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Verfahren zur Behandlung von Metallen Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Behandlung von Teilen aus eisenhaltigen Metallen.
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Bei der Behandlung von Teilen aus Eisen oder eisenhaltigem Metall
ist es bekannt, die aufgekohlten (karburierten) Teile einer Kugelstrahlbehandlung
(shotpeen) zu unterziehen, um ihre Dauerfestigkeit (Lebensdauer bis zur Ermüdung)
zu erhöhen. Es ist weiterhin bekannt, die der Kugelstrahlbehandlung unterzogenen,
aufgekohlten Teile zu phosphatieren, um eine Oberfläche zu erzeugen, welche Schmiermittel
festhält und welche auch sonst das Einschleifen der Teile erleichtert.
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Bei der Phosphatierung wird die Oberfläche der Metallteile mit einer
Phosphersäurelösung oder mit einer Phosphorsäure-Mangancarbonat-Lösung behandelt,
vorzugsweise dadurch, daß man die Teile in die Lösung eintaucht. Es ist weiterhin
bekannt, Metallteile durch Aufkohlung der Oberfläche, mechanische Bearbeitung der
Oberfläche und anschließende Phosphatierung der Oberfläche zu behandeln, wie es
beispielsweise in der USA-Patentschrift 2 476 345 beschrieben ist, nach welcher
die Behandlungsschritte in der vorstehend angegebenen Reihenfolge durchgefilhrt
werden.
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Es wurde nun ein verbessertes Verfahren zur Behandlung von aufgekohlten
Teilen gefunden, nach dem die Teile anschließend an den Aufkohlungsprozeß phosphatiert
werden, worauf, in einer letzten Stufe, die Oberfläche der Teile einer Kugelstrahlbehandlung
unterzogen wird. Es wurde gefunden, daß die Lebensdauer der Teile nach diesem Verfahren
wesentlich verlängert werden kann. Durch die Phosphatierung, die sich an die Äufkohlung
anschließt, werden Teile der Oberfläche sowie die in der Nähe der Oberfläche liegenden
Oxyde, die bei der Aufkohlung gebildet werden, entfernt; weiterhin werden gewisse
unerwünschte Spannungsflächen, die auf der Oberfläche der Teile zurückgeblieben
sind, entfernt. Durch die Kaltbearbeitung der Teile anschließend an die Phosphatierung
wird die Dauerfestigkeit der Teile merklich verbessert, was bei dem bekannten Verfahren,
bei dem die Kugelstrahlbehandlung vor der Phosphatierung erfolgt, nicht der. Fall
ist.
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Es wurde weiter gefunden, daß bei Anwendung des verbesserten Verfahrens,
bei dem sich die Kugelstrahlbehandlung an die Phosphatierung anschließt, ein Teil
des bei der Phosphatierung aufgebrachten Uberzuges auch nach der Kugelstrahlbehandlung
erhalten bleibt, so daß die normalen Vorteile der Phosphatierung noch zur Geltung
kommen.
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Bei der Herstellung von Teilen aus Eisen oder eisenhaltigen Metallen,
die einer Belastung ausgesetzt sind, z.B. Getriebe und Transmissionen, ist es bekannt,
zuerst eine Aufkohlung vorzunehmen, um eine im Einsatz gehärtete Oberfläche mit
guter Verschleißfestigkeit zu erzeugen, die Oberfläche anschließend einer Kugelstrahlbehandlung
zu unterziehen, um die Oberfläche kalt zu bearbeiten und an der Oberfläche die gewAnschte
Spannung (stress) zu erzeugen und die Oberfläche zu phosphatieren, um eine zum Einschleifen
(wear-in) des
Teils geeigneten Uberzug zu erzeugen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Behandlung von Teilen aus Eisen
oder eisenhaltigen Metallen zwecks Erhöhung ihrer Lebensdauer ist durch die nachstehend
angegebenen, aufeinanderfolgenden Schritte gekennzeichnet: (1.) Einsatzhärtung der
äußeren Oberfläche des Teils durch Aufkohlung (2.) Phosphatierung des Teils und
(3.) Erzeugung von Spannungen in der Oberfläche des Teils durch Kaltbearbeitung
der äußeren Oberfläche.
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Die Eigenschaften von Teilen, die nach dem verbesserten Verfahren
gemäß der Erfindung behandelt worden sind, ergeben sich beispielsweise aus Tabelle
I, in welcher die Versuchsergebnisse bei Zahnrädern für ein dreistufiges Getriebe
aus SAE-4027-Stahl angegeben sind. In Jeder Gruppe wurden vier Proben untersucht,
wobei jede Probe in einem kontinuierlichen Gas-Aufkohlungsofen behandelt wurde,
um eine Aushärtetiefe von etwa 0,89 bis 1,04 mm (0,035 bis O'045t), geme,ssen am
Teilkreisdurchmesser des Zahnrades, zu erzeugen; Jede Probe wurde weiterhin in öl
abgeschregkt wobei nach dem Tempern bei etwa 177 bis 1900C (350 bis 3750F) eine
Rockwell-Härte von mindestens 58 erhalten wurde. Bei den vier Versuchen, die in
den Gruppen A und B durchgeführt wurden, wurden die Teile mit einer Kugelstrahlvorrichtung
mit mechanischem Rad unter Verwendung von Gußstahlkugeln SAE 230 über den gleichen
Zeitraum behandelt. Nach der Kugelstrahlbehandlung wurden die Proben von Gruppe
A phosphatiert, wobei ein Eisen-Mangan-Phosphatüberzug in Form einer feinen, kristdlinen
haftenden Schicht mit einer Dicke von etwa 0,0075 bis 0,01 mm (0,0003 bis 0,0004')
erhalten wurde. Bei der Phosphatierung wurde eine Lösung verwendet, die 35 , Nangandihydrogenphosphat,
Salpetersäure als Beschleuniger in einer Menge von 2 96
und Phosphorsäure
in einer Menge, um die Bestandteile in Lösung zu halten, enthielt; der Rest war
Wasser. Die Kugelstrahlbehandlung und die Phosphatierung der Proben der Gruppe B
vurden,wie vorstehend angegeben, durchgeführt, jedoch mit der Abweichung, daß die
Kugelstrahlbehandlung erfindungsgemäß nach der Phosphatierung durchgeführt wurde.
