DE3311696A1

DE3311696A1 - Verfahren zur einsatzhaertung von stahlteilen

Info

Publication number: DE3311696A1
Application number: DE19833311696
Authority: DE
Inventors: Joe R. Mckinney; Roy G. 19518 Douglasville Pa. Swagger
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1982-04-22
Filing date: 1983-03-30
Publication date: 1983-10-27
Also published as: GB8310549D0; KR910003515B1; SE458123B; FR2525638B1; IT8348143A0; SE8302239D0; FR2525638A1; BR8301726A; CA1193948A; ES521691A0; AR231309A1; US4415378A; AU1361283A; IT1164893B; ES8406562A1; KR840004457A; JPS58189323A; ZA832192B; AU554717B2; GB2119408B

Description

Patentanwalts

Dr. re?, nat Thomas Berendt

Dr.-Ing. Hanc Leyh Innere Inferior Str. 20 - D 8G00 Itun&cn CO

Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

DANA CORPORATION
4500 Dorr Street
Toledo, Ohio, U.S.A.

Verfahren zur Einsatzhärtung von Stahl teil en

A 14 643 H Dana Corp.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einsatzhärtung oder Oberflächenhärtung von Stahl teil en, insbesondere zur Steuerung der Qualität der Einsatzhärtung und des Widerstandes von Stahl-Lagerflächen gegen Abnutzung und Verformung.

Eine niedrige Oberflächenhärte und eine damit einhergehende geringe Verschleißfestigkeit haben oft ihre Ursache in der Herstellung der Stahl-Lagerflächen, insbesondere bei Lagerzapfen, wie sie in Kreuzgelenken verwendet werden. Solche Teile werden gewöhnlich aus Stahl-Schmiedestücken hergestellt, wobei üblicherweise das Schmiedestück oder der Preßling wärmebehandelt wurde vor allen spanabhebenden Bearbeitungen, wie z.B. Schleifen. Beim Schleifen, Schwappein oder anderen Endbearbeitungen werden einige hundertste! Millimeter der gehärteten Oberfläche abgetragen, die durch Wärmebehandlung und nachfolgendes Abschrecken hergestellt worden ist. Eine solche spanabhebende Bearbeitung nach der Wärmebehandlung hatte die Wirkung, daß jeglicher Rest-Austenit in solchen oberflächengehärteten Teilen entfernt wurde. Der Rest-Austenit wurde als unerwünscht betrachtet, wegen seiner Neigung, sich bei Arbeitshärtung (work hardening) leicht in ungetemperten Martensit umzuwandeln, oder der Verbiegung von Teilen bei sehr niedrigen Temperaturen. In der Fachwelt wurde allgemein der Standpunkt vertreten, daß ungetemperter Martensit unter allen Umständen zu vermeiden sei, da dieser die Ursache von Dimensionsänderungen der fertigen Teile und ebenso die Ursache von Brüchigkeit und Brüchen ist.

Bisherige Lagerzapfen wurden daher nach der Wärmebehandlung und dem Abschrecken geschliffen, um merkliche Teile der einsatzgehärteten Schichten abzutragen, die typischerweise nur etwa null bis fünf Prozent Rest-Austenit enthalten. Die Vermeidung von sämtlichem ungetemperten Martensit im Endprodukt führte daher zu Lagerflächen, die eine niedrigere, als die erwünschte Oberflächenhärte hatten und ebenso eine niedrigere Festigkeit gegenüber Abrieb, Verschleiß und Verformung.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Lagerflächen von Stahlteilen, wobei die Lagerflächen eine höhere Festigkeit bzw. höheren Widerstand gegen Abrieb, Verschleiß und Deformation haben sollen. Die Oberflächen werden maschinell bearbeitet, aufgekohlt, abgeschreckt, getempert und einer mechanischen Härtung unterzogen, wobei ein relativ hoher Prozentsatz des Austenits, der während des Aufkohlens gebildet wird, durch das Abschrecken erhalten bleibt. Ein beträchtlicher Prozentsatz des Rest-Austenits wird dann während des mechanischen Härtens absichtlich in ungetemperten Martensit umgewandelt.

