (core region) 32 a lower carbon content ("16MnCr5", this corresponds to a carbon content of approx. 0.16%) and
- A compact connection zone 12 without a clearly defined border to the adjacent areas ( 31 , 32 ) had between the outside and the inside area.

Das Zahnrad 11 besaß somit den gewünschten gradierten Gefügeaufbau und die gewünschten Materialeigenschaften (harter Randbereich, duktiler Kernbe reich). Auf eine thermochemische Behandlung konnte verzichtet werden.The gear 11 thus had the desired graded structure and the desired material properties (hard edge area, ductile core area). There was no need for thermochemical treatment.

Der Stoffschluß zwischen den Hohlzylindern 1 und 2 resultiert aus einer der starken Formänderung der Hohlzylinder-Paarung, aufgrund derer es zu einem ausgeprägten Fließen an der Oberfläche der Innenbohrung des Hohlzylinders 1 und der korrospondierenden Mantelfläche des Hohlzylinders 2 kam. Dadurch sind dann die jeweilige Ober- bzw. Mantelfläche aufgerissen, was wiederum aktive Kontaktflächenbereiche zur Verfügung stellte und ein Verschweißen der Hohlzylinder 1 und 2 ermöglichte.The material connection between the hollow cylinders 1 and 2 results from a strong change in shape of the hollow cylinder pairing, due to which there was a pronounced flow on the surface of the inner bore of the hollow cylinder 1 and the corrosponding outer surface of the hollow cylinder 2 . As a result, the respective top or lateral surface is then torn open, which in turn provides active contact surface regions and enables the hollow cylinders 1 and 2 to be welded.

Example 2 Production of a gear from 16MnCr5 / C60 / high cooling speed

Die Durchführung des Verfahrens und die dabei und anschließend gemachten Beobachtungen entsprachen im wesentlichen dem Beispiel 1, jedoch wurde beim Abschrecken des durch Warmumformung erzeugten Zahnrades 11 (vgl. Fig. 2) die kritische Abkühlgeschwindigkeit beider Rohteilmaterialien überschrit ten. Es bildete sich in beiden umgeformten Rohteilen Martensit.The implementation of the method and the observations made there and subsequently corresponded essentially to Example 1, however, when the gearwheel 11 produced by hot forming (see FIG. 2) was quenched, the critical cooling rate of both raw part materials was exceeded. It formed in both formed raw parts Martensite.

In Fig. 3 ist in Vergrößerung die wellenförmige Verbindungszone im Bereich eines einzelnen Zahnes des gemäß Beispiel 2 hergestellten Zahnrades abgebildet. Neben dem radialen Formschluß ist auch deutlich zu erkennen, daß die Randschicht (die dem äußeren, nun umgeformten Hohlzylinder 1 entspricht) eine ungleichförmige Dicke besitzt. Dementsprechend ergibt sich in der Zahnflanke eine größere und im Bereich der 30°-Tangente eine geringere Härtetiefe. Diese ungleichmäßige Verteilung der Härtetiefe wirkt sich im Betriebsverhalten positiv aus.In Fig. 3, the wavy connection zone is shown in the area of a single tooth of the gear produced according to Example 2 in an enlarged view. In addition to the radial positive locking, it can also be clearly seen that the edge layer (which corresponds to the outer, now shaped hollow cylinder 1 ) has a non-uniform thickness. Accordingly, there is a greater hardness depth in the tooth flank and a smaller depth in the area of the 30 ° tangent. This uneven distribution of the hardness depth has a positive effect on the operating behavior.

In Fig. 4 ist in Vergrößerung die Fügezone des verbundgeschmiedeten Zahnrades im Bereich der 30°-Tangente abgebildet. Die dunklen Gefügebe standteile kennzeichnen C60, die heller erscheinenden 16MnCr5. In beiden Werkstoffen hatte sich Martensit gebildet, das an seiner typisch nadeligen Struktur zu erkennen ist. Deutlich zu erkennen ist der Stoffschluß zwischen den verbundenen Zonen.In Fig. 4, the joining zone of the composite forged gear in the region of the 30 ° tangent is shown in an enlarged view. The dark structure parts identify C60, the lighter 16MnCr5. Martensite had formed in both materials and can be recognized by its typically needle-like structure. The material bond between the connected zones can be clearly seen.

Example 3 Production of a gear wheel from St 52/100 Cr 6

Die Durchführung des Verfahrens und die dabei und anschließend gemachten Beobachtungen entsprachen im wesentlichen den Beispielen 1 und 2, jedoch mit folgenden Abweichungen:
The implementation of the method and the observations made there and subsequently corresponded essentially to Examples 1 and 2, but with the following deviations:

- Hollow cylinder 1 (the outer hollow cylinder) was made of 100 Cr 6 type steel, ie of a roller bearing steel, in order to achieve a high tooth flank endurance.
- Hollow cylinder 2 (the inner hollow cylinder) was made from a steel type St 52 in order to achieve a high core strength.
- The hollow cylinders were only mechanical before being inserted into one another cleaned.
- The quenching of the gear 11 produced by hot forming was carried out in oil, the critical cooling rate of the steel being exceeded 100 Cr 6 . Martensite was formed in the steel 100 Cr 6 .
- The resilience of the connection between the formed raw parts (Hollow cylinders) even exceeded that from Example 1.
The photographic recordings according to FIGS. 3 and 4 naturally only concern example 2, but optically similar results were obtained for the gearwheel according to example 3.