Die Zahnräder wurden mit dazu passenden Zahnrädern unter einer Belastung von etwa
118 kg (260 +') bei 2500 U/min laufen gelassen.
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Tabelle I Gruppe durchschnittliche Lebensdauer A 9t3 Std.
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B 19,0 Std.
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Die Teile wurden so lange laufen gelassen, bis ßie derart verschlissen
waren, daß das Geräusch so störte, daß die Zahnräder als unbrauchbar gelten konnten.
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Die vorstehend angegebenen Ergebnisse zeigen, daß die durchschnittliche
Lebensdauer der Proben von Gruppe A, die nach dem bekannten Verfahren (zuerst Kugelstrahlbehandlung,
dann Phosphatierung) behandelt waren, nur etwa 9,3 Std. betrug.
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Bei d.en Proben von Gruppe B, die nach dem vorliegenden Verfahren
behandelt wurden, betrug die durchschnittliche Lebensdauer 19 Std. Alle für den
Versuch verwendeten Teile stammten aus derselben Stahlcharge und waren gleichzeitig
geschmiedet, mechanisch bearbeitet, aufgekohlt und der Kugelstrahlbehandlung unterzogen.
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Die Eigenschaften der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung
hergestellten
Teile wurden weiterhin durch Versuche mit Probestäben aus SAE-8620-Stahl bestimmt.
Die Stäbe hatten die ungefähren Abmessungen 101 x 11,4 x 11,4 mm (4,00 x 0,45 x
0,45'). Bei den Versuchen handelte es sich um ErmUdungsversuche, bei denen die Stäbe
an beiden Enden auf Unterlagen im Abstand von etwa 95 mm (3,750') gehalten wurden,
wobei in der Mitte des Stabes eine maximale Biegebelastung von etwa 13800 kg/cm2
(196000 psi) bei einer Frequenz von 10000 Schwingungen pro Minute einwirkte. Für
die in Tabelle II angegebenen Versuche mit den Gruppen A,B und C wurden für Jede
Gruppe 20 Probestäbe verwendet.
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Tabelle II Gruppe Behandlung durchschnittliche durchschnittliche
durchschnittliche Wechselbean-Härte Restspannung 0,07 Restspannung spruchungen Rockwell
Röntgen kg/cm² (10 psi) kg/cm² (psi) über gesamte (Rc) Zugseite Druckseite Lebensdauer
B 10 B 50 A aufgekohlt 62,0 52,7 -8,25 -8,7 -8455 13700 34300 kugelge- (-117,6)
(-123,4) (-120253) strahlt B aufgekohlt 61,7 51,6 -7,25 -7,65 -7435 14200 34400
kugelge- (-102,8) (-108,8) (-105807) strahlt phosphatiert C aufgekohlt 61,2 52,8
-8,55 -8.75 -8625 16800 48100 phospha- (-121,6) (-124,1) (-122848) tiert kugelgestrahlt
Wie
in Tabelle II angegeben ist, wurden die Teile von Gruppe A nur aufgekohlt und kugelgestrahlt.
Die Teile der Gruppe B wurden (1.) aufgekohlt, (2.) kugelgestrahlt und (3.) phosphatiert
(bekanntes Verfahren zur Behandlung von Teilen aus eisenhaltigem Metall). Die Teile
der Gruppe C waren nach dem vorliegenden Verfahren hergestellt, d.h. sie wurden
(1.) aufgekohlt, (2.) phosphatiert und (3.) anschließend kugelgestrahlt, um die
Oberfläche der Teile durch Kaltbearbeitung unter Spannung zu setzen. Tabelle II
zeigt auch, daß die BIO Lebensdauer der Teile, die nach dem Verfahren gemäß der
Erfindung behandelt wurden (Gruppe C) 16800 Wechselbeanspruchungen betrug, während
die Lebensdauer der Proben von Gruppe B, die nach bekannten Verfahren hergestellt
wurden, nur 14200 Wechselbeanspruchungen betrug. Die B10-Lebensdauer bezieht sich
auf die Lebensdauer, bei der 10 , der Teile versagten. Die Tabelle zeigt weiterhin,
daß die B50-Lebensdauer der erfindungsgemäß behandelten Teile 45100 Wechselbeanspruchungen
betrug, verglichen mit 34400 Wechselbeanspruchungen für die nach den bekannten Verfahren
behandelten Teile (Gruppe B); die B50-Lebensdauer bezeichnet den Zeitpunkt, an welchem
die Hälfte der Teile im Versuch versagten.
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Erfindungsgemäß können auch andere Kaltbearbeitungsverfahren, z.B.
Walzen, anstelle der Kugelstrahlbehandlung angewendet werden.
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Aus den vorstehenden Werten ergibt sich, daß die Dauerfestigkeit von
Teilen aus Eisenmetallen merklich verbessert werden kann, was bei Kenntnis des Standes
der Technik nicht zu erwarten war.
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-Patentansprüche-