EP1681365A1 - Stahl für einsatzgehärtete hochbeanspruchbare Maschinenteile - Google Patents

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EP1681365A1
EP1681365A1 EP06450006A EP06450006A EP1681365A1 EP 1681365 A1 EP1681365 A1 EP 1681365A1 EP 06450006 A EP06450006 A EP 06450006A EP 06450006 A EP06450006 A EP 06450006A EP 1681365 A1 EP1681365 A1 EP 1681365A1
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EP
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steel
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gew
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Oskar Kehrer
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Magna Drivetrain AG and Co KG
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/28—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for plain shafts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
    • C21D1/613—Gases; Liquefied or solidified normally gaseous material

Definitions

  • the invention relates to a steel for case-hardened heavy-duty machine parts and to a method for producing a heavy-duty machine part and a heavy-duty machine part.
  • a transmission shaft of this kind is a central main component of a transmission, which is also exposed to extreme requirements. Such a shaft must absorb high shock-like moments, with a relatively small outer diameter. In addition, most are strong weakenings due to a notch effect, caused by oil longitudinal and transverse holes, grooves, etc., given.
  • Such insert steels have a C content of between 0.10 and 0.20% by weight, in addition to other alloying elements provided for hardenability, such as Cr, Mn, Ni, Mo and V, in some cases in high alloy contents.
  • the invention aims to avoid the above-mentioned disadvantages and difficulties and has set itself the task of creating a steel for case-hardened heavy-duty machine parts and a method for producing such heavy duty machine parts, which in addition to a high core strength even with larger wall thickness by case hardening to very high hardnesses in Surface area can be brought, and this at a negligible even for complicated machine parts delay.
  • a good mechanical machinability by machining should be given.
  • the steel itself should be inexpensive, by using inexpensive alloying elements and avoiding the very expensive alloying elements such as Mo, and also the contents of alloying elements should be as low as possible.
  • the steel according to the invention thus has a significantly higher C content compared to classic case-hardening steels, namely more than 0.20% by weight, whereas it is between 0.10 and 0.20% by weight for classic case-hardened steels.
  • This higher C content is usually realized only for tempered steels.
  • this higher C content achieves higher core strengths during case hardening, and on the other hand, the transition to the case-hardened layer-a carburized surface layer has a C content of 0.8% by weight-is not so abrupt, but rather there is a rather smooth continuous strength transition between the rim and the core.
  • the boron content is between 30 and 120 ppm, ideally between 35 and 60 ppm. Boron brings an extremely strong increase in hardenability and is available as an alloying element virtually "free of charge”.
  • the steel expediently has a C content before case hardening of between 0.26 and 0.30% by weight, and an Mn content of between 1.5 and 2% by weight.
  • the Si content is appropriate to limit to 0.15 to 0.25 wt.% (Also advantageous because of the lower edge oxidation for increased fatigue strength) ,
  • the Si content may be up to 0.4 wt.%.
  • the Cr content is preferably between 0.05 and 1.0 wt%, more preferably between 0.4 and 0.8 wt%, ideally at about 0.6 wt%. Cr increases hardenability, but is more expensive than Mn.
  • the sulfur content is advantageously limited to between 0.02 and 0.4% by weight, resulting in better machinability by machining.
  • This optimally balanced composition of the alloying elements has the surprising effect that the hardenability of the material is extremely high even under the mildest quenching conditions. Due to the novelty of this alloy, the hardenability is of course also in the latest regulations (SEP1664, June 2004, "Determination of formulas by multiple regression to calculate the hardenability in the stimulus quenching test from the chemical composition of steels" + supplementary sheet to the SEP1664) not calculable, but only to characterize by practical experiments.
  • the case hardening is expediently carried out in a temperature range between 880 and 1050 ° C., preferably between 900 and 950 ° C. during carburization with subsequent diffusion between 840 and 880 ° C., preferably at about 860 ° C., where a C is suitably used during case hardening Level of 0.7 to 1.2 wt.%, Preferably from 1.0 to 1.1 wt.% When carburizing and from 0.7 to 0.8 wt.% Is set when diffusing.
  • the curing is advantageously carried out starting from a temperature of about 850 to 910 ° C, preferably starting from about 860 ° C.
  • Subsequent tempering takes place over a temperature range of max. 200 ° C, preferably to a temperature of about 160 ° C, wherein advantageously the quenching extremely mild, preferably with a gas pressure of about 2-3 bar nitrogen or air, is performed.
  • Fig. 1 shows a transmission shaft in section, which was made of a steel according to the invention and case hardened.
  • Fig. 2 gives the hardness values HRC of a case-hardened steel according to the invention in comparison with various other case-hardened steels according to the prior art, wherein the illustrated spreading widths of the hardness bands should be given special attention.
  • Figures 3, 4 and 5 show further comparisons of the achievable hardness HRC between a steel according to the invention and various conventional steel grades.
  • Figs. 6 to 8 illustrate micrographs of the surface area of a machine part.
  • the transmission shaft 1 shown in Fig. 1 represents a machine part, which can be difficult to use hardened, especially since it has a very large length and highly divergent cross-sectional values. Such a part is prone to distortion and is difficult to straighten after case hardening.
  • an internal toothing 2 and an external toothing 3 various snap grooves 4, and grooves and holes 6 for oil supply, resulting notch effects that result in the use of conventional steels only a low dynamic load capacity.
  • a second gear shaft (shaft II) of the same chemical composition was made with a case hardening depth Eht620HV1 of about 0.7 mm, by carburizing at 900 ° C (due to the observance of the exact gear data), with carburization over 4.7 hours with a C level of 1.05%.
  • the subsequent diffusion was carried out at 860 ° C over a period of one hour with a C level of 0.75%.
