HU201809B

HU201809B - Axle-driving shaft and process for producing same

Info

Publication number: HU201809B
Application number: HU89318A
Authority: HU
Inventors: Kent Eugene Davison; Ervin Rickert
Original assignee: Dana Corp
Priority date: 1988-03-10
Filing date: 1989-01-25
Publication date: 1990-12-28
Also published as: EP0332284B1; DE68918309T2; CN1050388C; KR890014754A; BR8900467A; TR25461A; JPH01234549A; US4820357A; CN1036043A; AU2779289A; AU602477B2; DE68918309D1; HUT49653A; EP0332284A1; MX167291B

Description

A jelen találmány tárgya olyan féltengelyek, amely karbont, mangánt és szilíciumot tartalmazó ötvözetből készül és 132300-176400 N-nel terhelhető és 43-52 mm átmérőjű, valamint eljárás ilyen kerékféltengelyek előállítására, amelynek során a tengelyek egyik végén csapot, másik végén karimát kovácsoljuk és a végeket készre esztergáljuk.

Nagyszilárdságú kerék féltengelyek gyártása során az egyik legfontosabb feladat a megfelelő karbonacél kiválasztása, illetve előállítása, a megfelelő felületi keménység elérése érdekében. Az anyag felkeményíthetősége viszont a karbon tartalom függvénye, azaz a megfelelő Rockwell-keménység (R_c) eléréséhez elegendő karbontartalommal kell rendelkezzék, ugyanakkor a karbontartalom elég alacsony kell legyen ahhoz, hogy a felkeményítés során ne váljék túlságosan rideggé az anyag és a magrésze ne keményedjen fel. A megfelelő felületi keménység lényegében attól függően alakul ki, hogy milyen mélységben válik martenzitessé az ötvözet szerkezete az edzés során, amikoris az úgynevezett kritikus hűtési kritikus hűtési sebességgel hűtjük.

A modern felületkmeményítő eljárások 1930-as évekből erednek, a United Steel Corporation laboratóriumaiban végzett kutatómunka alapján. 1938ban General Motors laboratóriumában kidolgozták az úgynevezett Jominy tesztet, amelynek segítségével a keményíthetőséget definiálhatták. Ez a vizsgálat egy 25,4 mm (1 inch) átmérőjű próbadarab egyik végének vízben történő hűtésével kezdődik, majd a próbadarab Rockwell-keménységének megállapításával folytatódik a hűtött végtől számított 1,6 mm-enként. A keményíthetőség kiszámításában az alapmunkálatokat Grossmann végezte a United States Steele Corporation-nél és vizsgálataink eredményeit 1942-ben publikálta a Trans American Institute of Mining and Metallurgival Engineers 150. kötetében (227-259. oldal). Grossmann abból indult ki, hogy a keményíthetőség elméletében egy úgynevezett ideális átmérőjű (Dl) rudat definiál. Ez az átmérő egy olyan próbadarabhoz tartozik, amelynek teljes átmérője felkeményedik ideális edzési körülmények között és ebben az esetben a próbadarab középpontjában a szövetszerkezet 50 tömeg%-a martenzitból áll. Az ideális átmérő (Dl) számítását több helyütt közlik, például a Modern Metallurgy fór Engineers című könyvben (szerző: T. Sisco, Pitman Publishing Company, New York, 1948). Hasonló számításokat közöl Clarance A. Siebert, Douglas V. Doane és Dalé H. Breen a The hardenability of Steels - Concepts, Metallurgical Influences and Industrial Applicaltions című cikkben (American Society of Metals, Metals Park, Ohio, 1977).

Általában az ideális, illetve kritikus átmérőt úgy számolják ki, hogy az ötvözet valamennyi alkotójához hozzárendelt tényezőket összeszorozzák. Például a SAE/AISI1040 jelű karbonacél kritikus átmérőjének számítása a Grossmann-féle adatok alapján a következő:

karbon 0,39 tömeg%, nikkel 0,19tömeg%, króm 0,04 tömeg%, molibdén 0,02 tömeg%, szorzótényező = 1,08 szorzótényező = 1,05 szorzótényező = 1,09 szorzótényező = 1,06.

