WO2020035487A1

WO2020035487A1 - Verfahren zur herstellung von gehärteten werkstücken für getriebekomponente und getriebe

Info

Publication number: WO2020035487A1
Application number: PCT/EP2019/071704
Authority: WO
Inventors: Malte Blomeyer; Manfred Siefert
Original assignee: Flender GmbH
Current assignee: Flender GmbH
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2021-02-17
Also published as: EP3611289A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Herstellen einer Getriebekomponente (40), das ein Härten eines Werkstücks (10) umfasst. Das Verfahren umfasst einen ersten Schritte (110), in dem ein Bereitstellen des Werkstücks (10) und eines Härteofens (30) erfolgt. Es folgt ein zweiter Schritt (120), in dem eine Prozesstemperatur (25) im Härteofen (30) hergestellt wird. Daran schließt sich eine dritter Schritt (130) an, in dem ein Erzeugen einer Schutzschicht (16) an zumindest einem Bereich einer Oberfläche (12) des Werkstücks (10) erfolgt. Erfindungsgemäßen wird die Schutzschicht (16) basierend auf zumindest einem als Legierungselement (14) im Werkstück (10) vorhandenen Stoff (15) ausgebildet. Alternativ oder ergänzend wird die Schutzschicht (16) basierend auf einem Stoff (15) gebildet, der in einer im Schritt a) auf dem Werkstück (10) aufgebrachten Beschichtung (27) vorliegt. Die Erfindung betrifft auch eine Getriebekomponente (40), deren Herstellung eine Ausführungsform des entsprechenden Verfahrens (100) umfasst. Gleichermaßen betrifft die Erfindung ein Getriebe (60), das über eine entsprechende Getriebekomponente (40) verfügt.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Herstellung von gehärteten Werkstücken für Ge triebekomponente und Getriebe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung Getrie bekomponenten, bei dem ein Werkstück gehärtet wird. Die Er findung betrifft auch ein Werkstück, das durch das korrespon dierende Verfahren gehärtet ist und eine Getriebekomponente, die aus einem solchen Werkstück hergestellt ist. Ebenso be trifft die Erfindung ein Getriebe, das über zumindest eine entsprechende Getriebekomponente verfügt.

Das Dokument WO 2010/097300 Al offenbart ein Verfahren zur Beschichtung einer metallischen Oberfläche mit einer Schutz schicht. Dabei werden ein nanoskaliges Pulver, ein poröses keramisches Pulver und ein Lösungsmittel aufgetragen. Durch diese Beschichtung wird die metallische Oberfläche in einer aufkohlenden Atmosphäre vor chemischen Angriffen geschützt.

In zahlreichen technischen Gebieten werden gehärtete Kompo nenten eingesetzt, deren Herstellung einen erheblichen Auf wand erfordert. Des Weiteren besteht in vielen technischen Gebieten die Anforderung, immer leistungsfähigere Komponenten kostengünstiger und schneller bereitzustellen. Dies gilt ins besondere im Bereich der Getriebetechnik, in der hoch bean spruchbare Komponenten gefordert sind. Es besteht Bedarf an einem Herstellungsverfahren für gehärtete Getriebekomponen ten, das schnell, prozesssicher, kosteneffizient und einfach umsetzbar ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren bereitzustellen, das in zumindest einem der oben skizzierten Aspekte eine Verbesserung bietet.

Die Aufgabenstellung wird durch das erfindungsgemäße Verfah ren gelöst, das dazu ausgebildet ist, eine Getriebekomponente herzustellen. Das Verfahren umfasst dabei ein Härten des Werkstücks, das zuvor beispielsweise im Rahmen einer soge nannten Weichbearbeitung spanend bearbeitet wurde. Zum erfin- dungsgemäßen Verfahren gehört unter anderem ein erster