  • Case hardening produced a very hard surface layer> 58 HRC for both gear shafts. Values ranged from 61 to 62 HRC. At the same time, a very high core strength of over 42 HRC was found, ranging from 46 to 48 HRC, despite a very mild high pressure gas quench with nitrogen quench media.
  • the following table shows the hardness values of the two shafts reached at different points, with the cuts 1, 2 and 3 from FIG. 1 as well as the surface hardness test points being able to be seen.
  • the surface hardness measuring points are noted with OH1, OH2 and OH3 in Fig. 1.
  • test bodies for the Jominy forehead quenching test according to ISO642 were also produced.
  • the steel according to the invention has a superiority after case hardening in comparison to previously used types of steel, above all at a greater distance from the end face.

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Abstract

Ein Stahl für einsatzgehärtete hochbeanspruchbare Maschinenteile mit hoher Kernhärte, geringer Verzugsneigung, mit billigen Legierungselementen und guter mechanischer Bearbeitbarkeit ist gekennzeichnet durch folgende chemische Zusammensetzung vor dem Einsatzhärten: C: 0,20 - 0,50 Gew.%, vorzugsweise 0,26 - 0,46 Gew.% Si: 0,10 - 0,50 Gew.%, vorzugsweise 0,15 - 0,40 Gew.% Mn: 0,12 - 3,5 Gew.%, vorzugsweise 1,4 - 3,0 Gew.% Cr: ≤ 1,2 Gew.%, Gew.% vorzugsweise 0,05 - 1 Gew.%, insbesondere 0,4 - 0,8 P: ≤ 0,05 Gew.%, vorzugsweise ≤ 0,03 Gew.% B: 30 - 120 ppm, vorzugsweise 40 - 60 ppm
sowie gegebenenfalls: Ti: 0,020 - 0,07 Gew.%, vorzugsweise 0,035 - 0,05 Gew.% Ni: ≤ 1,0 Gew.%
Rest Fe und erscheinungsbedingte Verunreinigungen (Fig. 2).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Stahl für einsatzgehärtete hochbeanspruchbare Maschinenteile sowie ein Verfahren zum Herstellen eines hochbeanspruchbaren Maschinenteils und einen hochbeanspruchbaren Maschinenteil.
  • Für hochbelastbare Maschinenteile bestehen Zukunftsentwicklungen darin, die Belastbarkeit zu erhöhen und hierbei jedoch deren Volumen zu minimieren, um auch in einem begrenzten Bauraum einen solchen Maschinenteil einsetzen zu können. Diese Problematik besteht insbesondere für Getriebe, zumal die Tendenz dahingehend gerichtet ist, immer drehmomentstärkere Motoren zu verwenden, sodass die Getriebe und insbesondere Getriebewellen immer höheren Belastungen ausgesetzt sind. Als weitere Forderungen sind noch ein geringes Gewicht, kurze Baulängen und kompakte Ausführungen von Getrieben gegeben.
  • Bei modernen Getrieben sind oftmals viele Funktionen für eine Getriebewelle vorgesehen und daher viele Funktionselemente auf einer Getriebewelle untergebracht. So hat beispielsweise eine Hauptwelle bei einem modernen Kfz-Verteilergetriebekonzept folgende Aufgaben zu erfüllen:
    • Eine starre Verbindung vom Schalt- oder Automatikgetriebe (über eine Steckverzahnung) zur Hinterachse über eine Außensteckverzahnung zum Hinterachsflansch,
    • Bilden des Sitzes einer (regelbaren) nassen Lamellenkupplung,
    • Bilden diverser Nadel- und Rollenlagersitze und Sprengringnuten und Dichtringsitze,
    • Abstützung der elektromechanischen Aktuatorik zur Betätigung der Lamellenkupplung,
    • Lagerung des Kettenrades zum Drehmomenttransfer über eine Zahnlaschen-Wiegegelenkkette zur Vorderachse,
    • Bilden des Sitzes einer Rotor-Ölpumpe, die die Kühl- und Schmierölversorgung der Lamellenkupplung und der restlichen Komponenten (Lager) sicherstellt,
    • Aufnahme einer mittigen Ölbohrung durch die Welle und diverser Querbohrungen zur Speisung und Verteilung von Kühl- und Schmieröl.
  • Eine Getriebewelle dieser Art stellt ein zentrales Hauptbauelement eines Getriebes dar, das auch extremen Anforderungen ausgesetzt ist. Eine solche Welle muss hohe stoßartige Momente aufnehmen, und zwar bei relativ kleinem Außendurchmesser. Zudem sind meist starke Schwächungen infolge einer Kerbwirkung, verursacht durch Öl-Längs- und Querbohrungen, Nuten, etc., gegeben.
  • Um hohen Drehzahlen standzuhalten sind weiters nur sehr kleine maßliche Toleranzen, betreffend Rundlauf und Biegung, zulässig. Solche Toleranzen liegen beispielsweise unter 50 µm. Bei Großserienfertigungen kommen noch Anforderungen hinsichtlich des Werkstoffs für eine solche Getriebewelle hinzu. Der Werkstoff soll preisgünstig sein und Wärmebehandlungen und das Fertigen der Welle sollen trotz der oben beschriebenen Anforderungen kostengünstig sein.
  • Es ist Stand der Technik, solche hochbeanspruchbare Maschinenteile aus einem Einsatzstahl zu fertigen und einsatzzuhärten. Solche Einsatzstähle weisen einen C-Gehalt zw. 0,10 bis 0,20 Gew.% neben anderen für die Härtbarkeit vorgesehenen Legierungselementen, wie Cr, Mn, Ni, Mo und V - in teilweise hohen Legierungsanteilen - auf. Hierdurch sind hohe Kosten für das Rohmaterial, die Bearbeitung und den Wärmebehandlungsprozess gegeben, wobei jedoch oft die hohen Anforderungen betreffend höchster statischer und dynamischer Beanspruchung nicht vollständig erfüllt werden können.
