1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung eines Zahnrads aus Gusseisen, insbesondere ein Verfahren zur
Herstellung eines Zahnrads aus Gusseisen durch Heiß- bzw. Warmwalzen.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
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Herkömmlich waren die beiden folgenden Verfahren als Beispiele des
Verfahrens zur Herstellung von Zahnrädern aus Gusseisen wohlbekannt.
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(1) Eine ring- bzw. kreisförmige Platine aus Gusseisen mit Kugelgraphit
wird einem Zahnradschneiden unterzogen um entlang ihres Umfangs Zähne
zu erzeugen, und die erzeugten Zähne werden einem Induktionshärten und
Tempern unterzogen, um ihnen eine gute Verschleißbeständigkeit und
Zähigkeit zu verleihen;
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(2) geschmolzenes Gusseisen mit Kugelgraphit wird in einen Hohlraum
einer Gussform gegossen, die durch einen Präzisionsgießprozess, wie
beispielsweise einem Niederdruck-Formprozess, hergestellt wurde, und kann
darin erstarren, wodurch Zähne zusammen mit einem Basisabschnitt
gegossen werden, wobei anschließend ein Walzstempel gegen die Zähne
gepresst wird, um sie durch Kaltwalzen mit hoher Genauigkeit fertigzustellen,
und die Zahnoberflächen durch Induktionshärten gehärtet werden
(Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Sho 64-26046).
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Die durch die obenstehend genannten beiden Verfahren hergestellten
Gusseisenzahnräder weisen folgende Probleme auf:
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(1) Wenn die Zähne durch Zahnradschneiden erzeugt werden, sind
sowohl die Produktivität als auch die Produktionskosten unzulänglich, und
Graphitpartikel liegen an den erzeugten Zähnen frei und bilden auf diese
Weise Kerben, welche eine Spannungskonzentration verursachen und die
Festigkeit der Zähne vermindern. Aufgrund des Induktionshärtens können
Härterisse auftreten, weil Gusseisen im Vergleich zu Stahl eine größere
Menge Kohlenstoff und Silizium enthält.
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(2) Wenn die Zähne durch Verwendung des Präzisionsgießprozesses
erzeugt werden, wie beispielsweise dem Niederdruck-Formprozess, sind die
Gusskosten hoch. Auf das Kaltwalzen zum Fertigstellen der Zähne hin
können Walzrisse auftreten, weil die Verformungsfähigkeit von Gusseisen
(inklusive duktilem Gusseisen) im Kaltbereich klein ist, und Graphitpartikel
des Gusseisens zerdrückt werden und an den Zahnoberflächen freiliegen,
wodurch die Festigkeit der Zähne abgesenkt wird. Des Weiteren wird im
folgenden Induktionshärteprozess aufgrund des Kaltwalzens eine Eigen-
bzw. Restspannung frei, wodurch die Zahnradgenauigkeit vermindert wird.
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Die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Hei 5-93225
offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern aus Gusseisen,
welches Folgende Schritte aufweist:
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Erhitzen eines aus Gusseisen mit Kugelgraphit zusammengesetzten
Rohlings, der entlang eines Umfangs seines Basisbauteils Zähne aufweist,
auf einen Austenitisierungstemperaturbereich; Abkühlen des so auf einen
Bainittemperaturbereich erhitzten Rohlings; den so abgekühlten Rohling
einem Walzprozess Unterziehen; und anschließendes Fertigstellen der
Zähne durch Warmwalzen. Dieses Verfahren kann die oben beschriebenen
Probleme (1) und (2) beheben, ist aber bei Produktivität und
Produktionskosten unvorteilhaft, weil es eine isotherme Umwandlung und
warmes Fertigstellungswalzen verwendet und dementsprechend die
Behandlungszeit des Verfahrens lang ist.
Zusammenfassung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Herstellen von Zahnrädern aus Gusseisen bereitzustellen, die bei guter
Produktivität und bei reduzierten Produktionskosten eine hohe Genauigkeit
aufweisen und frei von einer Absenkung der Festigkeit aufgrund von
freiliegenden Graphitpartikeln und dem dementsprechenden Auftreten von
Härterissen und Walzrissen sind und eine hohe Festigkeit aufweisen.
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Die Erfindung wird in den Ansprüchen 1 bis 4 bestimmt.
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Das Verfähren der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte des
Erhitzens bzw. Erwärmens eines aus Gusseisen bestehenden Rohlings, der
einen Zähne bildenden Abschnitt aufweist, so dass die Temperatur
zumindest des Zähne bildenden Abschnitts des Rohlings auf zumindest
einen Austenitisierungstemperaturbereich ansteigt (Erhitzungs- bzw.
Erwärmungsprozess) und des anschließenden Pressens von vorstehenden
Zähnen einer Walzmaschine gegen den Zähne bildenden Abschnitt des
Rohlings, welcher sich in einem heissen Zustand innerhalb des
Austenitisierungs- bzw. austenitisierten Temperaturbereichs befindet, bei
gleichzeitigem Kühlen des erhitzten Rohlings, wodurch ein Zähne-Abschnitt
in dem Zähne bildenden Abschnitt des Rohlings erzeugt wird
(Warmwalzprozess).
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Der Warmwalzprozess kann durchgeführt werden, wenn sich der
Zähne bildende Abschnitt in einem Bereich der Austenit-Ferrit-Phase, einem
stabilen Austenitbereich oder einem Unterkühlungs- oder metastabilen
Austenitbereich befindet. Alternativ dazu kann der Warmwalzprozess
während der Umwandlung des Zähne bildenden Bereichs in Perlit beendet
werden. Dort, wo der Bearbeitungs- bzw. Umformgrad klein ist, wie in einem
Formgebungs-("Sizing")-Prozess, wird Warmwalzen vorzugsweise während
der Umformung des Zähne bildenden Abschnitts zu Perlit ausgeführt.
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Im Erhitzungsprozess wird der Rohling im Temperaturbereich 10 bis
160ºC unterhalb seiner Schmelzbeginntemperatur gehalten.
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Der Erhitzungs- bzw. Aufheizprozess wird so ausgeführt, dass der
Zähne bildende Abschnitt bis zur Tiefe von 1,5-1,8 mal der Gesamttiefe des
zu erzeugenden Zähne-Abschnitts austenitisiert wird, wobei diese
Erhitzungsbedingung während des gesamten Walzprozesses beibehalten
wird. Des Weiteren wird im Warmwalzprozess die Temperatur des Zähne
bildenden Abschnitts, der zur Ausbildung von nicht weniger als 90% der
Gesamttiefe des zu erzeugenden Zähne-Abschnitts ausgelegt ist, nicht unter
750ºC gehalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Rohling nach dem
Erhitzungsprozess von 1000 auf 600ºC mit einer Rate von nicht weniger als
25ºC/s abgekühlt und anschließend von 600 auf 400ºC mit einer Rate von
nicht weniger als 10ºC/s abgekühlt, wobei der sich daraus ergebende
Zähne-Abschnitt eine Martinsit-basierte Struktur oder eine Gemischstruktur
aus Martinsit und feinem Perlit aufweist.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird der Rohling nach
dem Erhitzungsprozess von 1000 auf 600ºC mit einer Rate von nicht
weniger als 25ºC/s abgekühlt und anschließend von 600 auf 400ºC mit
einer Rate von nicht weniger als 1ºC/s und weniger als 10ºC/s abgekühlt,
oder von 1000ºC auf 600ºC mit einer Rate von nicht weniger als 1ºC/s und
weniger als 25ºC/s abgekühlt, wobei der sich daraus ergebende Zähne-
Abschnitt eine feinperlitbasierte Struktur oder eine Gemischstruktur aus
Ferrit und Perlit aufweist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach dem
Heißwalzprozess wenigstens eine Nitrierhärtebehahdlung, eine
Softnitrierhärtebehandlung oder eine Schwefel- und Nitrierhärtebehandlung
ausgeführt.