Az ideális átmérő ily módon:

Dl = 0,23 x 3,27 x 1,08 x 1,05 x 1,09 x 1,06 = 0,98 inch (24,89 mm).

Ez tehát azt jelenti, hogy egy tökéletesen átedzett acél ideális átmérője 24,89 mm lenne. Ennek megfelelően a kívánt felkeményítéshez a maximális tengelyátmérő ennél valamivel kisebb, körülbelül 19 mm kell legyen.

Az ilyen ideális átmérő számítások használatával meghatározható egy adott összetételű tengely maximális átmérője, arra az esetre vonatkozóan, amikoris a keresztmetszet középpontjában a szövetszerkezet 50%-át martenzit alkotja edzés után.

Ismeretes, hogy a nagy margán tartalmú karbonacélok jól keményíthetőek, minthogy a mangán segíti a karbon behatolását a magrészbe és szilárd oldat kialakulását teszi lehetővé, martenzites szerkezet mellett, az edzés után. Az SAE/AISI 1541 jelű szabványos acél például 0,36-0,44 tömeg% karbont és 1,35-1,65 tömeg% mangánt tartalmaz és kerék féltengelyek előállítása során legfeljebb 43 mm átmérőjű darabok kialakítása szükséges, 132300 N-ot meg nem haladó terhelés esetére. Ha 43 mm-nél nagyobb átmérőjű kerék féltengelyéket készítünk 132300,149400,167400 vagy 176400 N terhelésre, ezeket a 1541 jelű acélból nem tudjuk elkészíteni, minthogy a mangán tartalom nem biztosítja a teljes átmérőben történő felkeményedést, az 50 tömeg%os martenzit tartalom kialakulásával együtt. Ilyen esetekben a megoldás bizonyos mennyiségű bór beötvözése, mint például az SÁE1541 vagy az SAE 15841 jelű acéloknál. Ezekben az ötvözetekben általában 0,005 és 0,003 tömeg% közötti bórtartalom található.

Ha viszont az acél bőrt tartalmaz a megfelelő felkeményedés biztosítása érdekében, megnövekszik a visszamaradó feszültségek keletkezésének veszélye a kovácsolás után, amikoris a szokásos csapot és karimát alakítják ld a féltengelyek végein. Az ilyen feszültségek jelentős mértékben csöldcentik a fáradásos terhelés melletti élettartamot és általában idő előtti repedéses töréshez vezet. Ennek az az oka, hogy a bór kiválik a szemcsehatárokon bórnitrit formájában és elridegedést okoz. Ennek megakadályozására a bórnitridet a szemcsehatárokról el kell távolítani, ami normalizálás és levegőn történő hűtés segítségével lehetséges. Ez azonban időigényes és meglehetősen drága eljárás.

A jelen találmánnyal ezért olyan eljárás kialakítása a célunk, amely lehetővé teszi 43 és 52 mm közötti átmérőjű kerék féltengelyek gyártását 132300 és 176400 N közötti terhelésekre, anélkül, hogy az említett hosszú és költséges hőkezelésekre szükség lenne.

A kitűzött feladatot úgy oldottuk meg, hogy a kerék féltengelyek 0,4-0,48 tömeg% karbont, 1,351,61 tömeg% mangánt, 0,16-0,3 tömeg% szilíciumot, 0-0,2 tömeg% krómot és a maradékban vasat, valamint az edzés szempontjából közömbös komponenseket tartalmaz ideális átmérője 53 és 66 mm között van.

Az ötvözet célszerűen 0,025 és 0,05 tömeg% közötti mennyiségű alumíniumot is tartalmaz, hogy az ASTM 5 és 8 jelű szemcsenagyság tartomány biztosítható legyen.

-2HU 201809 Β

Ugyancsak célszerű, ha az ötvözet tartalmaz 00,15 tömeg% rezet, 0-0,2 tömeg% nikkelt, 0-0,15 tömeg% molibdént, 0,02r-0,045 tömeg% ként és legfeljebb 0,035 tömeg% foszfort.

A találmány szerinti kerékféltengelyek keménysége a középvonalban R_c = 35, a keménység a felületen temperálás után 52 és 59 Rc érték között van. A felülettől mintegy 15 mm távolságra a maximális keménység értéke Rc = 40. Az említett összetétel és ideális átmérőtartomány betartása esetén a fenti értékek biztosíthatók.