  • Übliche Werkstoffe sind in Europa z.B. 16MnCr5, 20MnCr5, 18CrNiMo7-6 (DIN-EN10084) oder in US/Kanada der SAE8620H oder der SAE8630H (SAE J1268). Sie alle erfüllen weder die Forderung nach geringen Werkstoff- und Herstellkosten, noch erreicht man die notwendigen hohen Kemfestigkeiten für die heutzutage geforderten Beanspruchungen, schon gar nicht mit einer milden langsamen Abschreckung, die zur Minimierung von Härteverzügen zur Einhaltung der maßlichen Forderungen wünschenswert ist.
  • Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der oben geschilderten Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, einen Stahl für einsatzgehärtete hochbeanspruchbare Maschinenteile sowie ein Verfahren zum Herstellen solcher hochbeanspruchbarer Maschinenteile zu schaffen, welche neben einer hohen Kernfestigkeit auch bei größeren Wanddicken durch Einsatzhärten auf sehr hohe Härten im Oberflächenbereich bringbar sind, und dies bei einem auch für komplizierte Maschinenteile vemachlässigbaren Verzug. Zudem soll eine gute mechanische Bearbeitbarkeit durch Zerspanen gegeben sein. Der Stahl selbst soll kostengünstig sein, und zwar durch Verwendung preiswerter Legierungselemente und unter Vermeidung der sehr teuren Legierungselemente wie z.B. Mo, und zudem sollen die Gehalte an Legierungselementen möglichst gering sein. Eine weitere Aufgabe ist darin zu sehen, dass ein Härten nach dem Einsätzen möglich sein soll, und zwar mit gegenüber Öl-, Wasser- und Salzbadabschreckung sehr geringen Abschreckgeschwindigkeiten, wie sie beispielsweise beim Abschrecken mittels Gasen möglich sind, um einen Verzug des fertig bearbeiteten Maschinenteils zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Stahl folgender chemischer Zusammensetzung vor dem Einsatzhärten gelöst:
    • C: 0,20 - 0,50 Gew.%, vorzugsweise 0,26-0,46 Gew.%, insbes. 0,27-0,35 Gew.%
    • Si: 0,10 - 0,50 Gew.%, vorzugsweise 0,15 - 0,40 Gew.%
    • Mn: 0,12 - 3,5 Gew.%, vorzugsweise 1,4 - 3,0 Gew.%
    • Cr: ≤ 1,2 Gew.%, vorzugsweise 0,05 - 1 Gew.%, insbesondere 0,4 - 0,8 Gew.%
    • P: ≤ 0,05 Gew.%, vorzugsweise ≤ 0,02 Gew.%
    • B: 30-120 ppm, vorzugsweise 35 - 60 ppm, insbesondere 40-55 ppm sowie gegebenenfalls:
      • Ti: 0,020 - 0,07 Gew.%, vorzugsweise 0,035 - 0,05 Gew.%
      • Ni: ≤ 1,0 Gew.%, vorzugsweise <0,15 Gew.%
      • Rest Fe und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
  • Der erfindungsgemäße Stahl weist somit gegenüber klassischen Einsatzstählen einen wesentlich höheren C-Gehalt auf, nämlich über 0,20 Gew.%, wogegen er bei klassischen Einsatzstählen zw. 0,10 und 0,20 Gew.% liegt. Dieser höhere C-Gehalt wird üblicherweise nur bei Vergütungsstählen verwirklicht. Durch diesen höheren C-Gehalt erreicht man einerseits höhere Kernfestigkeiten beim Einsatzhärten, und auf der anderen Seite gestaltet sich der Übergang zur einsatzgehärteten Schicht - eine aufgekohlte Randschicht weist etwa einen C-Gehalt von 0,8 Gew.% auf - nicht so abrupt, sondern es findet ein eher sachter kontinuierlicher Festigkeitsübergang zwischen dem Rand und dem Kern statt. Hierdurch ist gewährleistet, dass der Rand sehr hart und verschleißfest ist und HRC-Werte in der Höhe von 58 bis 63 erreicht, wogegen der Kemquerschnitt wegen seiner hohen Kemfestigkeit nach dem Einsatzhärten (z.B. HRC-Werte zw. 42 und 46 beim Hochdruckgasabschrecken) sehr hohe statische und dynamische Festigkeiten aufweist und aufgrund seiner Legierung gegenüber der Randschicht trotzdem relativ zäh ist.
  • Der Bor-Anteil liegt zwischen 30 und 120 ppm, idealerweise zwischen 35 und 60 ppm. Bor bringt eine extrem starke Härtbarkeitssteigerung und steht als Legierungselement quasi "kostenlos" zur Verfügung.
  • Zur Herstellung von Getriebewellen weist der Stahl zweckmäßig einen C-Gehalt vor dem Einsatzhärten zw. 0,26 und 0,30 Gew.%, und einen Mn-Gehalt zw. 1,5 und 2 Gew.% auf.
  • Wenn die Kontur des Maschinenteiles bzw. der Welle durch Kaltfließpressen oder durch Rundkneten bei Raumtemperatur hergestellt wird, ist der Si-Gehalt zweckmäßig auf 0,15 bis 0,25 Gew.% zu begrenzen (ist auch wegen der geringeren Randoxidation zwecks erhöhter Dauerfestigkeit vorteilhaft). Bei Schmiedeteilen kann der Si-Gehalt bis 0,4 Gew.% betragen. Der Cr-Gehalt liegt vorzugsweise zw. 0,05 und 1,0 Gew.%, besser zw. 0,4 und 0,8 Gew.%, idealerweise bei etwa 0,6 Gew.%. Cr steigert die Härtbarkeit, ist aber teurer als Mn.