Schritt, in dem das Werkstück und ein Härteofen bereitge stellt werden. Die Getriebekomponente ist dabei aus dem Werk stück herzustellen. In einem weiteren Schritt wird durch Ein stellen einer Prozesstemperatur im Härteofen eine Prozessum gebung bereitgestellt. Das Werkstück wird in den Härteofen eingebracht und durch die dort vorliegende Prozesstemperatur erwärmt. Durch das Erwärmen des Werkstücks wird eine Werk stücktemperatur an die Prozesstemperatur angeglichen. In ei nem weiteren Schritt erfolgt ein Erzeugen einer Schutzschicht an zumindest einem Bereich einer Oberfläche des Werkstücks. Die Schutzschicht dient dazu, eine unerwünschte chemische Re aktion der Oberfläche des Werkstücks mit der Prozessumgebung, beispielsweise eine sogenannte Randoxidation des Werkstücks, zu minimieren oder zu vermeiden. Je umfangreicher eine Rando xidation ausgebildet wird, umso größer ist eine Schwächung des bearbeiteten Werkstücks. Dabei kann es sich insbesondere um eine intergranulare Randoxidation handeln.

Weiter wird das Werkstück der im Härteofen hergestellten Pro zessumgebung ausgesetzt und so ein Härtungsvorgang durchge führt. Erfindungsgemäß wird dabei die Schutzschicht basierend auf einem Stoff gebildet, der als Legierungselement im Werk stück vorliegt. Die Schutzschicht liegt dabei an der Oberflä che des Werkstücks, so dass ein Grundmaterial des Werkstücks durch die Schutzschicht von der Prozessumgebung abgeschirmt wird. Das im Grundmaterial vorliegende Legierungselement wird im Bereich der Oberfläche des Werkstücks in ein Material um gewandelt, das die Schutzschicht auf der Oberfläche ausbil det. Zu diesem Zweck ist für das Werkstück, also dessen

Grundmaterial, lediglich ein geeigneter Werkstoff zu wählen, in dem das entsprechende Legierungselement mit einem zumin dest ausreichenden Anteil, also einer zumindest ausreichenden Konzentration, vorhanden ist. Die Schutzschicht wird so selbsttätig in gleichmäßiger Weise an der gesamten Oberfläche des Werkstücks ausgebildet. Legierungen sind typischerweise weitestgehend homogen ausgebildet, so dass die Schutzschicht auf der gesamten Oberfläche des Werkstücks im Wesentlichen gleichmäßig ausgebildet wird. Dadurch, dass weitere Handha bungsschritte, beispielweise durch einen Werker, entbehrlich sind, wird ein hohes Maß an Prozesssicherheit erzielt. Ferner wird dadurch die Schutzschicht aus dem Inneren des Werkstücks heraus gebildet.

Alternativ oder ergänzend kann die Schutzschicht auch basie rend aus einem Stoff ausgebildet werden, der in einer Be schichtung vorliegt. Die Beschichtung wird auf dem Werkstück aufgebracht, wenn das Werkstück im ersten Schritt für das Härten bereitgestellt wird. Durch eine entsprechende Be schichtung je nach vorliegender Prozesstemperatur und/oder Prozessumgebung ist ein besonders geeigneter Stoff zum Aus bilden der Schutzschicht wählbar. Ein besonders geeigneter Stoff ist beispielsweise ein Stoff, der zu einer Schutz schicht umwandelbar ist, die eine hohe chemische Reaktions trägheit aufweist und somit eine erhöhte Schutzwirkung für die Oberfläche des Werkstücks bietet. Insgesamt wird so für die angestrebte Getriebekomponente die Anzahl an einsetzbaren Werkstoffen als Grundmaterial des Werkstücks erhöht. Ebenso kann in Kombination mit einer Schutzschicht, die aus einem Legierungselement im Grundmaterial des Werkstücks eine weiter gesteigerte Schutzwirkung erzielt werden.