A féltengelyek előállításakor a 0,4-0,48 tömeg% karbont, 1,35-1,61 tömeg% mangánt, 0,16-0,3 tömeg% szilíciumot, 0-0,23 tömeg% krómot, valamint vasat és az edzés szempontjából közömbös komponenseket tartalmazó acélból egyik végén csappal, másik végén karimával ellátott darabokat kovácsolunk és a kovácsolás után közvetlenül, tehát feszültségmentesítő izzítás, illetve normalizálás nélkül indukciós edzést fézünk, majd a végeket készre esztergáljuk.

A nagyszilárdságú karbonacélok vizsgálata során kiderült, hogy az összetételben jelentkező minimális változás is meglepő hatást eredményezhet a késztermék tulajdonságaiban és ez a termék, például kerék féltengely előállítási technológiájának alapvető változását is eredményezheti. Jó példa erre az említett kerék féltengelyek összetétele és gyártási technológiája. A gépjárművekben alkalmazott kerék féltengelyek, elsősorban személyautók és könnyű teherautók céljára nem nagyobb átmérőjűek, mint 44 mm. Ilyen tengelyek könnyen előállíthatók a 1541 jelű acélötvözetből, amely megfelelően keményíthető normalizálás vagy lágyító izzítás nélkül. Ha azonban ennél nagyobb (4452 mm) átmérőjű kerék féltengelyeket akarunk előállítani 132300 és 176400 N közötti terhelési tartományra, ezen ötvözet már nem bizonyul megfelelően keményíthetőnek a kívánt mélységben. Ebből következően az élettartama is csökken. Ezért az ilyen terhelésű kerék féltengelyeket a már említett 15841 jelű ötvözetből készítik és minthogy ezen ötvözet nyomelemként bőrt is tartalmaz, biztosítható a megfelelő mélységű átedzés.

Az alábbi táblázatban bemutatjuk az SAE/AISI 1541 típusú acél kémiai összetételét.

Összetevők tömegszázalékos összetétel karbon 0,36-0,44 mangán 1,35-1,65 szilícium 0,15-0,35 kén max 0,050 foszfor max 0,040

A bórral adalékolt 15841 jelű acél összetétele hasonló, azzal a különbséggel, hogy a fentieken kívül tartalmaz 0,0005-0,003 tömeg% bőrt is. A jelentős mangán tartalom és a bőr mikroötvözés következtében a következő terhelési tartományok biztosíthatók:

Terhelés Tengely átmérő

132300 N 3,7 mm

149400 N 46,7 mm

167800 N 48,5 mm

176400 N 52,07 mm

Jóllehet az említett 15841 jelű acél megfelelő keményíthetőséggel és így a kívánt szilárdsággal rendelkezik, gyártása meglehetősen bonyolulttá válik a kisebb átmérőjű munkadarabokhoz képest.

Általában az ilyen kerék féltengelyeket a megfelelő átmérőjű öntött tuskóból készítik. Miután a tuskókat, illetve a rudakat a kerék féltengelynek megfelelő hosszra vágják, a tengelyvégeken kovácsolással kialakítják a szokásos csapot és karimát. Az említett csap, illetve karima pontos méreteit és alakját a megrendelő, illetve az igények határozzák meg. A kovácsolás után az esztergálással készméretre munkálhatok a kerék féltengelyek. A keményítőst az esztergálás után a kritikus hőmérséklet fölé történő hevítéssel és vízben történő hűtéssel végzik el. Célszerű a hevítést indukciós úton végezni oly módon, hogy a tengelyt két végén befogva álló vagy mozgó indukciós tekercsben forgatjuk. A vízben történő gyors hűtés biztosítja a megfelelő keménység kialakulását. A féltengelyeket végül folyamatos üzemű kemencében temperáljuk, hogy a visszamaradó feszültségeket eltüntessük. Ez a felületi keménység értékét néhány egységgel csökkenti.