  • Der Schwefelgehalt wird vorteilhaft zw. 0,02 und 0,4 Gew.% eingeschränkt, was eine bessere Bearbeitbarkeit durch Zerspanen ergibt.
  • Optional können für extreme Belastungsanforderungen hinsichtlich Zähigkeit bis zu 1,0% Ni zulegiert werden.
  • Eine bevorzugte Variante des Stahls ist gekennzeichnet durch
    • Mn: 0,5-3,5 Gew.%, vorzugsweise 1,4-3,0 Gew.%, insbesondere 1,66-1,90 Gew.%,
    • Cr: 0,009-1,2 Gew.%, vorzugsweise 0,05-0,7 Gew.%, insbesondere 0,3-0,5 Gew.%,
    • B: 30-120 ppm, vorzugsweise 40-80 ppm, insbesondere 50-70 ppm,
    • N <0,016 Gew.%,
    • Al: 0,015-0,04 Gew.%, wobei der Al-Gehalt mindestens doppelt so hoch ist wie der Stickstoffgehalt,
    • S: 0,02-0,04 Gew.%, vorzugsweise 0,02-0,035 Gew.%.
  • Diese optimal abgestimmte Zusammensetzung der Legierungselemente hat den überraschenden Effekt, dass die Härtbarkeit des Materials selbst unter mildesten Abschreckbedingungen extrem hoch ist. Aufgrund der Neuheit dieser Legierung ist die Härtbarkeit natürlich auch in den neuesten Regelwerken (SEP1664, Juni 2004; "Ermittlung von Formeln durch multiple Regression zur Berechnung der Härtbarkeit im Stimabschreckversuch aus der chemischen Zusammensetzung von Stählen" + Beiblatt zum SEP1664) nicht errechenbar, sondern nur durch praktische Versuche zu charakterisieren.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines hochbeanspruchbaren Maschinenteils, wie einer Getriebewelle, ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
    • Verwendung eines Stahles mit der folgenden chemischen Zusammensetzung:
      • C: 0,20 - 0,50 Gew.%, vorzugsweise 0,26 - 0,46 Gew.%, insbes. 0,27-0,35 Gew.%
      • Si: 0,10 - 0,50 Gew.%, vorzugsweise 0,15 - 0,25 Gew.%
      • Mn: 0,12 - 3,5 Gew.%, vorzugsweise 1,4 - 3,0 Gew.%
      • Cr: ≤ 1,2 Gew.%, vorzugsweise 0,05 - 1 Gew.%, insbesondere 0,4 - 0,8 Gew.%
      • P: ≤ 0,05 Gew.%, vorzugsweise ≤ 0,02 Gew.%
      • B: 30 - 120 ppm, vorzugsweise 35 - 60 ppm, insbesondere 40-55 ppm sowie gegebenenfalls:
        • Ti: 0,020 - 0,07 Gew.%, vorzugsweise 0,035 - 0,05 Gew.%
        • Ni: ≤ 1,0 Gew.%, vorzugsweise <0,15 Gew.%
        • Rest Fe und erscheinungsbedingte Verunreinigungen
    • Herstellung eines Rohlings, vorzugsweise durch Schmieden, Rundkneten oder Fließpressen (im speziellen Kaltfließpressen):
      • Spannabhebende Endfertigung des Maschinenteils
      • Einsatzhärten des spannabhebend endgefertigten Maschinenteils und
      • Härten durch
      • Abschrecken mit Gas, vorzugsweise mit Stickstoff (oder mit Luft, wenn zusätzlich reinigungs- oder festigkeitsgestrahlt wird)
      • sowie Anlassen.
  • Das Einsatzhärten erfolgt zweckmäßig in einem Temperaturbereich zw. 880 und 1050°C, vorzugsweise zw. 900 und 950°C beim Aufkohlen mit anschließendem Diffundieren zw. 840 und 880°C, vorzugsweise bei etwa 860°C, wobei zweckmäßig während des Einsatzhärtens ein C-Pegel von 0,7 bis 1,2 Gew.%, vorzugsweise von 1,0 bis 1,1 Gew.% beim Aufkohlen und von 0,7 bis 0,8 Gew.% beim Diffundieren eingestellt wird.
  • Das Härten wird vorteilhaft ausgehend von einer Temperatur von etwa 850 bis 910°C, vorzugsweise ausgehend von etwa 860°C, durchgeführt.
  • Das nachfolgende Anlassen erfolgt auf einem Temperaturbereich von max. 200°C, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 160°C, wobei vorteilhaft das Abschrecken extrem milde, vorzugsweise mit einem Gasdruck von etwa 2-3 bar Stickstoff oder Luft, durchgeführt wird.
  • Ein bevorzugtes Verfahren ist gekennzeichnet durch die Verwendung eines Stahles mit der folgenden chemischen Zusammensetzung:
    • Mn: 0,5-3,5 Gew.%, vorzugsweise 1,4-3,0 Gew.%, insbesondere 1,66-1,90 Gew.%,
    • Cr: 0,009-1,2 Gew.%, vorzugsweise 0,05-0,7 Gew.%, insbesondere 0,3-0,5 Gew.%,
    • B: 30-120 ppm, vorzugsweise 40-80 ppm, insbesondere 50-70 ppm,
    • N <0,016 Gew.%.
    • Al: 0,015-0,04 Gew.%, wobei der Al-Gehalt mindestens doppelt so hoch ist wie der Stickstoffgehalt,
    • S: 0,02-0,04 Gew.%, vorzugsweise 0,02-0,035 Gew.%.