Vorteilhafterweise werden hierbei zuerst die maschinellen Bearbeitungsschritte ausgeführt, wie Schleifen und andere spanabhebende Bearbeitungen, worauf das Maschinenteil aufgekohlt wird, um eine Kohlenstoffkonzentration in der Oberflächenschicht im Bereich von 0,9 - 1,3% zu erreichen, danach wird das Maschinenteil direkt in öl abgeschreckt, wodurch 10 - 30% Austenit in einer Tiefe von wenigstens 0,25 mm erhalten bleiben, wonach das Maschinenteil in einer kontrollierten Ofenatmosphäre bei konstanter Temperatur getempert wird, worauf schließlich das Maschinenteil mechanisch gehärtet wird, um einen Teil des restlichen Austenits in ungetemperten Martensit umzuwandeln, mit der Folge, daß die Oberflächenschicht wenigstens 5-20% ungetemperten Martensit enthält.

Die einzige Figur der Zeichnung stellt ein oberflächengehärtetes Kreuzgelenk dar, das gemäß der Erfindung bearbeitet worden ist.

Die Erfindung befaßt sich mit der Oberflächenhärtung von Lagerflächen von Stahlteilen, beispielsweise den Oberflächen der Lagerzapfen 12 eines Kreuzgelenkes 10, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Die Lagerzapfen 12, die sich vom Mittelteil 14 des Kreuzgelenkes aus radial erstrecken, stehen in Rollkontakt mit nicht-gezeigten Nadellagern. Solche Oberflächen sollten eine hohe Abriebfestigkeit und hohen Widerstand gegen Verformung aufweisen, außerdem aber auch eine ausreichende Festigkeit gegen Rollkontakt-Ermüdung.

Das Verfahren besteht aus fünf Grund-Arbeitsschritten und die nachfolgende Tabelle zeigt eine bevorzugte Folge dieser Arbeitsschritte, wie sie in der Praxis ausgeführt werden können.

Material: Stahl SAE 8617

Spanabhebende
Bearbeitung

Aufkohlen Direkte Ab- ^f Tempern
schreckung ^!

Arbeitshärtung

Grobabdrehen

Schleifen
oder andere
Endbearbeitung

Temperatur: 840-950⁰C

Dauer: 3-6 Std.

Effektive Schichttiefe: wenigstens 0,25mm .

Kohl enstoffkonzentration in der Oberfläche: 0,9-1,3% Temperatur: Temperatur:

O1C nnnOp mn oncOr

815-900"C

Abschreckmittel :
öl mit
26-55⁰C

Dauer:
3-7 min.

349-205^uC

Dauer:
1-1,5 Std.

Technik: Kugelstrahlen

Material: ASTM 390 Hartstahl kugeln

Stärke: Almen-Test "A" Bogenhöhe
0,4-0,66mm

Oberflächen härte in Rockwell C:	63-67 .	59-64 i	59-68
Zusammen setzungen:
Austern't, Rest	I U OU /ο	10-30%	5-10%
Getemperter Martensit	i 0% [	70-90%	70-90%
Ungetemperter Martens it ■ ,..,—,■■,-■ . .... ■..—--- — -. 4	1 70-90% J	0%	5-20%

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Zuerst werden die Zapfen 12 des Kreuzgelenkes 10 voll maschinell, d.h. spanabhebend bearbeitet. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist dabei, daß alle spanabhebenden Bearbeitungen in einer ersten Phase ausgeführt werden, um jegliches Abtragen von gehärtetem Oberflächenmaterial zu vermeiden. Wie sich aus der Tabelle ergibt, wird das Kreuzgelenk 10 somit zunächst maschinell bearbeitet, z.B. auf einer Drehbank grob abgedreht, worauf eine Feinbearbeitung folgt, z.B. Schleifen auf die gewünschten Endabmessungen und Toleranzen. Das Kreuzgelenk 10 wird zweckmäßigerweise als Schmiedestück gepreßt und die Lagerzapfen 12 werden, wie beschrieben, auf die endgültigen Maße und Toleranzen fertigbearbeitet, zur Verwendung als Lagerflächen für Wälzlager.