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Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der Rohling so
erhitzt, dass die Temperatur von zumindest dem Zähne bildenden Abschnitt
auf zumindest den Austenitisierungstemperaturbereich ansteigt, wobei
während dem Abkühlen des so erhitzten Rohlings die vorstehenden Zähne
der Walzmaschine gegen den Zähne bildenden Abschnitt des Rohlings im
Austenitisierungstemperaturbereich gepresst werden, um den Zähne-
Abschnitt im Zähne bildenden Abschnitt des Rohlings zu erzeugen.
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Da der Zähne-Abschnitt durch Warmwalzen erzeugt wird, kann der
Walzprozess in dem ausgesprochen hohe Verformbarkeit zeigenden
Zustand ausgeführt werden, so dass das Auftreten von Walzrissen
verhindert und das Freiliegen von Graphitpartikeln an den Zahnoberflächen
stark reduziert werden kann, wodurch ein Absinken der Festigkeit aufgrund
der Bildung von Kerben, welche aufgrund des Freiliegens von
Graphitpartikeln gebildet werden würden, verhindert werden kann.
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Da der Zähne-Abschnitt unter Verwendung der plastischen Verformung
des Rohlings bei Temperaturen der Umwandlungstemperatur erzeugt wird,
werden alte γ-Partikel in Zahnoberflächen verfeinert. Insbesondere werden
alte γ-Partikel im Tal- bzw. Grundbereich verfeinert, die hohe
Bearbeitungsgrade aufweisen und denen eine hohe Festigkeit abverlangt
wird. Wenn die Oberfläche, an der alte γ-Partikel verfeinert wurden, einem
Härten unterzogen wird, wird sie bei einer relativ niedrigen Temperatur
austenitisiert, um eine metallische Struktur von Feinmartinsit zu bewirken,
wodurch die Erzeugung von Abschnitten mit hohen Festigkeiten ermöglicht
wird. Wie obenstehend beschrieben, wird durch die Erzeugung des Zähne-
Abschnitts mit Warmwalzen die Struktur verfeinert, um die
Härterissanfälligkeit des Gusseisenmaterials zu reduzieren, das eine hohe
Menge von Kohlenstoff und Silikon enthält, welche das Auftreten von
Härterissen bewirken würde, wodurch dem Auftreten von Härterissen
vorgebeugt wird.
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Des Weiteren treten, da der Zähne-Abschnitt durch Warmwalzen
erzeugt wird, kaum Arbeitsspannungen auf. Dementsprechend findet kaum
ein Absinken der Genauigkeit wegen dem Freiwerden von Eigenspannung
nach dem Wiedererhitzen im Härte-, Temper-, Nitrier- oder ähnlichen
Prozessen statt.
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Zusätzlich ist das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung dem
konventionellen Zahnradschneideverfahren im Bezug auf Produktivität und
Produktionskosten überlegen.
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Im Erhitzungsprozess der vorliegenden Erfindung kann durch Halten
des Rohlings in einem hohen Temperaturbereich, welcher nur 10 bis 160ºC
unterhalb seiner Schmelzbeginntemperatur liegt, Kohlenstoff über ein
Grundgefüge des Zähne bildenden Abschnitts innerhalb kurzer Zeit verteilen,
weil die Dispersionsrate des Kohlenstoffs mit der Temperatur ansteigt.
Dadurch wird eine Verbesserung der Produktivität ermöglicht und ein
Absinken der Genauigkeit aufgrund einer Übertragung von thermischer
Energie über den gesamten Rohling verhindert, was durch eine lange
Aufheizzeit verursacht werden würde. Des Weiteren kann durch eine
Erhöhung des Kohlenstoffgehalts des Grundgefüges, aus dem sich der
Zähne bildende Abschnitt zu einem festgelegten Wert zusammensetzt, seine
Härte nach dem Abkühlen erhöht werden.
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Im Erhitzungsprozess der vorliegenden Erfindung kann das Auftreten
von Rissen bzw. Sprüngen in den Zahnoberflächen wirksam reduziert
werden durch Erhitzen des Zähne bildenden Abschnitts des Rohlings, so
dass er auf eine Tiefe von 1,5-1,8 Mal der Gesamttiefe des zu erzeugenden
Zähne-Abschnitts austenitisiert wird, und durch Ausführen des
Warmwalzprozesses in diesem Erhitzungszustand, so dass der Zähne
bildende Abschnitt, der zu Erzeugung von nicht weniger als 90 Prozent der
Gesamttiefe des Zähne-Abschnitts ausgelegt ist, auf nicht weniger als
750ºC gehalten wird. Wenn die zu austenitisierende Er- bzw.
Durchhitzungstiefe "H" kleiner als 1,5 Mal der Gesamtzahntiefe "h" gesetzt
wird, wird der Materialverlauf im Zahngrund so schlecht, dass
Faltungsdefekte auftreten können, wodurch das Auftreten von Rissen in den
Zahnoberflächen nicht wirksam verringert wird. Wenn die Durchhitzungstiefe
"H" auf über 1,8 Mal der Gesamtzahntiefe gesteigert wird, wird die benötigte
Aufheizzeit länger, wodurch die Produktivität gesenkt wird und wodurch die
Zahnradgenauigkeit sinken kann. Wenn die Temperatur zur Bildung von 90
Prozent der Gesamtzahntiefe im Zähne bildenden Abschnitt auf unter 750ºC
abgesenkt wird, wird der Verformungswiderstand des Materials größer und
der Materialverlauf schlechter, infolgedessen das Auftreten von Rissen in
den Zahnoberflächen nicht wirksam verringert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Abkühlrate des erhitzten
Rohlings nicht speziell eingegrenzt. Dadurch, dass die Abkühlrate so gelegt
wird, dass die folgenden Strukturen realisiert werden, können
charakteristische Effekte und Vorteile beim Betrieb erzielt werden.
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Da, wo die Abkühlrate von nicht weniger als 25ºC/s im
Temperaturbereich von 1000 bis 600ºC eingesetzt wird, um den Ferrit- und
Perlitübergang zu beschränken, und die Abkühlrate von nicht weniger als 10
ºC/s im Temperaturbereich von 600 bis 400ºC eingesetzt wird, um die
Ausbildung von Perlit- und Bainitphasen zu beschränken, kann ohne einem
Härteprozess, wie beispielsweise einem Induktionshärteprozess, eine
martensitbasierende Struktur oder eine aus Martensit mit teilweiser
Beimischung von Feinperlit zusammengesetze Struktur, welche eine
metallische Struktur, bzw. Metallstruktur mit großer Festigkeit ist, erzielt
werden.
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Dementsprechend können Härterisse, denen man bei konventionellem
Gusseisen manchmal begegnet, verhindert werden, wobei sowohl
Produktivität als Produktionskosten denen bei konventionellem Gusseisen
überlegen sind.
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Indem der so abgekühlte Rohling einem Tempern bei einer passenden
Temperatur unterzogen wird, kann seine Härte passend eingestellt werden.
Des Weiteren wird durch eine genaue Einstellung der Zusammensetzung
des Gusseisens und der Abkühlbedingungen die martensitbasierende
Struktur oder die Gemischstruktur als Martensit und Feinperlit erzielt. Die
letztere Struktur ist der ersteren Struktur in der Zähigkeit des sich
ergebenden Zähne-Abschnitts überlegen.