  • Ein hochbeanspruchbarer Maschinenteil ist gekennzeichnet durch folgende Stahlzusammensetzung:
    • C: 0,20 - 0,50 Gew.%, vorzugsweise 0,26 - 0,46 Gew.%, insbes. 0,27-0,35 Gew.%
    • Si: 0,10 - 0,50 Gew.%, vorzugsweise 0,15 - 0,25 Gew.%
    • Mn: 0,12 - 3,5 Gew.%, vorzugsweise 1,4 - 3,0 Gew.%
    • Cr: ≤ 1,2 Gew.%, vorzugsweise 0,05 - 1 Gew.%, insbesondere 0,4 - 0,8 Gew.%
    • P: ≤ 0,05 Gew.%, vorzugsweise ≤ 0,02 Gew.%
    • B: 30 - 120 ppm, vorzugsweise 35 - 60 ppm, insbesondere 40-55 ppm sowie gegebenenfalls:
      • Ti: 0,020 - 0,07 Gew.%, vorzugsweise 0,035 - 0,05 Gew.%
      • Ni: ≤1,0 Gew.%, vorzugsweise <0,15 Gew.%
      • Rest Fe und erscheinungsbedingte Verunreinigungen,
      • wobei durch Aufkohlen der C-Gehalt im Randbereich in der Höhe von etwa 0,7 - 0,9 Gew.%, vorzugsweise von etwa 0,8 Gew.%, und im Mittenbereich in der Höhe zw. 0,26 und 0,46 Gew.% liegt.
  • Ein Maschinenteil dieser Art ist gekennzeichnet durch eine harte Oberflächenschicht > 58 HRC, vorzugsweise im Bereich zw. 61 und 62 HRC, und eine Kemfestigkeit > 42 HRC, vorzugsweise im Bereich zw. 46 und 48 HRC.
  • Ein bevorzugter Maschinenteil ist gekennzeichnet durch eine Stahlzusammensetzung
    • Mn: 0,5-3,5 Gew.%, vorzugsweise 1,4-3,0 Gew.%, insbesondere 1,66-1,90 Gew.%,
    • Cr: 0,009-1,2 Gew.%, vorzugsweise 0,05-0,7 Gew.%, insbesondere 0,3-0,5 Gew.%,
    • B: 30-120 ppm, vorzugsweise 40-80 ppm, insbesondere 50-70 ppm,
    • N <0,016 Gew.%,
    • Al: 0,015-0,04 Gew.%, wobei der Al-Gehalt mindestens doppelt so hoch ist wie der Stickstoffgehalt,
    • S: 0,02-0,04 Gew.%, vorzugsweise 0,02-0,035 Gew.%.
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Getriebewelle im Schnitt, die aus einem erfindungsgemäßen Stahl hergestellt und einsatzgehärtet wurde. Fig. 2 gibt die Härtewerte HRC eines erfindungsgemäßen einsatzgehärteten Stahles im Vergleich zu diversen anderen einsatzgehärteten Stählen gemäß dem Stand der Technik wieder, wobei die dargestellten Streubreiten der Härtebänder besondere Beachtung finden sollten. Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen weitere Vergleiche der erreichbaren Härten HRC zwischen einem erfindungsgemäßen Stahl und diversen herkömmlichen Stahlsorten. Die Fig. 6 bis 8 veranschaulichen Schliffbilder des Oberflächenbereiches eines Maschinenteils.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Getriebewelle 1 stellt einen Maschinenteil dar, der nur schwierig einsatzgehärtet werden kann, zumal er eine sehr große Länge und stark divergierende Querschnittswerte aufweist. Ein solcher Teil neigt zum Verzug und ist nach einem Einsatzhärten nur schwierig zu richten. Durch eine Innenverzahnung 2 und eine Außenverzahnung 3, diverse Sprengringnuten 4, sowie Nuten und Bohrungen 6 zur Ölführung, ergeben sich Kerbwirkungen, die bei Einsatz von herkömmlichen Stählen nur eine geringe dynamische Belastbarkeit ergeben. Für den Sitz einer Lamellenkupplung sind enge Durchmessertoleranzen einzuhalten.
  • Für diese Getriebewelle 1 wurde ein Stahl mit folgender chemischer Zusammensetzung eingesetzt: Tabelle 1
    Element C Mn Si Cr B S P
    Gew.% 0,27 1,67 0,28 0,51 37 ppm 0,023 0,012
  • Aus diesem Stahl wurde ein Rohling für die Getriebewelle (Welle I) durch Fließpressen hergestellt und anschließend, gemäß Fig. 1, fertig bearbeitet, und zwar inklusive aller Verzahnungen und Bohrungen bzw. Nuten.
  • Anschließend folgte das Einsatzhärten in einer Durchstoßanlage mit klassischer Gasaufkohlung, aber mit Hochdruckgasabschreckung mittels Stickstoff, mit einer typischen Aufkohlungstiefe Eht620HV1 von ca. 1,3 mm. Hierbei fand eine Aufkohlung bei 900°C (wegen der Einhaltung der genauen Verzahnungsdaten) über eine Zeitdauer von zwölf Stunden, mit einem C-Pegel von 1,05%, mit einem anschließenden Diffundieren bei 860°C in zwei Stunden, mit einem C-Pegel von 0,75%, statt. Anschließend erfolgte ein Härten, ausgehend von einer Härtetemperatur bei 860°C, wobei das Abschrecken mit Stickstoff mit einem Druck von 3,0 bar erfolgte. Hierauf wurde die Getriebewelle angelassen, und zwar auf eine Temperatur von 160°C und über eine Zeitdauer von drei Stunden.
  • Eine zweite Getriebewelle (Welle II) mit gleicher chemischer Zusammensetzung wurde mit einer Einsatzhärtetiefe Eht620HV1 von ca. 0,7 mm hergestellt, und zwar durch Aufkohlung bei 900°C (wegen der Einhaltung der genauen Verzahnungsdaten), wobei die Aufkohlung über 4,7 Stunden mit einem C-Pegel von 1,05 % erfolgte. Das anschließende Diffundieren wurde bei 860°C über eine Zeitdauer von einer Stunde mit einem C-Pegel von 0,75 % durchgeführt. Das Härten erfolgte, wie bei der anderen Welle, ausgehend von einer Härtetemperatur von 860°C, einem Abschrecken mit 3,0 bar Stickstoff, und Anlassen auf 160°C, jedoch nur über 1,5 Stunden.
