WO2008052851A1

WO2008052851A1 - Tiefgezogenes maschinenbauteil mit wenigstens einer gehärteten lauf- oder führungsfläche, insbesondere motorenelement

Info

Publication number: WO2008052851A1
Application number: PCT/EP2007/060200
Authority: WO
Inventors: Ernst Strian; Jürgen GIERL
Original assignee: Schaeffler Kg
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2008-05-08
Also published as: DE102006051545A1

Abstract

Tiefgezogenes Maschinenbauteil mit wenigstens einer gehärteten Lauf- oder Führungsfläche, insbesondere Motorenelement, hergestellt aus einem Kaltband mit einem Kohlenstoffanteil von 0,13 - 0,2% sowie einem oder mehreren Sondernitridbildnern, wobei der Anteil des einen Sondernitridbildners oder der Summenanteil der mehreren Sondernitridbildner wenigstens 0,5% beträgt.

Description

Beschreibung der Erfindung

Tiefgezogenes Maschinenbauteil mit wenigstens einer gehärteten Lauf- oder Führungsfläche, insbesondere Motorenelement

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein tiefgezogenes Maschinenbauteil mit wenigstens einer gehärteten Lauf- oder Führungsfläche, insbesondere ein Motorenelement.

Hintergrund der Erfindung

Solche Bauteile kommen in vielfältiger Ausgestaltung, insbesondere im Motorenbau, zum Einsatz, als Beispiel ist ein Tassenstößel zu nennen. Solche Ma- schinenbauteile werden häufig präzisions-tiefgezogen und besitzen üblicherweise eine Lauf- oder Führungsfläche für etwaige Gleitelemente, die auf ihnen ablaufen oder über sie bewegt und betätigt werden. Die hierfür verwendeten gut umformbaren Stähle sind historisch bedingt Einsatzstähle, die für die Wärmebehandlung in Form des Einsatzhärtens oder Carbonitrierens entwickelt wur- den. Üblicherweise wird ein Kaltband aus tiefziehfähigem Einsatzstahl der Qualität 16MnCr5 oder 17CrNiMo6 mit einem geringen Kohlenstoffgehalt von 0,13 — 0,2% verwendet. Wenngleich sich dieser Einsatzstahl relativ gut tiefziehen lässt, weist er trotz nachfolgender Einsatzhärtung und Nitrocarbuherung eine noch relativ poröse Verbindungsschicht bzw. Randschicht mit begrenzter Ober- flächenhärte von weniger als 800 HV auf. Die verstärkte Zufuhr von Kohlenstoff und Stickstoff mittels gezielter Aufkohlungsatmosphäre und Nitrieratmosphäre führt am Endbauteil zu einer gehärteten Verbindungsschicht mit einer Oberflächenhärte und einer Härte in der Diffusionszone von mindestens 550 HV und einem bestimmten Volumenanteil von Restausternit und Martensit im Gesamt- gefüge. Gleichwohl können im Hinblick auf die gesteigerten Anforderungen an die Verschleißbeständigkeit der Bauteile in modernen Motoren nunmehr erforderliche Härtegrade nicht erreicht werden. Bekannt sind ferner spezielle Nitrierstähle, die eine sehr harte Verbindungsschicht bilden und dadurch eine höhere Oberflächenhärte erzielen, wie z. B. 34CrMo5, 34CrAINi7, 31 CrMoI 2. Diese sind jedoch aufgrund ihrer Zusammensetzung nicht umformbar, eignen sich also nicht zum Tiefziehen. Bauteile aus konventionellen Nitrierstählen sind daher nur spanend verarbeitbar und deshalb unwirtschaftlich.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Maschinenbauteil anzugeben, das tiefgezogen hergestellt werden kann, gleichwohl aber durch entsprechende Härtebehandlung im Bereich der Lauf- oder Führungsflächen sehr hohe Härtewerte, die mit bisher üblichen Kaltband-Einsatzstählen nicht erreicht werden, aufweist.

Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein tiefgezogenes Maschinenbauteil vorgesehen, hergestellt aus einem Kaltband mit einem Kohlenstoffanteil von 0,13 - 0,2% sowie einem oder mehreren Sondernitridbildnern, wobei der Anteil des einen Sondernitridbildners oder der Summenanteil der mehreren Sondernitridbildner wenigstens 0,5% beträgt.