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Da, wo die Abkühlrate von nicht weniger als 25ºC/s im
Temperaturbereich von 1000 bis 600ºC eingesetzt wird und die Abkühlrate
von nicht weniger als 1ºC/s weniger als 10ºC/s im Temperaturbereich von
600 bis 400ºC eingesetzt wird oder die Abkühlrate von nicht weniger als
1ºC/s von und weniger als 25ºC/s im Temperaturbereich von 1000 bis
600ºC eingesetzt wird, ist die sich ergebende Struktur den Zähne-Abschnitts
aus einer feinperlitbasierenden Struktur oder einer Gemischstruktur aus
Ferrit und Perlit zusammengesetzt, welche eine ausgesprochen hohe
Zähigkeit im Vergleich zur Zähigkeit der martensitbasierenden Struktur zeigt.
In diesem Fall wird der Härteprozess des Wiederaufheizens bzw. -erhitzens
vorzugsweise mit hoher Energiedichte und mit zugelassener Abkühlung nach
dem Warmwalzprozess ausgeführt, wodurch die Festigkeit des sich
ergebenden Rohlings verbessert wird. Durch Wiederaufheizen wird die
Struktur in kurzer Zeit bei relativ niedrigen Temperaturen austenitisiert, wobei
durch Abkühlen der Warmbadhärteeffekt des Ausbildens einer homogenen
Martensitstruktur erreicht wird, um die Eigenverzerrung bzw. -verformung
abzusenken und das Auftreten von Härterissen noch besser zu verhindern.
Zusätzlich können auch die Härte und die Verschleißbeständigkeit erhöht
werden. Durch Tempern des so abgekühlten Rohlings bei einer passenden
Temperatur kann seine Härte passend eingestellt werden. Durch die
passende Einstellung der Zusammensetzung des Gusseisens und der
Kühlbedingungen wird eine feinperlitbasierte Struktur oder eine
Gemischstruktur aus Ferrit und Perlit erzielt die feinperlitbasierte Struktur ist
der aus Ferrit und Perlit zusammengesetzten Gemischstruktur in
Zugfestigkeit, Verschleißbeständigkeit und Härte überlegen.
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Wenn nach dem Heißwalzen zumindest eine Nitrierhärte-,
Weichnitrierhärte- oder Schwefel- und Nitrierhärtebehandlung bei
Temperaturen unterhalb der Austenitisierungstemperatur durchgeführt wird,
kann eine Härteschicht auf den Zahnoberflächen ausgebildet werden, um
ihre Verschleißbeständigkeit und Schlagfestigkeit zu verbessern. Im
Normalfall ist es aufgrund des Vorhandenseins von Silikon schwierig,
Gusseisen zu nitrieren bzw. zu nitrierhärten, doch aufgrund einer auf der
Oberfläche des Zähne-Abschnitts durch Warmwalzen ausgebildeten
Oxidschicht kann die Nitrierung des Gusseisens gefördert werden, wodurch
die obenstehend genannten, verschiedenen Nitrierhärtebehandlungen in
wirksamer Weise ermöglicht werden. Diese Behandlungen dienen als die
Temperbehandlung, so dass eine separate Temperbehandlung unnötig ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden
Erfindung werden bei Berücksichtigung der folgenden Beschreibung und den
anhängenden Ansprüchen unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen,
die zusammen einen Teil dieser Patentschrift bilden, deutlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
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Fig. 1 zeigt eine vertikale Seitenansicht eines Abschnitts eines
Zahnradrohlings, der in einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens
gemäß der vorliegenden Erfindung Anwendung findet;
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Fig. 2 ist eine Ansicht, die einen Zähne bildenden Abschnitt eines
Zanradrohlings darstellt, der einer Induktionserhitzung in einem
Erhitzungsprozess unterzogen wird.
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Fig. 3 ist ein schematisches Schaubild einer Walzmaschine mit
einem Stempelpaar;
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Fig. 4 ist ein Graph, der das Ergebnis des statischen
Biegeversuchs bei einem durch eine erste Ausführungsform eines
Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Zahnrads aus
Gusseisen zeigt;
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Fig. 5 ist ein Graph, der das Ergebnis der Izod-Schlagprüfung bei
einem durch die erste Ausführungsform hergestellten Zahnrad aus
Gusseisen zeigt;
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Fig. 6 ist ein Graph, der das Ergebnis der
Dauerbiegefestigkeitsprüfung des mit der ersten Ausführungsform hergestellten
Zahnrads aus Gusseisen zeigt;
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Fig. 7 ist eine Fotografie (50x, nicht geätzt) einer Metallstruktur
eines Zähne bildenden Abschnitts des mit der ersten Ausführungsform
hergestellten Zahnradrohlings;
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Fig. 8 ist eine Fotografie (50x, nicht geätzt) einer Metallstruktur
eines Zahngrundes, der nach einem Warmwalzprozess der ersten
Ausführungsform erzielt wird;
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Fig. 9 ist eine Fotografie (400x nital-geätzt) einer Metallstruktur
des Zahngrundes, der nach dem Warmwalzprozess der ersten
Ausführungsform erzielt wird;
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Fig. 10 ist eine Fotografie (400x, nital-geätzt) einer Metallstruktur
eines Zahngrundes, welche nach einem Warmwalzprozess einer zweiten
Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt
wird;
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Fig. 11 ist eine Fotografie (400x, nital-geätzt) einer Metallstruktur
eines Zahngrundes, welche nach einem Warmwalzprozess einer dritten
Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt
wird;
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Fig. 12 ist ein Graph, der den zeitlichen Temperaturverlauf in einer
vierten Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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Fig. 13 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der
Aufheiztemperatur, der Aufheizdauer und der Härte nach dem Abkühlen in
der vierten Ausführungsform zeigt;
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Fig. 14 ist ein Schaubild, dass das Verhältnis zwischen der
Aufheiztiefe H und der Gesamtzahntiefe h in einer zehnten Ausführungsform
eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
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Fig. 15 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Wert der
Aufheiztiefe H/Gesamtzahntiefe h, Endtemperatur nach der Bildung von 90
% der Gesamtzahntiefe, und der Risstiefe in der zehnten Ausführungsform
aufzeigt;
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Fig. 16 ist ein Schaubild, dass das Verfahren zur Prüfung des
Bearbeitungsgrads und des Auftretens von Rissen in einer elften
Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
erläutert;
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Fig. 17 ist ein Graph, der den Bearbeitungsgrad und das Auftreten
von Rissen in der elften Ausführungsform zeigt;
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Fig. 18 ist ein Graph, der das Ergebnis des Biegeversuchs bei der
elften Ausführungsform zeigt;
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Fig. 19 ist ein Graph, der das Ergebnis des Schlagversuchs in der
elften Ausführungsform zeigt; und
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Fig. 20 ist ein Graph, der das Ergebnis des Dauerbiegeversuchs
bei der elften Ausführungsform zeigt.
Ausführliche Beschreibung der momentan bevorzugten, beispielhaften
Ausführungsformen
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung auf der Basis von
verschiedenen Ausführungsformen beschrieben, wobei zylindrische
Schrägzahnräder hergestellt werden.
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Die Fig. 1-9 stellen eine erste Ausführungsform eines Verfahrens
gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, wurde ein Rohling 1 durch (spanabhebende)
Bearbeitung von Gusseisen mit Kugelgraphit (FCD 450) vorbereitet. Der
Rohling 1 hat eine im wesentlichen zylindrische Ausgestaltung und weist
eine zentrale Öffnung 1A auf. Der Rohling 1 weist einen ringartigen
Vorsprung 11 auf, der von seinem äußeren Umfangsabschnitt nach oben
vorsteht, und einen Zähne bildenden Abschnitt 10, welcher vom Vorsprung
11 radial nach außen vorsteht und einen Außendurchmesser ( D) von
270,35 Millimeter und eine Breite (b) von 11 Millimeter aufweist. Dieser in
Fig. 1 schraffiert dargestellte, Zähne bildende Abschnitt 10 ist für eine
Walzbehandlung ausgelegt.