  • Bei beiden Getriebewellen konnte durch das Einsatzhärten eine sehr harte Oberflächenschicht von >58 HRC erzielt werden. Die Werte lagen bei 61 bis 62 HRC. Gleichzeitig ergab sich eine sehr hohe Kemfestigkeit von über 42 HRC, sie lag bei 46 bis 48 HRC, und dies trotz einer sehr milden Hochdruckgasabschreckung mit dem Abschreckmedium Stickstoff.
  • Beide Getriebewellen wurden einem dynamischen Gewaltversuch zur Überprüfung der hohen Festigkeit bei hoher Zähigkeit unterworfen:
    • Bei einer Drehzahl von ca. 80 U/min. wurden, beginnend bei 100 Nm, Belastungszyklen auf die Getriebewellen aufgebracht. Jeder der Belastungszyklen bestand aus 5 stoßartigen Belastungen vorwärts und einem Belastungsstoß rückwärts, wobei von Zyklus zu Zyklus die Belastung um 100 Nm gesteigert wurde, und zwar so lange, bis 6.000 Nm erreicht wurden. Anschließend wurden beide Wellen begutachtet. Hierbei zeigten beide Wellen zwar plastische Verformungen durch die massiven Überlastungen, jedoch konnten keine Anrisse oder Brüche festgestellt werden.
  • Aufgrund der höheren Kernfestigkeit ergaben sich auch wesentlich höhere Bruchmomente, und zwar sowohl statisch (>6500 Nm) als auch dynamisch gegenüber Wellen gleicher Bauart, jedoch aus herkömmlichen Werkstoffen hergestellt.
  • In der nachstehenden Tabelle sind die an unterschiedlichen Stellen erreichten Härtewerte der beiden Wellen wiedergegeben, wobei die Schliffe 1, 2 und 3 aus der Fig. 1 ebenso wie die Prüfstellen der Oberflächenhärte ersehen werden können. Die Oberflächenhärte-Messstellen sind mit OH1, OH2 und OH3 in Fig. 1 angemerkt.
    Figure imgb0001
  • Aus dem erfindungsgemäßen Stahl gemäß Tab. 1 wurden auch Testkörper für den Jominy Stirnabschreckversuch nach ISO642 gefertigt. Wie aus den Fig. 2, 3, 4 und 5 zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße Stahl nach dem Einsatzhärten eine Überlegenheit im Vergleich zu bisher verwendeten Stahlsorten, vor allem im größeren Abstand von der Stirnfläche, auf. Er zeichnet sich im Vergleich zu den herkömmlichen Stahlsorten durch nur einen geringen Abfall der Härte mit größer werdendem Abstand von der Stirnfläche aus, wobei jene dem Stand der Technik zugehörenden Stahlsorten, die an der Stirnfläche eine besonders hohe Härte aufweisen, und zwar eine höhere als der erfindungsgemäße Stahl, einen eklatanten Abfall der Härte mit zunehmendem Abstand von der Stimfläche hinnehmen müssen, was bedeutet, dass bei diesen Stählen die hohe Härte nur in sehr geringem Abstand von der Stirnfläche vorhanden ist, wogegen sich der erfindungsgemäße Stahl durch eine nahezu konstante Härte bis zum Abstand von etwa 20 mm von der Stirnfläche auszeichnet. Aber auch mit noch größerer Entfernung von der Stirnfläche, also in dem Bereich von 20 bis 50 mm ist der Abfall der Härte wesentlich geringer als bei herkömmlichen Stählen.
  • Fig. 6 zeigt ein Schliffbild des Oberflächenbereiches einer erfindungsgemäß hergestellten Getriebewelle, und zwar quer zur Längsachse der Getriebewelle entnommen. Es zeigt sich die aufgekohlte Randschicht R mit Martensit und Restaustenit, die in den Kembereich K mit Martensit und Bainit übergeht. Fig. 7 zeigt ein Detail aus dem Randbereich und Fig. 8 ein Detail aus dem Kembereich in vergrößertem Maßstab.
  • Nachfolgend ist ein Beispiel für einen gehärteten Stabstahl mit einer erfindungsgemäßen chemischen Zusammensetzung widergegeben:
    • Gasabschreckung mit Gasabschreckzelle, Anlage Fa. Aichelin (Mödling, Österreich), von Härtetemperatur 860°C im eingesetzten Zustand (C-Gehalt an der aufgekohlten Oberfläche:
      • 0,8%) mit 1 bar Stickstoff als Abschreckmedium -> Kernhärten von 42 HRC bei einem Vollquerschnitt von 35 mm. Dieser Stabstahl als Material für das (Kalt)-Fliesspressen und/oder Domschmieden (Rundkneten) in den Vordimensionen Rd 55 mm x 6000 mm (Gießart: Strangguss; Erschmelzungsart: E / Vakuum) mit der chemischen Ist-Analyse (in Gew.%):
        • C=0,28%; Si=0,31%; Mn=1,68%; P=0,013%; S=0,028%; Cu=0,20%; Sn=0,011%;
        • Al=0,030%; Cr=0,52%; Mo=0,03%; Ni=0,10%; N=0,008%; B=0,005%; Ti=0,0401% hat die Härtbarkeit nach Jominy (Stimabschreckversuch DIN EN ISO 642) J1.5=49,5HRC;
        • J3=48,8HRC; J5=48,2HRC; J7=48,2HRC; J9=48,0HRC; J11=48,0HRC; J13=47,8HRC;
        • J15=47,8HRC; J20=47,1HRC; J25=46,8HRC; J30=45,3HRC; J35=44,OHRC und
        • J40=42,8HRC. Reinheitsgrad K3 Oxide 0 0,42; Korngröße 6-8.