In einer weiteren Ausführungsform des beanspruchten Verfah rens kann der Stoff zum Ausbilden der Schutzschicht dazu aus gebildet sein, bei Vorliegen der Prozesstemperatur an der Oberfläche des Werkstücks ein Oxid zu bilden. Alternativ kann das Oxid auch bereits bei einer Temperatur unterhalb der Pro zesstemperatur ausgebildet werden. Oxide, insbesondere spezi elle Metalloxide, bieten eine Passivierung an einer Oberflä che eines Werkstücks, die eine Randoxidation wirksam verhin dert. Der dazu notwendige Sauerstoff ist in einfacher Weise durch die Prozessumgebung bereitstellbar . Des Weiteren sind Oxide chemisch reaktionsträge, was unerwünschten weiteren chemischen Reaktionen mit Stoffen aus der Prozessumgebung und/oder dem Werkstück vorbeugt. Darüber hinaus kann der Stoff zum Ausbilden der Schutzschicht bei der im Verfahren vorliegenden Prozesstemperatur im Werk stück diffusionsfähig sein. Bei einer Bildung der Schutz schicht basierend auf einem Legierungselement im Werkstück wird so beim Verfahren ein Diffusionsstrom des entsprechenden Legierungselements aus dem Inneren des Werkstücks an dessen Oberfläche hervorgerufen. Infolgedessen wird an der Oberflä che selbsttätig mit dem Legierungselement in ausreichender Menge ein Edukt bereitgestellt, das zum Ausbilden der Schutz schicht erforderlich ist. Ebenso wird der Diffusionsstrom re duziert, wenn das Ausbilden der Schutzschicht in einen Sätti gungsbereich eintritt. Damit ist das beanspruchte Verfahren selbstregulierend, was wiederum eine zuverlässige und pro zesssichere Umsetzung des Verfahrens erlaubt.

Ferner kann während des Verfahrens, insbesondere im zweiten Schritt, eine Prozessumgebung im Härteofen vorliegen, bei der ein Aufkohlen des Werkstücks erfolgt. Dazu liegt beispiels weise ein ausreichend hohe Prozesstemperatur vor, bei der Kohlenstoff aus der Prozessumgebung in der Oberfläche des Werkstücks eingelagert wird und so die Härte des Werkstücks erhöht wird. Bei einer entsprechenden Prozessumgebung, insbe sondere bei einer Prozesstemperatur von 800°C bis 1200°C, ist auch eine Schutzschicht ausbildbar. Randoxidationen sind üb licherweise bei entsprechend hohen Prozesstemperaturen zu er warten, die auch ein Aufkohlen erlauben. Die Schutzschicht ist dazu geeignet, entsprechenden Prozesstemperaturen stand zuhalten und bietet einen zuverlässigen Schutz vor weiterer Randoxidation .

In einer weiteren Ausführungsform des beanspruchten Verfah rens ist das Legierungselement im Werkstück, aus dem die Schutzschicht auszubilden ist, Chrom, Zirconium, Titan, Ni ckel, Zink, Aluminium, oder Blei. Die Oxide dieser Stoffe bilden an der Oberfläche des Werkstücks eine chemisch reakti onsträge Schutzschicht, die ein besonders hohes Maß an Schutz vor Randoxidation bietet. Darüber hinaus sind Chrom, Zirconi um, Titan, Zink und Aluminium bewährte Legierungselemente zahlreicher Stahlsorten. Folglich sind geeignete Werkstoffe für das Werkstück in einfacher Weise verfügbar. Insbesondere ist Chrom als Stoff zur Bildung einer Schutzschicht, bei spielsweise im Rahmen einer sogenannten Chrompassivierung, ein erprobter Stoff. Darüber hinaus ist Chrom bei der im Här teofen vorliegenden Prozesstemperatur gut diffusionsfähig im Werkstück, was die Bildung der Schutzschicht beschleunigt. Dadurch wird die Entstehung von Randoxidationen am Werkstück weiter minimiert.