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Als nächstes wurde der Rohling 1, der sich bei einer normalen
Temperatur befunden hat, in eine Induktionserhitzungsspulenvorrichtung 4,
die in Fig. 2 gezeigt wird, eingebracht. Eine Bearbeitungwelle 41 wurde in die
zentrale Öffnung 1A des Rohlings 1 eingesetzt und eine Heizspule 40 wurde
koaxial zum Rohling 1 so angebracht, dass der innere Randbereich der
Heizspule 40 dem äußeren Randbereich des Zähne bildenden Abschnitts 10
gegenübersteht. Anschließend wurde ein hochfrequenter Strom an die
Heizspule 40 angelegt, während der Rohling 1 mit der Bearbeitungswelle 41
in Richtung des Pfeils A1 gedreht wurde, um eine
Hochfrequenzinduktionserhitzung des Zähne bildenden Abschnitts 10
auszuführen. Dies führt dazu, dass der Zähne bildende Abschnitt 10 (der
schraffierte Bereich in Fig. 2) bis zur Tiefe "H" von ca. 8,3 Millimeter bei ca.
1100ºC aufgeheizt wird, was 1,5 Mal der Gesamttiefe "h" eines zu
erzeugenden Zahnrads entspricht, um ihn zu austenitisieren. Die
Induktionserhitzungsbedingungen können beliebig gewählt werden. In dieser
Ausführungsform wurden eine Leistung von 60 kW, eine Frequenz von
10 kHz und eine Aufheizdauer von 80 Sekunden gewählt. Die
Innentemperatur des Vorsprungs 11 des Rohlings 1 lag bei 200-400ºC.
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Anschließend wurde, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Bearbeitungwelle 51
einer nicht gezeigten Spannvorrichtung in die zentrale Öffnung 1A des
Rohlings 1 eingesetzt, und der Rohling 1 wurde zu einer Walzmaschine 6
vom Hydraulikdrucktyp transportiert, die eine abschnittartige
Hilfserhitzungsspule 60 umfasst. Der Zähne bildende Abschnitt wurde der
Hilfserhitzungsspule 60 gegenübergestellt und wurde unmittelbar vor dem
Walzprozess einer Hochfrequenzinduktionserhitzung mit der
Hilfserhitzungsspule 60 unterzogen. Dies kompensiert eine
Temperaturverringerung des Rohlings 1 aufgrund seines Transports von der
Induktionserhitzungsspulenvorrichtung 4 zur Walzmaschine 6, wodurch der
Rohling 1 in seinen aufgeheizten Zustand nach dem
Hochfrequenzinduktionserhitzen zurückkehrt. Die Walzmaschine 6 umfasst
des Weiteren ein Paar Walzstempel 64 und 65 vom Ritzeltyp, die beide aus
Stahl bestehen und eine hohe Anzahl von Zähnen 64A oder 65A entlang
ihres Außenumfangs aufweisen. Die Walzstempel 64 und 65 werden durch
einen Antriebsmechanismus angetrieben. Während des Abkühlens des
Rohlings 1 werden die Walzstempel 64 und 65 in der Richtung des Pfeils E1
gedreht und in den Richtungen der Pfeile F1 mittels hydraulischen Zylindern
bewegt, um die beiden näher zueinander zu bringen. Dies führt dazu, dass
die Zähne 64A und 65A der Walzstempel 64 und 65 gegen den Zähne
bildenden Abschnitt 10 des Rohlings 1 gepresst werden, um ein
Warmwalzen durchzuführen. Während des Warmwalzens wird auch der
Rohling 1 gedreht.
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Das Warmwalzen wurde bei 1000ºC begonnen und bei
näherungsweise 600ºC beendet. Die Walzdauer betrug ca. 7 Sekunden. Die
maximale Aufheiztemperatur von 1100ºC wurde über 10 Sekunden
gehalten. Die Arbeitslast beim Warmwalzen betrug 40 kN. Die
durchschnittliche Abkühlungsrate im Temperaturbereich von 1000 bis 600ºC
betrug 50ºC/s und diejenige im Temperaturbereich von 600 bis 400ºC
2ºC/s.
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Nach dem Warmwalzen wurde der Zahnradrohling 1 einem
Hochrequenzhärten mit einer Hochfrequenzhärtespule bei 40 kHZ und
200 kW unterzogen. Der Zähne-Abschnitt wurde innerhalb 8 Sekunden auf
950 bis 1100ºC (1050ºC in der vorliegenden Ausführungsform) aufgeheizt
und sofortiges Abkühlen zugelassen. Lediglich durch Selbstabkühlung
konnte eine ausreichend gute Härte erreicht werden. Alternativ dazu kann
Kühlmittel zur Abkühlung des Zähne-Abschnitts gesprüht werden. Die
bevorzugte Abkühlungsdauer zum Absenken der Aufheiztemperatur von
500ºC beträgt 20 Sekunden oder weniger und die vom MS-Punkt auf
Raumtemperatur beträgt 30 Sekunden oder mehr, was das Auftreten von
Härterissen mit höherer Sicherheit verhindert.
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Nach dem Hochfrequenzhärten wurde der Rohling 1 bei
näherungsweise 160-560ºC über 3600 Sekunden gehalten, um ein
Tempern durchzuführen. Auf diese Weise wurde ein Gusseisenzahnrad der
ersten Ausführungsform hergestellt. Die sich ergebenden
Zahnradabmessungen waren 2,5 beim (Zahnteilungs-) Modul, 0º beim
Spiralwinkel, 106 bei der Anzahl der Zähne und 13 Millimeter bei der
Stirnbreite.
(Auswertung)
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Es wurden ein statischer Biegeversuch, ein Izod-Schlagversuch und ein
Dauerbiegeversuch der Gusseisenzahnräder der ersten Ausführungsform
durchgeführt. Der statische Biegeversuch wurde durch nach unten Drücken
eines Druckelements oder mit einer Amsler-Universalprüfmaschine
durchgeführt, bis einer der Zähne der Zahnräder aus Gusseisen brach. Der
Izod-Schlagversuch wurde durch Anschärfen von nur einem Zahn der
Gusseisenzahnräder durchgeführt, wobei dieser an seinem Fuß abgestützt
wurde und seine Spitze beschlagen wurde. Der Dauertest wurde durch
Halten eines Testzahns der Gusseisenzahnräder in festem Eingriff mit einem
gegenüberliegenden Zahnrad durchgeführt, wobei daran ein schwingendes
Torsionsmoment angelegt wurde.
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Die Ergebnisse des statischen Biegeversuchs, des Izod-
Schlagversuchs und des Dauerbiegeversuchs werden jeweils in den Fig. 4, 5
und 6 gezeigt. In den Fig. 4-6 zeigt das Symbol "O" die Ergebnisse der
Gusseisenzahnräder der fünften Ausführungsform, und das Symbol "X" zeigt
die Vergleichsergebnisse von konventionellen Zahnrädern, die alle gleiche
Abmessungen (mit Ausnahme der Stirnbreite von 9 Millimetern) aufweisen
und jeweils aus Stahl bestehen und einem Hochfrequenzhärten und
Tempern unterzogen wurden.
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Wie aus den Fig. 4-6 deutlich wird, weisen die Zahnräder aus
Gusseisen der ersten Ausführungsform für zylindrische Zahnräder
ausgesprochen zufriedenstellende Auswertungsergebnisse sowohl beim
statischen Biegeversuch als auch beim Izod-Schlagversuch und beim
Dauerbiegeversuch auf.