  • Der erfindungsgemäße Stahl eignet sich nicht nur in besonderer Weise für Getriebewellen, sondern auch für andere einsatzgehärtete hochbeanspruchte Maschinenteile, wie z.B. Zahnräder, insbesondere Getriebezahnräder, Sonnenräder, Planetenräder, Hohlräder, Aktuatoren (Kurvenscheiben, Nocken, etc.) oder Triebsätze (Trieblinge und Tellerräder).
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Stahles lassen sich, wie folgt, zusammenfassen:
    • Extrem hohe Härtbarkeit (ISO642) des Werkstoffes auch im Vollquerschnitt: J50 ca. 40 HRC. Vergleich mit dem Werkstoff Ovatec 277 der Fa. Ovako Steel ― Lufthärter: J50 = 38 HRC trotz des sehr hohen Anteils an teuren Legierungselementen wie Cr ca. 2,20%, Ni ca. 0,50%, Mo ca. 0,50% und V ca. 0,20%.
    • Beste mechanisch-technologische Eigenschaften (statisch und dynamischzyklisch),
    • Hohe Sicherheiten gegen Bruch bei statischer und/oder dynamischer Beanspruchung durch hohe Kemfestigkeiten bzw. Kernhärte.
    • Kaum Umwandlungsplastizität (Verzug) beim Härten mit Hochdruckgasabschreckung (milde Abschreckung = geringste Abschreckdrücke unter Verwendung eines billigen Abschreckmediums, z.B. Stickstoff oder Luft; z.B. Durchmesser 35 mm Wellen-Vollquerschnitt, mit Stickstoff 3,0 bar Abschreckdruck: Kemhärte 46 - 48 HRC.
    • Ausschussvermeidung beim mechanischen Richten des Werkstückes durch geringsten Verzug (<50µm).
    • Sehr kostengünstiger Stahl (keine teuren Legierungselemente).
    • Schwankungsbreite der Legierungselemente stark reduziert (geringe Legierungsgehalte):
      • o damit extrem geringes Härtestreuband,
      • o reproduzierbares vorhersagbares Ergebnis beim Härten,
      • o geringe Schwankungen der mechanisch-technologischen Eigenschaften am fertigen Bauteil.
    • Geringere Aufkohlungszeit bei gleicher Diffusionsrate durch den höheren Kohlenstoffgehalt des Wellen-Werkstoffes (von 0,2% C auf 0,3% C im Ausgangszustand vor dem Aufkohlen ca. 30% geringere Aufkohlungszeit bei einer Einhärtetiefe von ca. 0,5 - 0,6 mm!).
  • Bei gleichem C-Pegel während des Aufkohlens eine um 30% verkürzte Taktzeit gegenüber herkömmlichen bisher verwendeten Stählen, woraus sich der Vorteil einer kürzeren Durchstoßanlage ergibt (ca. 5% geringere Investitionskosten, ca. 10% geringere Betriebskosten).

Claims (15)

  1. Stahl für einsatzgehärtete hochbeanspruchbare Maschinenteile, gekennzeichnet durch folgende chemische Zusammensetzung vor dem Einsatzhärten:
    C: 0,20 ― 0,50 Gew.%, vorzugsweise 0,26 ― 0,46 Gew.%, insbes. 0,27-0,35 Gew.%
    Si: 0,10 - 0,50 Gew.%, vorzugsweise 0,15 - 0,25 Gew.%
    Mn: 0,12 - 3,5 Gew.%, vorzugsweise 1,4 - 3,0 Gew.%
    Cr: ≤ 1,2 Gew.%, vorzugsweise 0,05 - 1 Gew.%, insbesondere 0,4 - 0,8 Gew.%
    P: ≤ 0,05 Gew.%, vorzugsweise ≤ 0,02 Gew.%
    B: 30 ― 120 ppm, vorzugsweise 35 ― 60 ppm, insbesondere 40-55 ppm sowie gegebenenfalls:
    Ti: 0,020 - 0,07 Gew.%, vorzugsweise 0,035 - 0,05 Gew.%
    Ni: ≤ 1,0 Gew.%
    Rest Fe und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
  2. Stahl nach Anspruch 1 zur Herstellung von Getriebewellen, gekennzeichnet durch einen C-Gehalt vor dem Einsatzhärten zw. 0,26 und 0,30 Gew.% und einem Mn-Gehalt zw. 1,5 und 2 Gew.%.
  3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, zur Herstellung eines Maschinenteilrohlings durch Fließpressen (im speziellen Kaltfließpressen) oder Rundkneten, gekennzeichnet durch einen Si-Gehalt von 0,15 - 0,25 Gew.%.
  4. Stahl nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen S-Gehalt von 0,02 - 0,04 Gew.%.
  5. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch
    Mn: 0,5-3,5 Gew.%, vorzugsweise 1,4-3,0 Gew.%, insbesondere 1,66-1,90 Gew.%,
    Cr: 0,009-1,2 Gew.%, vorzugsweise 0,05-0,7 Gew.%, insbesondere 0,3-0,5 Gew.%,
    B: 30-120 ppm, vorzugsweise 40-80 ppm, insbesondere 50-70 ppm,
    N <0,016 Gew.%,
    Al: 0,015-0,04 Gew.%, wobei der Al-Gehalt mindestens doppelt so hoch ist wie der Stickstoffgehalt,
    S: 0,02-0,04 Gew.%, vorzugsweise 0,02-0,035 Gew.%.