Danach wird das Teil 10 bei einer Temperatur im Bereich von 840-950⁰C aufgekohlt. Diese Aufkohlung erfolgt über eine Zeit von etwa 3-6 Stunden. Der Aufkohlungs- oder Einsetzofen kann ein kontinuierlich arbeitender Stoßofen sein, bei welchem ein endothermisches Gas als Träger für eine gewünschte Atmosphäre zur Erreichung eines hohen Kohlenstoffpotentials verwendet wird. Das Trägergas ist zweckmäßigerweise mit einem Kohlenwasserstoffgas angereichert, beispielsweise Methan. Die Kohlenstoffkonzentration in der Oberflächenschicht beträgt vorzugsweise etwa 0,9-1,3%. Unter den genannten Bedingungen gewährleistet diese Konzentration, daß die Tiefe der aufgekohlten Schicht wenigstens 0,25mm beträgt. In manchen Bereichen der aufgekohlten Flächen kann unter diesen Bedingungen eine Oberflächenhärte bis zu einer Tiefe von 1,25mm erreicht werden. Durch dieses Einsetzen wird gewährleistet, daß ein beträchtlicher Anteil von Austenit in der Oberflächenschicht des Teiles 10 verbleibt.

Abhängig vom Kohlenstoffgehalt des Stahles wird die austenitische Phase des Stahles bei einer Temperatur von 723⁰C erreicht bei der eutektoiden Zusammensetzung von 0,8% Kohlenstoff und bei höheren Temperaturen für alle anderen Kohlenstoffanteile. Von allen Stahl-Phasen hat die austenitische Phase die größte Affinität zur Aufnahme von Kohlenstoffatomen, wobei jedoch nur etwa 2% Kohlenstoff im Stahl unter idealen Bedingungen absorbiert werden kann. Wenn nach der Aufkohlung der Stahl langsam abgekühlt wird, wandern die Kohlenstoffatome aus der kristallinen Struktur des Austenits aus

-MT-

und die Verbindung verändert sich und erhält eine unerwünschte brüchige Struktur, z.B. zementit. Es wird daher eine schnelle Abschreckung angewendet, um ein Einfrieren der austenitischen Struktur zu bewirken, ehe die Kohlenstoffatome wandern können. Das Ergebnis ist eine Phase mit einer stärkeren und daher mehr erwünschten kristallinen Struktur bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise Martensit, aer bei niedrigeren Temperaturen stabiler ist als Austenit, hinsichtlich der metallurgischen Eigenschaften jedoch gegenüber dem letzteren nur wenig differiert.

Im Gegensatz zur Erfindung, bei der ein möglichst großer Anteil von Rest-Austenit erreicht werden soll (etwa 10-30% nach der Abschreckung), waren bisher die Anstrengungen darauf gerichtet, den Restaustenit und damit den resultierenden Martensit so gering wie möglich zu halten, hauptsächlich um Brüchigkeit und Brüche der fertigen Teile zu vermeiden. Deshalb wurden bisher auch Kohlenstoff-Konzentrationen im Bereich von nur 0,8 - 1,0% verwendet, um den Anteil an Rest-Austenit so gering wie möglich zu halten. Nach der Erfindung wird hingegen das Teil 10 nach dem Abschrecken getempert, um den hohen Anteil an ungetempertem Martensit, der beim Abschrecken entsteht, zu reduzieren.