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Fig. 7 ist eine Fotografie (50x, nicht geätzt), die die Metallstruktur des
Zähne bildenden Abschnitts 10 des Zahnradrohlings 1 der ersten
Ausführungsform zeigt, Fig. 8 ist eine Fotografie (50x, nicht geätzt), die die
Metallstruktur des Zahngrundes nach Heißwalzen zeigt, und Fig. 9 ist eine
Fotografie (400x, Nital-geätzt), die die Metallstruktur um den Zahngrund
herum nach Heißwalzen zeigt.
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Wie aus den Fig. 7-9 deutlich wird, werden aufgrund des
Warmwalzens die Kugelgraphitpartikel zu flachen Partikeln an der
Oberfläche des Zahngrundes zerquetscht. Durch Ansetzen einer Abkühlrate
von nicht weniger als 25ºC pro Sekunde (50ºC pro Sekunde in der ersten
Ausführungsform) im Temperaturbereich von 1000-600ºC und Ansetzen
einer Abkühlrate von weniger als 10ºC pro Sekunde und nicht weniger als
1ºC pro Sekunde (durchschnittlich 2ºC pro Sekunde in der ersten
Ausführungsform) im Temperaturbereich von 600-400ºC wird die
Metallstruktur um den Zahngrund herum nach dem Warmwalzen in eine
feinperlitbasierte Struktur umgewandelt. Durch Ansetzen einer Abkühlrate
von nicht weniger als 1ºC und weniger als 25ºC pro Sekunde im
Temperaturbereich von 1000-600ºC und Ansetzen einer Abkühlrate von
weniger als 10ºC pro Sekunde im Temperaturbereich von 600-400ºC wird
die Metallstruktur nach dem Warmwalzen in eine Gemischstruktur aus Ferrit
und Perlit überführt.
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Im Zähne-Abschnitt wurde nach dem Warmwalzen kein Walzriss
beobachtet und nach dem Hochfrequenzhärten kein Härteriss.
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Gemäß der Auswertung lag die Zahnradgenauigkeit des
Gusseisenzahnrads der ersten Ausführungsform in der sechsten Klasse von
"JIS".
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Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform erläutert. Ein im
wesentlichen mit dem Rohling 1 der ersten Ausführungsform identischer
Rohling wurde vorbereitet und in gleicher Weise wie in der ersten
Ausführungsform einem Erhitzen und einem Warmwalzen unterzogen unter
Verwendung einer Walzmaschine mit wesentlichen identischen
Abmessungen wie die in der ersten Ausführungsform.
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In der zweiten Ausführungsform lag die Abkühlrate im
Temperaturbereich von 1000-600ºC bei 50ºC/s, ebenso wie in der ersten
Ausführungsform, jedoch im Unterschied zur ersten Ausführungsform wurde
eine Abkühlrate von 25ºC/s im Temperaturbereich von 600-400ºG durch
Sprühwasser eingestellt, da die Abkühlrate durch Selbstabkühlung unter 10
ºC/s liegt. Infolgedessen wurde die Metallstruktur in eine martensitbasierte,
gehärtete Struktur umgewandelt, die auch nach Walzen und Abkühlen
ausreichend ist.
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Als nächstes wurde, wie in der ersten Ausführungsform, ein Tempern
durchgeführt, wodurch ein Zahnrad aus Gusseisen der zweiten
Ausführungsform hergestellt wird.
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Das Ergebnis der Festigkeitsbewertung des Gusseisenzahnrads der
zweiten Ausführungsform entsprach dem der ersten Ausführungsform.
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Fig. 10 ist eine Fotografie (400x, nital-geätzt), die die Metallstruktur des
Zahngrunds zeigt. Wie gezeigt, wird die Metallstruktur des Zahngrunds nach
Warmwalzen in eine martensitbasierte Struktur umgewandelt durch
Abkühlen von 100 auf 600ºC bei einer Rate von nicht weniger als 25ºC/s
(50ºC/s in der zweiten Ausführungsform), und anschließendem Abkühlen
von 600 auf 400ºC bei einer Rate von nicht weniger als 10ºC/s (25ºC/s in
der zweiten Ausführungsform).
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Nachstehend wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erläutert. Ein dem Rohling 1 der ersten Ausführungsform
entsprechender Rohling wurde mit Hochfrequenzinduktionsaufheizen über
100 Sekunden bei 50 kW und 10 kHz aufgeheizt, so dass der Zähne
bildende Abschnitt 10 des Zahnradrohlings auf ungefähr 1100ºC bis zur
Tiefe "H" von ungefähr 9,5 Millimetern erhitzt wurde, was 1,7 Mal der
Gesamtzahntiefe "h" eines herzustellenden Zanhrads entspricht, und
anschließend einem Warmwalzen unterzogen.
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Die Warmwalzbeginntemperatur betrug 1000ºC, die
Warmwalzendtemperatur ungefähr 700ºC, die Walzdauer war ungefähr 8
Sekunden, und die Arbeitslast 30 kN. Die Dauer der
Maximalaufheiztemperatur (1100ºC) betrug 20 Sekunden. Eine Abkühlrate
von 40ºC/s wurde im Temperaturbereich von 1000-700ºC sowohl durch
Selbstabkühlung als auch durch Abkühlung durch die Walzstempel 64 und
65 eingestellt. Als nächstes wurde Wasser so auf den Rohling gesprüht,
dass eine Abkühlrate von 30ºC/s im Temperaturbereich von 700-600ºC
und eine Abkühlrate von 8ºC/s im Temperaturbereich von 600-400ºC
eingestellt wurde. Anschließend wurde das Wasser angehalten, und eine
durchschnittliche Abkühlrate von 1,5ºC/s wurde im Temperaturbereich von
400ºC bis Raumtemperatur eingestellt. Infolgedessen wurde ein Zahnrad
mit einer Metallstruktur, die eine durchschnittliche Härte von 400 Hv (20kgf)
aufwies und eine Gemischstruktur aus Martensit und Feinperlit hatte, erzielt.
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Dieses Zahnrad zeigt eine ausgesprochen hohe Festigkeit ohne einem
Tempern unterzogen worden zu sein, die im wesentlichen auf demselben
Niveau mit der Festigkeit der ersten Ausführungform liegt, die den
Temperprozess bei 500ºC umfasst.
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Fig. 11 ist eine Fotografie (400x, nital-geätzt), die die Metallstruktur des
Zahngrundes nach Heizwalzen zeigt. Wie gezeigt, wird die Metallstruktur des
Zahngrundes nach Heißwalzen durch Abkühlen von 1000 auf 600ºC bei
einer Rate von nicht weniger als 25ºC/s (40ºC/s und 30ºC/s in der dritten
Ausführungsform) und anschließendem Abkühlen von 600 auf 400ºC mit
einer Rate von nicht weniger als 1ºC/s und weniger als 10ºC/s (8ºC/s ein
der dritten Ausführungsform) in eine Gemischstruktur aus Martensit und
Feinperlit umgewandelt.
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Nachstehend wir eine vierte Ausführungsform erläutert. Ein dem
Rohling 1 der ersten Ausführungsform entsprechender Rohling wird durch
(spanende) Bearbeitung von Gusseisen mit Kugelgraphit (FCD 500)
vorbereitet. Die Schmelzbeginntemperatur dieses Rohlings betrug 1160ºC.