  6. Verfahren zum Herstellen eines hochbeanspruchbaren Maschinenteils, wie einer Getriebewelle, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte:
    - Verwendung eines Stahles mit der folgenden chemischen Zusammensetzung:
    C: 0,20 - 0,50 Gew.%, vorzugsweise 0,26 - 0,46 Gew.%, insbes. 0,27-0,35 Gew.%
    Si: 0,10 - 0,50 Gew.%, vorzugsweise 0,15 - 0,25 Gew.%
    Mn: 0,12 - 3,5 Gew.%, vorzugsweise 1,4 - 3,0 Gew.%
    Cr: ≤ 1,2 Gew.%, vorzugsweise 0,05 - 1 Gew.%, insbesondere 0,4 - 0,8 Gew.%
    P: ≤ 0,05 Gew.%, vorzugsweise 0,02 Gew.%
    B: 30 - 120 ppm, vorzugsweise 35 ― 60 ppm, insbesondere 40-55 ppm sowie gegebenenfalls:
    Ti: 0,020 - 0,07 Gew.%, vorzugsweise 0,035 - 0,05 Gew.%
    Ni: ≤ 1,0 Gew.%, vorzugsweise <0,15%
    Rest Fe und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
    - Herstellung eines Rohlings, vorzugsweise durch Schmieden, Rundkneten oder Fließpressen (im speziellen Kaltfließpressen),
    - Spanabhebende Endfertigung des Maschinenteils,
    - Einsatzhärten des spanabhebend endgefertigten Maschinenteils und
    - Härten durch
    - Abschrecken mit Gas, vorzugsweise mit Stickstoff
    - sowie Anlassen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzhärten in einem Temperaturbereich zw. 880 und 1050°C, vorzugsweise zw. 900 und 950°C beim Aufkohlen mit anschließendem Diffundieren zw. 840 und 880°C, vorzugsweise bei etwa 860°C, erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einsatzhärtens ein C-Pegel von 0,7 bis 1,2 Gew.%, vorzugsweise von 1,0 bis 1,1 Gew.% beim Aufkohlen und von 0,7 bis 0,8 Gew.% beim Diffundieren eingestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, 7, oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten ausgehend von einer Temperatur von etwa 850 bis 910°C, vorzugsweise ausgehend von etwa 860°C erfolgt.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlassen auf einen Temperaturbereich von max. 200°C, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 160°C erfolgt.
  11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschrecken extrem milde, vorzugsweise mit einem Gasdruck von etwa 3 bar durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Stahles mit der folgenden chemischen Zusammensetzung:
    Mn: 0,5-3,5 Gew.%, vorzugsweise 1,4-3,0 Gew.%, insbesondere 1,66-1,90 Gew.%,
    Cr: 0,009-1,2 Gew.%, vorzugsweise 0,05-0,7 Gew.%, insbesondere 0,3-0,5 Gew.%,
    B: 30-120 ppm, vorzugsweise 40-80 ppm, insbesondere 50-70 ppm,
    N <0,016 Gew.%.
    Al: 0,015-0,04 Gew.%, wobei der Al-Gehalt mindestens doppelt so hoch ist wie der Stickstoffgehalt,
    S: 0,02-0,04 Gew.%, vorzugsweise 0,02-0,035 Gew.%.
  13. Hochbeanspruchbarer Maschinenteil, insbesondere Getriebewelle, gekennzeichnet durch eine Stahlzusammensetzung:
    C: 0,20 - 0,50 Gew.%, vorzugsweise 0,26 - 0,46 Gew.%, insbes. 0,27-0,35 Gew.%
    Si: 0,10 - 0,50 Gew.%, vorzugsweise 0,15 - 0,25 Gew.%
    Mn: 0,12 - 3,5 Gew.%, vor zugsweise 1,4 - 3,0 Gew.%
    Cr: ≤ 1,2 Gew.%, vorzugsweise 0,05 - 1 Gew.%, insbesondere 0,4 - 0,8 Gew.%
    P: ≤ 0,05 Gew.%, vorzugsweise ≤ 0,02 Gew.%
    B: 30-120 ppm, vorzugsweise 35 - 60 ppm, insbesondere 40-55 ppm sowie gegebenenfalls:
    Ti: 0,020 - 0,07 Gew.%, vorzugsweise 0,035 - 0,05 Gew.%
    Ni: ≤ 1,0 Gew.%, vorzugsweise <0,15 Gew.%
    Rest Fe und erscheinungsbedingte Verunreinigungen,
    wobei durch Aufkohlen der C-Gehalt im Randbereich in der Höhe von etwa 0,7 - 0,9 Gew.%, vorzugsweise von etwa 0,8 Gew.% und im Mittenbereich in der Höhe zw. 0,26 und 0,46 Gew.% liegt.
  14. Maschinenteil nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine harte Oberflächenschicht
    > 58 HRC, vorzugsweise im Bereich zw. 61 und 62 HRC, und eine Kemfestigkeit
    > 42 HRC, vorzugsweise im Bereich zw. 46 und 48 HRC.
  15. Maschinenteil nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine Stahlzusammensetzung
    Mn: 0,5-3,5 Gew.%, vorzugsweise 1,4-3,0 Gew.%, insbesondere 1,66-1,90 Gew.%,
    Cr: 0,009-1,2 Gew.%, vorzugsweise 0,05-0,7 Gew.%, insbesondere 0,3-0,5 Gew.%,
    B: 30-120 ppm, vorzugsweise 40-80 ppm, insbesondere 50-70 ppm,
    N <0,016 Gew.%,
    Al: 0,015-0,04 Gew.%, wobei der Al-Gehalt mindestens doppelt so hoch ist wie der Stickstoffgehalt,
    S: 0,02-0,04 Gew.%, vorzugsweise 0,02-0,035 Gew.%.
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