Um eine Aufkohlung des Kreuzgelenkes 10 zu erreichen, sollte der Stahl Kohlensoff-Qualitat haben. Je niedriger der Kohlenstoffgehalt des Stahles ist, umso leichter wird das aufzukohlende Teil in verhältnismäßig kürzerer Zeit gesättigt. Beispielsweise wird bei einem Nickel-Chrom-Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, gemäß SAE 8617, eine Kohlenstoffkonzentration von o,9 - 1,3 mit einer Mindesttiefe von wenigstens 0,25 mm bei einer Temperatur von 900⁰C in 3-6 Stunden erreicht. Ein Stahl SAE 8610, der eine identische Zusammensetzung, außer einem niedrigeren Kohlenstoffgehalt hat, kann Kohlenstoff unter denselben Bedingungen leichter absorbieren, während ein Stahl SAE 8620 mit einem höheren Kohlenstoffgehalt entsprechend weniger Kohlenstoff absorbiert. (Stahl SAE 8617 hat einen Kohlenstoffgehalt von 0,17).

Nach der Herausnahme des Teiles 10 aus dem Einsetzofen, wobei die Temperatur nur leicht auf einen Bereich von 815-900⁰C abfallen darf,wird das Teil

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direkt über eine Zeit von 3-7 Minuten in öl abgeschreckt, das auf einer Temperatur von 26-55⁰C gehalten wird. Eine direkte Abschreckung wird vorgezogen, gegenüber einer indirekten Abschreckung, da die letztere zu einem kleineren Anteil an Rest-Austenit führt. Beim indirekten Abschrecken, wie es häufiger bei Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt angewendet wird, wird das Teil nach dem Abschrecken wieder erwärmt, auf eine Temperatur knapp unterhalb der austenitischen Phase, dann langsam abgekühlt, damit sich der Austenit in Bainit umwandelt, eine weichere ferritische Phase, die duktil ist und sich für Lagerflächen nicht eignet.

Wie die Tabelle zeigt, führt die direkte ölabschreckung zu einem Rest-Austenit von etwa 10-30% und einer Rockwell-Härte C von 63-67 über der gehärteten Oberfläche des Kreuzgelenkes 10. Die ölabschreckung erfordert mehr Zeit als die Abschreckung in Wasser, bei der infolge der schnellen Abkühlung Oberflächenrisse auftreten können.

Während des nachfolgenden Temperns wird das Werkstück wieder erwärmt, um Zugspannungen im Oberflächenbereich, die durch das Abschrecken entstehen können, abzubauen. Das Teil 10 wird daher auf eine Temperatur von etwa 150-205⁰C und eine Zeit von etwa 1,5 Stunden erwärmt. Während dieser Periode nimmt die Rockwell-Härte C von 63-67 auf etwa 59-64 ab. Obwohl eine relativ hohe Rockwell-Härte durch das Abschrecken erreicht wird, ist der Anteil an ungetempertem Martens it (70-90% gemäß Tabelle) unerwünscht hoch. Er muß daher reduziert werden, um die Festigkeit zu steigern und Brüchigkeit zu vermeiden. Ferner wird durch das Tempern eine evtl. ungleiche Verteilung der Härte über der Oberfläche ausgeglichen und eine gleichmäßigere Härte über die Oberfläche erreicht.

Nach dem Tempern folgt die letzte Bearbeitung, eine Arbeits-Härtung der Oberflächenschicht. Durch diese Härtung wird ein kleinerer und mehr erwünschter Anteil an ungetempertem Martensit im Oberflächenbereich des Bauteils erzeugt. Es kann hierbei nur Rest-Austenit in ungetemperten Martensit durch diesen Härtevorgang umgewandelt werden. Getemperter Martensit kann hingegen nicht in ungetemperten Martensit zurückverwandelt

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werden. Der Rest-Austenit ist daher die einzige Quelle für ungetemperten Martens it nach dem Abschrecken und Tempern.

Als Arbeits-Ha'rtungs-Methode wird das Kugelstrahlen (shot peening) vorgezogen, unter Verwendung von Hartstahl-Kugelη gemäß ASTM 390. Durch das Kugelstrahlen wird ein beträchtlicher Anteil des Rest-Austenits in ungetemperten Martensit umgewandelt, was zu einer Zusammensetzung führt mit etwa 5-20% ungetempertem Martensit in einer effektiv gehärteten Oberflächenschicht von wenigstens 0,25 mm mit einer Rockwell-Härte C von 59-68. Um diese Härtewerte zu erreichen, muß das Kugelstrahlen ausreichend stark sein, um nach dem Almen-Test A eine Bogenhöhe von 0,4-0,66 mm zu erreichen.