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Als nächstes wurde der Rohling durch eine
Induktionserhitzungsspulenvorrichtung wie in der ersten Ausführungsform
aufgeheizt, so dass der Zähne bildende Abschnitt des Rohlings, wie in
Fig. 12 gezeigt, auf 1000-1150ºC (1070ºC in der vorliegenden
Ausführungsform) in 30-35 Sekunden (30 Sekunden in der vorliegenden
Ausführungsform) bis zu einer Tiefe "H" von ungefähr 11 mm aufgeheizt
wurde, was 1,6 Mal der Gesamtzahntiefe "h" des herzustellenden Zahnrads
entsprach. Diese Temperatur wurde über zehn Sekunden gehalten. Die
Induktionserhitzungsbedingungen können beliebig gewählt werden. In dieser
Ausführungsform wurde eine Leistung von 70 kW und eine Frequenz von 10
kHz gewählt. Der Kohlenstoffanteil des Grundgefüges, aus dem der Zähne
bildende Abschnitt zusammengesetzt ist, betrug 0,8%.
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Während der Rohling abgekühlt wurde, wurde anschließend der Zähne
bildende Abschnitt einem Warmwalzen durch eine Walzmaschine in gleicher
Weise wie bei der ersten Ausführungsform unterzogen, um ein Zahnrad aus
Gusseisen herzustellen. Die Walzbeginntemperatur lag zwischen 900 und
1100ºC (950ºC in der vorliegenden Ausführungsform), die Endtemperatur
des Walzendrückens zur Ausbildung von 90% der Gesamtzahntiefe betrug
800ºC, die Warmwalzendtemperatur, welche der Temperatur der
Formgebung bzw. des "Sizing" entspricht, lag zwischen 380 und 430ºC (400
ºC
in der vorliegenden Ausführungsform), wobei die Walzdauer ungefähr 15
Sekunden war. Die Arbeitslast beim Warmwalzen betrug 40 kN.
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Die Abkühlrate im Temperaturbereich von 950 bis 600ºC betrug
40ºC/s, diejenige im Temperaturbereich von 600-400ºC 10ºC/s und die
im Temperaturbereich von 400ºC auf Raumtemperatur war 2ºC/s. Die
Zahnradabmessungen lagen bei ~183,6 beim Außendurchmesser, 30º beim
Spiralwinkel der schrägen Zähne, 2,4 beim Modul und 6,713 bei der
Gesamtzahntiefe.
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Gemäß Messungen war die Härte des gesamten Zähne-Abschnitts 450
Hv. Seine Metallstruktur war eine Gemischstruktur aus Martensit und
Feinperlit. Infolgedessen kann eine genügende Härte ohne
Wiederaufheizung des sich ergebenden Zahnrads nach dem Warmwalzen
zum Härten erzielt werden. Das Verhältnis zwischen der gehaltenen
Aufheiztemperatur, Kohlenstoff-Dispersionsmenge und Härte nach Abkühlen
wird nun erläutert.
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Die Aufheiztemperaturen und Dauer der Aufheizungen bei solchen
Aufheiztemperaturen im Aufheizprozess beeinflussen den Kohlenstoffgehalt
des Grundgefüges, und dementsprechend die Härte nach Abkühlung.
Bevorzugt wird die Aufheiztemperatur und Länge der Aufheizung so gesetzt,
dass der Kohlenstoffgehalt des Grundgefüges auf 0,4% oder mehr in einer
so kurz wie möglichen Zeit ansteigt. Falls der Kohlenstoffgehalt des
Grundgefüges unter 0,4% liegt, kann die Perlit- und die Ferritumwandlung
während der Abkühlung ausgeführt werden, wobei die sich aufgrund des
Härtens ergebende Härte nicht hoch ist. Im Aufheizprozess steigt die
Dispersionsrate des Kohlenstoffs des Grundgefüges mit der
Aufheiztemperatur an. Wenn die Aufheiztemperatur zu niedrig ist, wird die
erforderliche Aufheizdauer länger, was die Produktivität absenkt und eine
Wärmeübertragung über den gesamten Zahnradrohling 1 verursacht,
wodurch seine Genauigkeit gestört wird. Deshalb wird vorzugsweise die
Aufheiztemperatur so eingestellt, dass die Aufheizdauer 60 Sekunden oder
weniger lang ist. Die Ergebnisse von Experimenten bestätigten, dass
während der Aufheizdauer von 60 Sekunden oder darunter durch
fortgesetztes Aufheizen bei 1000ºC oder mehr der Kohlenstoffanteil des
Grundgefüges auf bis zu 0,4% oder mehr gesteigert kann. Insbesondere da,
wo das Aufheizen bei 1050ºC oder mehr fortgesetzt wird, kann der
Kohlenstoffanteil des Grundgefüges auf bis zu 0,4% oder mehr in einer nur
30 Sekunden kurzen Zeitdauer gesteigert werden. Da, wo das Aufheizen bei
1150ºC um 10ºC unterhalb der Schmelzbeginntemperatur (1160ºC)
fortgesetzt wird, kann der Kohlenstoffanteil des Grundgefüges auf bis zu
0,4% oder mehr sogar in der Zeitdauer von 0 Sekunden gesteigert werden.
Durch Fortsetzen des Aufheizens bei 1100ºC oder mehr kann der
Kohlenstoffanteil des Grundgefüges auf bis zu 0,4% oder mehr in einigen
bis zu 15 Sekunden gesteigert werden. Auch noch bei einer Abkühlrate von
25 ºC/s im Temperaturbereich von 1000-600ºC kann eine
martensitbasierte Struktur mit einer festgelegten Härte ausreichend erzielt
werden, wenn der Bearbeitungsgrad passend ist. Falls die zu haltende
Aufheiztemperatur höher als die Temperatur ist, die um 10ºC niedriger als
die Schmelzbeginntemperatur des Rohlings 1 ist, kann der Rohling 1
schmelzen, dies ist also weniger wünschenswert. Falls die
Aufheiztemperatur den obenstehenden Temperaturbereich überschreitet,
und die Aufheizdauer die obenstehende Dauer überschreitet, kann der
Rohling 1 lokal zu schmelzen beginnen, dies ist dann weniger
wünschenswert. Auch den experimentellen Ergebnissen, wie in Fig. 4-6
gezeigt, wurde kein Absinken der Festigkeit, was durch
Hochtemperaturaufheizen verursacht würde, beobachtet. Dies kann als von
aufgrund von Warmwalzen zerquetschten γ-Partikeln verursacht angesehen
werden, die in Feinpartikel umzuwandeln sind.
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Zahnräder mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt des Grundgefüges
und unterschiedlichen Bearbeitungsgraden bei der Bearbeitung während des
Abkühlens wurden durch Variation der zu haltenden Aufheiztemperatur von
1100-1140ºC und Variation der Aufheizdauer von 0 bis 60 Sekunden
hergestellt, um kein lokales Schmelzen zu erzeugen. Die Härte jedes
Zahnrads wurde gemessen. Die Abkühlrate nach dem Aufheizprozess betrug
20ºC/s sowohl im Temperaturbereich von 1000-600ºC als auch von 600-
400ºC. Die Meßergebnisse sind in Fig. 13 gezeigt.
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Wie aus Fig. 13 deutlich wird, hängt die Härte nach Abkühlen vom
Bearbeitungsgrad ab, ist aber im Bereich zwischen 250-600 Hv durch
Steuern der Aufheiztemperatur und Aufheizdauer einstellbar. Es hat sich
bestätigt, dass durch Steigern der Abkühlrate im Temperaturbereich von
1000-600ºC auf 25ºC/s die Härte bis zu 400 Hv auch bei einem
Bearbeitungsgrad von 60% ansteigt.
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Nachstehend wird eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erläutert.
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In der vorliegenden Ausführungsform wurde im Unterschied zur ersten
Ausführungsform ein Rohling, der warmgewalzt worden war, einer Nitrier-
bzw. Nitrierhärtebehandlung anstatt den Härte- und Temperprozessen
unterzogen.