Ha a féltengelyeket a 1541 jelű acélból készítik, a fent leírt eljárást alkalmazzák, azaz nem végeznek közbülső hőkezelést a kovácsolás és az esztergálás között. Ha azonban a féltengelyek a 15B41 jelű acélból készülnek, a bór adalék kiválást eredményez a szemcse határokon és hogy az ebből adódó feszültségeket megszüntessük, lágyító hőkezelést, illetve normalizálást kell végezni a kovácsolást követően, az esztergálás és az edzés előtt. A lágyító, illetve normalizáló hőkezelés - mint mondottuk hosszú és drága művelet és jelentősen növeli a féltengelyek gyártási költségeit.

Egyéb acélok, például az 50B50 jelű, amelyek ugyancsak biztosítják a megfelelő szilárdságot és keményíthetőséget, még drágábbak és ugyancsak igénylik a normalizáló hőkezelést.

A különböző összetételű karbonacélokkal végzett kísérleteink és elemzéseink, amelyek során a próbák keresztmetszetében vettünk fel a Jiminyteszthez hasonló profilokat, azt találtuk, hogy tökéletesen megfeleld keményedési görbét nyerünk, ha a tengely minimális folyáshatára eléri a 758x10° N/m² értéket. Ekkor a fáradásos élettartam is igen jó értékeket mutat.

Annak alapján, hogy a króm a mangánhoz hasonlóan fokozza a keményíthetóségi mélységet, különböző mangán és krómtartalmú ötvözeteket vizsgáltunk. Azt tapasztaltuk, hogy túl nagy krómtartalom ugyancsak túlságos felkeményedést eredményez. Hasonlóképpen, ha mind a mangán, mind a karbon a megengedett tartomány felső határán van, a magrész túlságosan felkeményedése jelentkezik, ami megint csak csökkenti a fáradásos élettartamot.

-3HU 201809 Β

Kiindulva az említett 1541 jelű acél összetételéből és részben figyelmen kívül hagyva azt a hagyományos tanítást, amely szerint ha mind a mangán, mind a karbontartalmat növeljük, az acél túlságosan felkeményedik, azt találtuk, hogy amennyiben 5 a karbontartalmat egy kicsit még tovább emeljük és a mangán tartalmat valamelyest csökkentjük, ugyanakkor egy kevés krómot adunk az ötvözethez, egy olyan új ötvözetet nyerünk, amely kiváló felkeményedési tulaj donságokkal rendelkezik. Ennek az 10

SAE/AISI1541M jelű acélnak az összetétele a következő:

Összetevők tömegszázalékos összetétel karbon 0,40-0,48 mangán 1,35-1,65 króm 0,00-0,23 szilícium 0,16-0,30 kén 0,020-0,045 20 foszfor max. 0,35 nikkel 0,00-0,20 réz 0,00-0,15

Az ötvözetben levő nikkel és réz mennyisége 25 megfelel az ilyen acélokban szokásosnak. Hasonlóképpen a szilícium, kén és foszfor is általában alkotója az ilyen típusú alkotóknak. Az alumínium 0,025 és 0,05 tömeg% közötti mennyisége a megfelelő finom (ASTM 5-8) szemcseszerkezet elérését szol- 30

Az is kitűnt, hogy az ideális kritikus átmérőtartomány ugyancsak meghatározó a találmány szerinti eljárással, közbenső lágyító hőkezelés nélkül előállított kerék féltengelyek tökéletesen megfelelnek a szilárdsági és kifáradási követelményeknek, a keménység! jellemzők pedig nem elengedhetetlenek ennek megvalósításához. Gyakorlatilag a 44 és 52 mm átmérő közötti tartományban az ideális átmérő 53 és 66 mm között van. Ha tehát ezt az ideális átmérőtartományt is figyelembe vesszük, kiküszöbölhető az az egyébként is ritka eset, hogy valamennyi elem a tartomány alsó vagy felső határának közelében kerül az ötvözetbe.

Az ideális átmérő meghatározásához az említett acél esetében a karbon, mangán, nikkel, króm, molibdén, réz és szilícium szorzótényezőit vesszük figyelembe. Az alumínium szorzótényezője 1-es lenne a jelen esetben, ezen ötvöző csupán a szemcsefinomság szempontjából lényeges. A foszfor és kén szorzótényezőit ugyancsak mellőzhetjük a számításnál, minthogy ezek az elemek egymás hatását közömbösítik ebből a szempontból. A foszfor szorzótényezője ugyanis 1,03, míg a kéné 0,97.