Example 4 Flow production of steel gears

Gemäß dem in Fig. 5 dargestellten Fließschema werden in einer ersten Fertigungsstufe A bzw. A' Präzisionsstahlrohre unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und unterschiedlichen Durchmessers bereitgestellt, z. B. Stahlrohre der in den Beispielen 1 bis 3 genannten Art.According to the flow diagram shown in FIG. 5, precision steel tubes of different chemical composition and different diameters are provided in a first production stage A or A ', e.g. B. steel pipes of the type mentioned in Examples 1 to 3.

Diese Stahlrohre werden in nachfolgenden Fertigungsstufen B bzw. B' abgelängt und dann in einer Fertigungsstufe C montiert, d. h. die abgeläng ten zylindrischen Rohteile werden ineinandergesetzt.These steel tubes are manufactured in the following production stages B and B ' cut to length and then assembled in a production stage C, d. H. the cut th cylindrical raw parts are put into each other.

In einem anschließenden Fertigungsschritt D werden die montierten Rohteile induktiv auf eine Temperatur erwärmt, die größer ist als die A_c1-Temperatur des äußeren zylindrischen Rohteils.In a subsequent production step D, the assembled raw parts are inductively heated to a temperature that is greater than the A _c1 temperature of the outer cylindrical raw part.

Der darauffolgende Fertigungsschritt E ist der erfindungsgemäße Ver fahrensschritt, in dem die ineinandergesetzten Rohteile einer Warnumformung unterzogen werden, bei der simultan ein Zahnrad erzeugt und die Rohteile so verformt werden, daß eine sowohl stoff- als auch formschlüssige Verbindung zwischen ihnen entsteht.The subsequent manufacturing step E is the Ver according to the invention step in which the nested raw parts of a warning conversion be subjected to a gearwheel and the raw parts be deformed that a both material and positive connection arises between them.

Unmittelbar nach der Warmumformung wird ein soeben erzeugtes Zahnrad in einem Fertigungsschritt F abgeschreckt. Dabei ist im Rahmen der dargestell ten Fließfertigung die Temperatur eines jeden Zahnrades vor dem Abschrecken (noch immer) größer als die A_c1-Temperatur des äußeren Rohteils und die Abkühlgeschwindigkeit beim Abschrecken ist größer als die kritische Ab kühlgeschwindigkelt für das äußere Rohteil.Immediately after hot forming, a gearwheel just created is quenched in a production step F. The temperature of each gear prior to quenching is (still) greater than the A _c1 temperature of the outer blank and the cooling rate during quenching is greater than the critical cooling speed for the outer blank as part of the flow production shown.

In einem letzten fertigungsschritt G wird auf übliche Weise eine Hartfein bearbeitung der fließgefertigten Zahnräder vorgenommen.In a final manufacturing step G, a hard fine is produced in the usual way machining of the flow-manufactured gears.

Eine Pufferlagerung der Zahnräder zwischen den Fertigungsstufen E (Warm umformung) und F (Abschrecken) ist nicht erforderlich, da bereits nach der Warmumformung der erwünschte gradierte Gefügeaufbau und die für die Ab schreck-Härtung des Randbereichs erforderliche hohe (Start-)Temperatur vorliegen.Buffer storage of the gears between production stages E (warm reshaping) and F (quenching) is not necessary because after the Hot forming the desired graded structure and that for the Ab shock-hardening of the edge area required high (start) temperature available.

Claims

1. A method for producing a metallic gearwheel with a graded microstructure, in which a cylindrical metallic blank ( 2 ) is inserted coaxially into a hollow cylindrical metallic blank ( 1 ) with a different chemical composition and the blank parts ( 1 , 2 ) are subjected to a warning transformation, in which a gearwheel ( 11 ) is simultaneously produced and the raw parts ( 1 , 2 ) are deformed in such a way that a materially and also form-fitting connection is formed between them.

2. The method according to claim 1, characterized in that the raw parts are deformed so that after the shaping step material of the inner raw part ( 2 ) is also radially in the region between the tooth base and tooth head of each tooth ( 23 ).

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the deformed outer blank ( 1 ) corresponding edge thickness of the gear ( 11 ) on each tooth base in the region of the 30 ° tangent is between 0.05 and 0.15 m.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the raw parts ( 1 , 2 ) are arranged in a press fit prior to hot forming.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the outer blank ( 1 ) has a greater hardening ability than the inner blank ( 2 ).

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the generated gear ( 11 ) is quenched immediately after the hot forming step.

7. The method according to claim 6, characterized in that the outer blank ( 1 ) consists of steel and the temperature of the gear ( 11 ) before quenching is greater than the A _c1 temperature of the outer blank ( 1 ).

8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the cooling rate during quenching is greater than the critical cooling rate for the outer blank ( 1 ).

9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the metallic raw parts ( 1 , 2 ) is subjected to a treatment for removing superficial impurities prior to the hot forming.

10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the heating of at least one metallic blank ( 1 , 2 ) to the forming temperature and / or the hot forming is carried out at least temporarily under a protective gas atmosphere.

11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the hot forming of the metallic raw parts ( 1 , 2 ) at least one further manufacturing step, such as. B. another forming step or machining, upstream or downstream is tet.

12. gear ( 11 ), producible by a method according to any one of the preceding claims.

13. Gear as claimed in claim 12, characterized in that it comprises an inner region (32) and connected thereto via a contact zone (12) outer portion (31), wherein the outward portion (31) has a different chemical composition than the interior Area ( 32 ).

14. Gear according to claim 13, characterized in that the outer region ( 31 ) is harder than the inner region ( 32 ).

15. Gear according to claim 13, characterized in that the thickness of the outer region ( 31 ) of the gear ( 11 ) on each tooth base in the region of the 30 ° tangent is between 0.07 and 0.13 m.

16. Gear according to claim 12, characterized in that it is in radial Direction comprises three cohesively connected areas, the outer and inner areas being harder than the middle and possibly include the same material.