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Die Nitrierhärtebedingungen können beliebig gewählt werden.
Beispielsweise beträgt die Temperatur bei Schwefelnitrierhärten 500-
580ºC, die Dauer 80-240 Minuten, das Druckreduktionsverhältnis 0,01-
10 torr, wobei die Atmosphäre aus einem Gemisch aus Stickstoff und
Ammoniakgas besteht, der Plasmastrom 6-10 Ampere, die Dicke der
Verbundschicht 0-35 um und die Oberflächenhärte 450-950 Hv.
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In der vorliegenden Ausführungsform wurde Schwefelnitrierhärten unter
den folgenden Bedingungen durchgeführt: Die Temperatur betrug 560ºC,
die Dauer 180 Minuten, das Druckreduktionsverhältnis 0,1 torr, wobei die
Atmosphäre aus einem Gemisch aus Stickstoff- und Ammoniakgas bestand,
und der Plasmastrom betrug 8 Ampere. Die Dicke der sich ergebenden
Verbundschicht betrug 18 um, wobei die Oberflächenhärte 860 Hv war.
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Nachstehend wird eine sechste Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erläutert.
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In der vorliegenden Ausführungsform wurde im Unterschied zur ersten
Ausführungsform ein Rohling, welcher warmgewalzt worden war, einem
Weichnitrierhärten anstatt von Härten und Tempern unterzogen.
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Die Weichnitrierhärtebedingungen können beliebig gewählt werden.
Beispielsweise beträgt bei Gasweichnitrierhärten unter Verwendung eines
Ofens zur ununterbrochenen Behandlung die Temperatur 560-580ºC, die
Dauer 180-240 Minuten, wobei die Atmosphäre ein Gemisch aus Stickstoff,
Ammoniakgas und Propangas ist, der Taupunkt -5-+15ºC, die Dicke der
Verbundschicht 15 bis 40 um und die Oberflächenhärte 550-1000 Hv.
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In der vorliegenden Ausführungsform wurde Weichnitrierhärten unter
den folgenden Bedingungen ausgeführt: Die Temperatur betrug 580ºC, die
Dauer 180 Minuten, die Atmosphäre war ein Gemisch aus Stickstoff,
Ammoniakgas und Propangas, und der Taupunkt lag bei +5ºC. Die Dicke
der sich ergebenden Verbundschicht betrug 22 um, wobei die
Oberflächenhärte 735 Hv war.
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Nachstehend wird eine siebte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erläutert.
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In der vorliegenden Ausführungsform wurde im Unterschied zur ersten
Ausführungsform ein Zahnradrohling, welcher warmgewalzt worden war,
einem Kugelstrahlen anstatt von Härten und Tempern unterzogen.
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Die Kugelstrahlbedingungen können beliebig gewählt werden. Im Falle
eines Luftdüsentyps beispielsweise beträgt der Düsendurchmesser 7-9
mm, die Schußzahl ist einfach oder zweifach, der Durchmesser der
Schußpartikel beträgt 0,3-0,8 mm, die Härte der Schußpartikel 500-720
Hv, der Luftdruck 2-5 kg/cm², die Dauer des Kugelstrahlens 15-30
Sekunden, und die Bogenhöhe 0,4-0,7 mm. Dies führt dazu, dass die
Kompressionseigenspannungen unter den Bereich von 50-140 kgf/mm³
abgesenkt wird.
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In der vorliegenden Ausführungsform war der Düsendurchmesser 8
mm, die Schußzahl einfach, der Durchmesser der Schußpartikel 0,3 mm, die
Härte der Schußpartikel 700 Hv, der Luftdruck 4 kg/cm², die Dauer des
Kugelstrahlens 30 Sekunden, und die Bogenhöhe 0,6 mm. Die sich
ergebende Kompressionseigenspannung sank auf 90 kgf/mm³, die Dauer
des Kugelstrahlens betrug 30 Sekunden, und die Bogenhöhe 0,6 mm. Die
sich ergebende Komressionseigenspannung sank auf 90 kgf/mm³.
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Nachstehend wird eine achte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erläutert.
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In der vorliegenden Ausführungsform wurde im Unterschied zur ersten
Ausführungsform ein Rohling, der warmgewalzt worden war, einem
Schwefel- und Nitrierhärten anstatt des Härtens und Temperns unterzogen.
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Die Schwefel- und Nitrierhärtebedingungen können beliebig gewählt
werden. Beispielsweise liegt die Temperatur zwischen 550 und 580ºC, die
Dauer zwischen 180 und 480 Minuten, die Atmosphäre ist ein Gemisch aus
Stickstoff, Ammoniak und Schwefelwasserstoff, die Dicke der
Verbundschicht beträgt 10-20 um, die Tiefe der Stickstoffdispersionsschicht
0,2-0,4 mm und die Oberflächenhärte 650-950 Hv. In der vorliegenden
Ausführungsform war die Temperatur 580ºC, die Dauer 240 Minuten, die
Atmosphäre ein Gemisch aus Stickstoff, Ammoniak und
Schwefelwasserstoff, die Dicke der Verbundschicht 15 um, die Tiefe der
Stickstoffdispersionsschicht 0,2 mm und die Oberflächenhärte 750 Hv. Die
Behandlungen der Ausführungsformen 6-8 können nach Warmwalzen der
dritten Ausführungsform anstatt von Tempern ausgeführt werden, und
können auch nach Warmwalzen der zweiten Ausführungsform als die
Behandlung ausgeführt werden, die als Tempern dient.
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Nachstehend wird eine neunte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erläutert. In der vorliegenden Erfindung werden Härten und
Tempern nach Warmwalzen in der ersten Ausführungsform ersetzt durch
Fertigwalzen am Zähne-Abschnitt im festgelegten Temperaturbereich, um
ein Gusseisenzahnrad der vorliegenden Ausführungsform zu erhalten.
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Die Fertigwalzbedingungen können beliebig gewählt werden.
Beispielsweise beträgt die Behandlungstemperatur 600-300ºC, die
Walzdauer 2-20 Sekunden, und die Arbeitslast während des Walzens 10-
40 kN.
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In der vorliegenden Ausführungsform wurde das Fertigwalzen über 10
Sekunden von 500-350ºC unter der Arbeitslast von 25 kN während des
Walzens so ausgeführt, dass die Zahnoberfläche um 30 um nach unten
gedrückt wurde. Aufgrund dieser Behandlung könnte die
Zahnoberflächengenauigkeit um eine Klasse des JIS verbessert werden.
Diese Behandlung kann auch in einem kalten Zustand durchgeführt werden.
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Nachstehend wird eine zehnte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erläutert.
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Wie in der ersten Ausführungsform wird ein Rohling durch
Induktionserhitzen bei 60 kW und 10 kHz auf den Temperaturbereich direkt
unterhalb der Schmelzbeginntemperatur des Rohlings aufgeheizt, welcher
zwischen 1050 und 1140ºC (1070ºC in der vorliegenden Ausführungsform)
liegt und diese Temperatur wird über 0 (keine Dauer) bis 30 Sekunden
gehalten. Anschließend wird die Beeinflussung des Wechsels der
Erhitzungstiefe auf den Walzfehler untersucht.
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Wie in Fig. 14 gezeigt, wurde der Wert (Erhitzungstiefe
"H")/(Gesamtzahntiefe "h") von 1,2 bis 2,0 variiert, wobei die Erhitzungstiefe.
"H" für die Tiefe vom Rohlingdurchmesser ( D in Fig. 1) bis zum innersten
austenitisierten Bereich, der in Fig. 14 schraffiert ist, und die Temperatur
beim Abschluß der Ausbildung von 90% der Gesamtzahntiefe wurde von
600-900ºC variiert, um Risse in den Zahnoberflächen nach Warmwalzen
zu untersuchen. Das Ergebnis davon ist in Fig. 15 gezeigt.