Ein weiterer Vorteil dieses Härtevorganges besteht darin, daß in der Oberflächenschicht Druckspannungen induziert werden, wodurch die Lebensdauer des Bauteiles erhöht wird. Diese Spannungen resultieren daraus, daß die kristalline Struktur von ungetempertem Martensit etwas größer als die von Austenit ist. Es entsteht somit eine leichte Ausdehnung der Oberflächenschicht, da ein beträchtlicher Teil des Rest-Austenits in ungetemperten Martensit durch das Kugelstrahlen umgewandelt wird. Die Kombination einer größeren Oberflächenhärte und Oberflächen-Druckspannungen ergibt bessere und leistungsfähigere Lagerflächen j die in Verbindung mit Wälzlagern und unter hohen Belastungen verwendet werden können, beispielsweise als Lagerzapfen 12 eines Kreuzgelenkes 10.

Es wird angenommen, daß der höhere Kohlenstoffgehalt, wie er hier verwendet wird, einen kleinen Anteil an Karbiden in der Oberflächenschicht erzeugt, die ebenfalls zu dem höheren Widerstand gegen Verschleiß beitragen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch für andere Lagerteile, z.B. für den Innenring eines Kreuzgelenklagers, oder auch für die Lager von Wellen u.dgl.

Claims

- A 14 643 Dana Corp. Patentansprüche

1. Verfahren zur Oberflächenhärtung eines Stahlteiles, dessen Oberflächenbereich etwa 10-30% Austenit enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mechanisch gehärtet wird, um den Austenit in wenigstens 5-20% ungetemperten Martensit umzuwandeln.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche spanabhebenden Bearbeitungen an der Oberfläche einschließlich der Feinbearbeitung vor dem Aufkohlen der Oberfläche ausgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufkohlen bei einer Temperatur im Bereich von 840-950⁰C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Aufkohlung etwa 3-6 Stunden beträgt, und daß die Tiefe der Aufkohlung wenigstens etwa 0,25 mm beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlteil nach dem Aufkohlen mit einer Temperatur von wenigstens etwa 815⁰C in öl etwa 5 Minuten lang abgeschreckt wird, wobei das öl eine Temperatur im Bereich von etwa 26-55⁰C hat.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlteil nach dem Abschrecken mit einer Temperatur im Bereich von etwa 149-205⁰C über eine Zeitdauer von etwa 1-1,5 Stunden getempert wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Härtung durch Kugelstrahlen erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelstrahlen mittels Hartstahl kugel η oder Hartgußkugeln erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Abschrecken eine Oberflachenzusammensetzung von 70-90% ungetempertem Martensit und 10-30% Rest-Austenit erzielt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem mechanischen Härten der Oberflächenbereich 70-90% getemperten Martensit und 5-20% ungetemperten Martensit bis zu einer Tiefe von wenigstens 0,25 mm enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufkohlen in einem Gasofen durchgeführt wird, in welchem ein endothermisches Trägergas mit einem Kohlenwasserstoffgas angereichert ist.

12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spanabhebende Bearbeitung besteht aus einem groben Abdrehen und einer Feinbearbeitung.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenhärte des Stahlteiles nach der mechanischen Härtung gegeben ist durch eine Bogenhöhe von 0,4-0,66 mm nach dem Almen-Test A.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche eines Einsatzstahles auf einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,9-1,3% aufgekohlt wird, daß die Oberfläche direkt in öl abgeschreckt wird, wobei etwa 10-30% Austenit in der Oberflächenschicht verbleiben, daß die Oberfläche in einer vorgegebenen Ofenatmosphäre mit vorgegebener Temperatur getempert wird, und daß die Oberfläche mechanisch gehärtet wird, um den Rest-Austenit in wenigstens 5-20% ungetemperten Martensit umzuwandeln.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß durch die mechanische Härtung in der Oberflächenschicht Druckspannungen aufgebaut werden.