Az 53 és 66 mm között ideális átmérőtartomány meghatározásánál a „Hardenability Prediction Calculation fór Wrought Steels: by Caterpillar, Incorporation” című kiadványt használtunk. Ha valamennyi ötvözőelem minimális és maximális értékét figyelembe vesszük, a szorzótényezők a következők:

Minimális érték tömeg% szorzótényező

Maximális érték tömeg% szorzótényező

karbon	0,40	0,213 5,765	0,48	0,233 7,091
mangán	1,25	1,61
króm	0,0	1,0	0,23	1,497
szilícium	0,16	1,112	0,30	1,21
molibdén	0,0	1,0	0,15	1,45
nikkel	0,0	1,0	0,20	1,073
réz	0,0	1,0	0,15	1,06

Távolság T_c gálja.

Ha a legkisebb értékekhez tartozó szorzótényezőket vesszük figyelembe, az ideális átmérő Dl = 35 mm, ami lényegesen alacsonyabb, mint az 53 mm-es minimális átmérő. Hasonlóképpen, ha a legmagasabb értékekkel számolunk, az ideális átmérő 125 mm lenne, ami szintén kívülesik a megengedett 66 mm-es felső határon.

A fentiekben túlmenően még kiköthető egy minimális keménységi gradiens, egy maximális magkeménység és egy maximális keménység egy meghatározott mélységben, továbbá a felületi keménységtartomány. A megfelelő szilárdsági és kifáradási tulajdonságokhoz Re = 35 maximális magkeménység, Re = 40 maximális keménység 12 mm mélységben és egy R_c = 52-59 felületi keménységtartomány szükséges. A minimális keménységi gradiens a következő kell legyen:

Távolság T_c

1,27 mm 52

2,54 mm 52

5,08 mm 52

7,62 mm 45

10,16 mm 33

12,60 mm 22

A szükséges felkeményedéshez célszerű a kerék féltengelyeket az indukciós hevítés és edzés után 180 °C-ot nem meghaladó hőmérsékleten temperálni 11/2-2 órát. Ezen kívül még az a megszorítás érvényes, hogy a maradó feszültségek elkerülése érdekében a temperáló hőkezelést célszerű az indukciós hevítés és edzés után legfeljebb 2 órán belül elvégezni.

Claims

1. Kerékféltengely karbont, mangánt és szilíciumot tartalmazó ötvözetből, amely 132300-176400

-4HU 201809 Β

N-nal terhelhető és 43-52 mm átmérőjű, azzal jellemezve, hogy 0,4-0,48 tömeg% karbont, 1,35-1,61 tömeg% mangánt, 0,16-0,3 tömeg% szilíciumot, valamint 0-0,23 tömeg% krómot, valamint adott esetben alumíniumot, rezet, nikkelt, molibdént, 5 ként és foszfort és a maradékban vasat tartalmaz és alkotóinak szorzótényezőivel számolt ideális átmérője (Dl) 53-66 mm.

2. Az 1. igénypont szerinti kerékféltengely, azzal jellemezve, hogy 0,025-0,05 tömeg% alumíniumot 10 tartalmaz.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti kerékféltengely, azzal jellemezve, hogy 0-0,15 tömeg% rezet, 0,02-0,2 tömeg% nikkelt, 0-0,15 tömeg% molibdént, 0,02-0,045 tömeg% ként és legfeljebb 0,035 15 tömeg% foszfort tartalmaz.

4. Eljárás legalább 43 mm átmérőjű kerék féltengelyek előállítására 0,4-0,48 tömeg% karbont,

1,35-1,61 tömeg% mangánt, 0,16-0,3 tömeg% szilíciumot, 0-0,23 tömeg% krómot, valamint vasat és az edzés szempontjából közömbös komponenseket tartalmazó acélból, amelynek során a tengelyek egyik végén csapot, másik végén karimát kovácsolunk és a végeket készre esztergáljuk, azzal jellemezve, hogy a kovácsolás után közvetlenül indukciós edzést végzünk.

5. A 4. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az edzést követően temperáló hőkezelést végzünk.

6. Az 5. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a temperálást legfeljebb 180 °C-on, 1,5-2 órán át végezzük.

6. Az 5. vagy 6. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a temperálást az edzés befejezése után 2 órán belül elvégezzük.