Bei dem erfindungsgemäßen Kaltband ist ein beachtlich hoher Anteil an Sondernitridbildnern vorgesehen, wenngleich das Kaltband nach wie vor noch ohne weiteres aufgrund seiner isotropen Eigenschaften sehr präzise tiefgezogen werden kann. Dieser Stahl kann sehr gut einsatzgehärtet bzw. carbonitriert und nitrocarburiert werden, was bevorzugt bei einer Temperatur von 840 - 930° C in einer aufkohlenden oder aufkohlenden-aufstickenden Schutzgasatmosphäre erfolgt. Anschließend erfolgt ein Anlassen bis ca. 580° C und eine Nitrocarburie- rung bei 550 - 580° C. Infolge des erfindungsgemäß vorgesehenen, erhöhten Anteils an Sondernitridbildnern kommt es hierbei im Oberflächenbereich zur Bildung von Sondernitriden, die von der Art der enthaltenen Sondernitridbildner abhängen. Aufgrund der Bildung dieser Sondernitride im oberflächennahen Bereich bzw. der Diffusionszonen kommt es zu einer extremen Härtung in die- sem Bereich, Oberflächenhärten von bis zu 1.100 HV und mehr sind hierdurch erreichbar. Die Lauf- oder Führungsflächen können damit mit gehärteten Oberflächen hergestellt werden, die extrem verschleißfest sind und ohne weiteres die gestiegenen Einsatzanforderungen erfüllen. Die Kernhärte, die allein aus der Materialzusammensetzung resultiert, bewegt sich im Bereich von bis zu 450 HV, je nach verwendetem Ausgangsmaterial.

Als Sondernitridbildner kann ein oder können mehrere Elemente aus der Gruppe umfassend Aluminium, Chrom, Vanadium, Molybdän und Titan gewählt wer- den. Wird nur ein Sondernitridbildner vorgesehen, also von Haus aus gezielt in das Kaltband-Ausgangsmaterial eingebracht, so sollte sein Anteil wenigstens 0,5% betragen. Werden zwei oder mehr Sondernitridbildner gezielt eingebracht, so sollte ihr Summenanteil ebenfalls wenigstens 0,5% betragen. Selbstverständlich können auch höhere Einzel- oder Summenanteile eingestellt werden, wodurch sich der Anteil an gebildeten Sondernitriden erhöht.

Unabhängig davon, ob nur ein Sondernitridbildner oder mehrere Sondernitridbildner mit erhöhtem Anteil vorgesehen sind, sollte Aluminium zu maximal 1 ,5%, Chrom zu maximal 6%, Vanadium zu maximal 1 ,2%, Molybdän zu maxi- mal 2,5% und Titan zu maximal 1 ,5% enthalten sein.

Ein bevorzugtes Kaltband, das zur Herstellung des erfindungsgemäßen Maschinenbauteils geeignet ist, weist folgende Zusammensetzung auf:

C 0: ,13 - 0,18%

Si max. 0 ,4%

Mn 0: ,4 - 1 ,1 %

P max. 0 ,25%

S max. 0 ,3% AI 0: ,8 - 1 ,2%

Cr 1 _; ,0 - 4 ,0%

Mo 0: ,15 - 1 ,1 %

V 0: ,2 - 0 ,3% und einen Rest aus Fe und Verunreinigungen.

Ersichtlich sind bei diesem Kaltband vier Sondernitridbildner, nämlich Aluminium, Chrom, Molybdän und Vanadium in jeweils erhöhtem Anteil vorgesehen, wobei der Mindestsummenanteil der vier Sondernitridbildner 2,15% und der maximale Summenanteil 6,6% beträgt. Je höher der Anteil an Sondernitridbildnern, um so höher der Anteil an gebildeten Sondernitriden, wobei hier ein nahezu linearer Zusammenhang gegeben ist. Im Rahmen der Nitrocarburierung bilden sich im Bereich der Oberfläche die Verbindungsschicht und die Diffusions- zone. Die Diffusionszone, in der es zur Nitridbildung mit gegebener Stöchio- metrie kommt, hängt in ihrer Tiefe von der Dauer der Nitrocarburierung ab, sie liegt im Bereich zwischen wenigen μm bis ca. 1 mm. Die Verbindungsschichtdicke variiert zwischen 0 und 50 μm.

Claims

Patentansprüche

1. Tiefgezogenes Maschinenbauteil mit wenigstens einer gehärteten Laufoder Führungsfläche, insbesondere Motorenelement, hergestellt aus ei- nem Kaltband mit einem Kohlenstoffanteil von 0,13 - 0,2% sowie einem oder mehreren Sondernitridbildnern, wobei der Anteil des einen Sondernitridbildners oder der Summenanteil der mehreren Sondernitridbildner wenigstens 0,5% beträgt.

2. Maschinenbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Sondernitridbildner aus der Gruppe umfassend Aluminium, Chrom, Vanadium, Molybdän und Titan gewählt sind.

3. Maschinenbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass AIu- minium zu maximal 1 ,5%, Chrom zu maximal 6%, Vanadium zu maximal

1 ,2%, Molybdän zu maximal 2,5% und Titan zu maximal 1 ,5% enthalten sind.

4. Maschinenbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das tiefziehbare Kaltband folgende Zusammensetzung aufweist:

C 0,13 - 0,18%

Si max. 0 ,4%

Mn 0,4 - 1 ,1 %

P max. 0 ,25%

S max. 0 ,3%

AI 0,8 - 1 ,2%

Cr 1 ,0 - 4 ,0%

Mo 0,15 - 1 ,1 %

V 0,2 - 0 ,3% und einen Rest aus Fe und Verunreinigungen.