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Wie aus Fig. 15 deutlich wird, war da, wo der Wert von H/h zwischen
1,5-1,8 lag und die Temperatur vor Abschluß der Ausbildung von 90% der
Gesamtzahntiefe zwischen 750 und 900ºC, die Tiefe der Risse in den
Zahnoberflächen < 0,05 mm. Dies kann als durch von einer Störung der
Verformbarkeit von Gusseisen verursacht angesehen werden, im Vergleich
zu passenden Bedingungen des konventionellen Strahls, wie in Fig. 15
gezeigt. Da, wo der Wert von H/h 1,8 überschreitet, beträgt die Aufheizzeit
2,5 Minuten oder mehr, und die Zahnradgenauigkeit sinkt stark ab. Da, wo
der Wert von H/h 2,0 überschreitet, sinkt die Zahnradgenauigkeit extrem ab.
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Nachstehend wird eine elfte Ausführungsform erläutert. Um das
Verhältnis zwischen dem Gusseisenmaterial und dem Bearbeitungsgrad zu
untersuchen, wurden die folgenden Experimente durchgeführt.
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Ein aus FC230 (Gusseisen mit Lamellengraphit) bestehendes Prüfstück
Nr. 1 von 95 mm Länge, 10 mm Breite und 15 mm Dicke T, und ein aus
FCD500 (Gusseisen mit Kugelgraphit) bestehendes Prüfstück Nr. 2 mit
gleicher Ausgestaltung und Abmessungen wie Prüfsstück Nr. 1 wurden
vorbereitet. Wie in Fig. 16 gezeigt, wurden diese Prüfstücke durch eine
Presse bzw. Pressmaschine 7 mit einem Vorsprung 71 von 1,8 mm Höhe,
welcher der Ausgestaltung des Zahnfusses eines jetzt herzustellenden
Zahnrads entspricht, bei einer Hochfrequenzerhitzungstemperatur von
1150ºC (Temperaturanstiegszeit ist 40 Sekunden und die Dauer ist 0
Sekunden) und bei einer Arbeitstemperatur von 900ºC mit unterschiedlichen
Bearbeitungsgraden gepresst. Die Abkühlrate im Temperaturbereich von
1000-600ºC betrug 10 ºC/s.
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Die durch die folgende Gleichung ausgedrückte Beziehung zwischen
dem Bearbeitungsgrad und dem Auftreten von Rissen wurde untersucht.
Bezugszeichen "t" bezeichnet die Dicke der Prüfstücke nach Bearbeitung.
Das Ergebnis der Untersuchung ist in Fig. 17 gezeigt. Im Graph zeigt das
Symbol "O" das Auftreten von keinem Riss, das Symbol "Δ" zeigt das
Auftreten von wenigen Rissen, und das Zeichen "X" zeigt das Auftreten von
vielen Rissen.
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(Bearbeitungsgrad) = {(T - t)/T} · 100 (%)
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wobei "T" die Dicke der Werkstücke vor Bearbeitung und "t" die Dicke
nach Bearbeitung ist.
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Wie aus Fig. 17 deutlich wird, ist im Gusseisen mit Lamellengraphit der
Bearbeitungsgrad, bei dem keine Risse aufgrund von Heißbearbeitung bzw.
Warmbearbeitung auftreten, niedrig im Vergleich zu Gusseisen mit
Kugelgraphit, aber seine Bearbeitung ist trotzdem bis zu einem gewissen
Grad möglich. Aus diesem Ergebnis kann geurteilt werden, dass die
vorliegende Erfindung durch Auswahl eines passenden Bearbeitungsgrads
auch auf Gusseisen mit Vermiculargraphit angewendet werden kann, das
wurmartige Graphitpartikel enthält.
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Nachstehend wird eine zwölfte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erläutert.
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Eine aus FCD500 (Gusseisen mit Kugelgraphit) zusammengesetzter
Rohling wurde auf 1150ºC durch Hochfrequenzerhitzen
(Temperaturanstiegsszeit beträgt 40 Sekunden und Dauer Null Sekunden)
aufgeheizt, anschließend von 1000 auf 600ºC bei einer Rate von 10ºC/s
abgekühlt und von 600ºC auf Raumtemperatur bei einer Rate von 2ºC/s
abgekühlt, wodurch Prüfstücke mit feinperlitbasierten Strukturen und einer
Härte von 250 Hv erzeugt wurden. Sie wurden einem Heiß- bzw.
Warmpressen der elften Ausführungsform unterzogen, um zwei Arten von
Prüfstücken zu erhalten, die alle eine v-förmige Kerbrille aufweisen, welche
den Zahnfuß eines Zahnprofils simuliert, mit Bearbeitungsgraden von 30%
und 50% in parallelen Abschnitten und 40% und 65% in V-Kerbenböden.
Die Tiefe in jeder V-Kerbrille betrug 4,3 mm (5,2 mm in parallelen
Abschnitten), die Breite 10 mm. Zum Vergleich wurde ebenfalls ein Prüfstück
mit dem Bearbeitungsgrad 0%, welches eine durch Schneiden ausgebildete
V-Kerbrille aufweist, vorbereitet.
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Diese Prüfstücke wurden auf 1050ºC in 30 Sekunden durch
Hochfrequenzinduktionserhitzen aufgeheizt, mit Öl abgeschreckt bzw.
gehärtet bei 900ºC und anschließend bei 300-600ºC getempert, um ihre
Härte von 300-550 Hv zu variieren. Anschließend wurden Biegeversuch,
Schlagversuch und Dauerbiegeversuch mit jedem V-Kerbgrund als
Zerstörungsausgangspunkt durchgeführt. Die erhaltene Biegefestigkeit,
Schlagzahl und Dauerbiegefestigkeit werden jeweils in den Fig. 18, 19 und
20 gezeigt. In den Fig. 18-20 zeigt Symbol "O" die Ergebnisse der
Prüfstücke mit der Bearbeitsrate von Null %, " " die Ergebnisse mit der
Bearbeitsrate von 30%, und Δ die Ergebnisse mit dem Bearbeitungsgrad
von 50%.
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Wie aus den Fig. 18-20 deutlich wird, wird in den Prüfstücken, bei
denen der Bearbeitungsgrad 50% beträgt, ein Absinken der Biegefestigkeit
beobachtet, doch die Schlagzahl und die Dauerbiegefestigkeit, welche zur
Bewirkung von hohen Festigkeiten wichtig wären, wurden durch den
Bearbeitungsgrad nicht beeinflußt. Dies deutet darauf hin, dass durch die
Auswahl der Warmbearbeitungsbedingungen und Warmbehandlung des
Gusseisens auch plastische Bearbeitung, wie beispielsweise
Warmschmieden bzw. Warmumformen auf die Herstellung von
zahnradartigen Bauteilen oder anderen Bauteilen angewendet werden kann.
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Wie obenstehend beschrieben, beabsichtigt das Verfahren zur
Herstellung von Zahnrädern aus Gusseisen gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Zähne-Abschnitt unter Verwendung von Warmwalzen zu
erzeugen, dessen Widerstand gegen plastische Verformung während des
Walzenz klein ist. Mit der Verfahren der vorliegenden Erfindung können
Gusseisenzahnräder mit hoher Genauigkeit frei von absinkender Festigkeit
aufgrund des Freiliegens von Graphitpartikeln des Gusseisens und dem
Auftreten von Härterissen und Walzrissen und demgemäß mit hoher
Festigkeit mit hoher Produktivität und bei verringerten Produktionskosten
hergestellt werden.