Beim beanspruchten Verfahren kann das Aufbringen der Be schichtung durch Alitieren, durch Chromieren oder durch ein Aufträgen einer Paste herstellbar sein. Durch ein Alitieren ist Aluminium als ein Stoff bereitstellbar, der dazu geeignet ist, eine passivierende Schutzschicht, nämlich eine Alumini umoxidschicht, an der Oberfläche des Werkstücks auszubilden. Durch ein Chromieren wird Chrom bereitgestellt, das eine pas sivierende Chromoxidschicht bilden kann. Ferner ist in einer Paste ein beliebiger Stoff, insbesondere Titan oder Zirconi- um, bereitstellbar, der dazu geeignet ist, bei Vorliegen der Prozesstemperatur eine passivierende Schutzschicht auszubil den. Insbesondere kann durch eine Paste auch eine Kombination mehrerer solcher Stoffe bereitgestellt werden. Damit ist das beanspruchte Verfahren in einfacher Weise an eine Vielzahl an Werkstoffen, aus denen das Werkstück hergestellt sein kann, anpassbar .

Ferner kann die Schutzschicht, die während des dritten Ver fahrensschritts herzustellen ist, Chromoxid, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Titanoxid, Nickeloxid, Zinkoxid und/oder Blei oxid aufweisen. Derartige Oxide bieten an der Oberfläche des Werkstücks eine wirksame Passivierung für dieses.

In einer weiteren Ausführungsform des beanspruchten Verfah rens erfolgt der zweite und/oder dritte Schritt in einer Gas atmosphäre. Dies kann beispielsweise eine sogenannte Aufkoh lungsatmosphäre sein, die gasförmige Kohlenstoffverbindungen zur Einlagerung von Kohlenstoff in der Oberfläche des Werk- Stücks umfasst. Eine Aufkohlungsatmosphäre kann beispielswei se durch Fluten des Härteofens mit Stickstoff erzeugt werden um so den Sauerstoffgehalt zu minimieren. Alternativ oder er gänzend kann die Gasatmosphäre auch als Schutzgasatmosphäre ausgebildet sein. Das beanspruchte Verfahren minimiert durch die Schutzschicht das Auftreten von Randoxidationen damit auch in einer Gasatmosphäre. Ein aufwendiges Aufkohlen im Va kuum ist somit durch das beanspruchte Verfahren bei zumindest gleichbleibender Güte am behandelten Werkstück ersetzbar. Dadurch wird die Herstellung der Getriebekomponenten be schleunigt und gleichzeitig die Qualität der behandelten Werkstücke beibehalten oder erhöht. Dadurch sind die ange strebten Getriebekomponenten insgesamt kosteneffizienter her stellbar .

Beim beanspruchten Verfahren kann das Werkstück aus einem Stahl oder einer Stahllegierung hergestellt sein. Stähle oder Stahllegierungen sind in einem breiten Spektrum von Eigen schaften verfügbar und sind zuverlässig, also prozesssicher bearbeitbar. Ferner sind Stahl oder Stahllegierungen dazu ge eignet, als Grundmaterial für Werkstücke zu dienen, auf dem eine Schutzschicht auszubilden ist, die eine passivierende Wirkung aufweist. Insbesondere bietet Stahl oder Stahllegie rung vorteilhafte Festigkeit, die für Getriebekomponenten un erlässlich ist. Insbesondere kann der Stahl oder die Stahlle gierung niederlegiert ausgebildet sein, also bis zu 5% Legie rungsanteil aufweisen. Der Legierungsanteil ist dabei als Massenanteil aufzufassen. Derartige Stähle oder Stahllegie rungen werden auch als Low-Alloy-Steels bezeichnet.

Darüber hinaus kann der dritte Verfahrensschritt, in dem die Schutzschicht ausgebildet wird, für die Dauer einer einstell baren Prozessdauer durchgeführt werden. Die Prozessdauer ist dabei in Abhängigkeit einer Mehrzahl an Größen wählbar. Ins besondere ist die Prozessdauer in Abhängigkeit von der Pro zesstemperatur gewählt. Je geringer die Prozesstemperatur ist, umso länger dauert es, bis durch Diffusion aus dem Inne ren des Werkstücks eine ausreichende Schutzschicht ausgebil- det ist. Die Prozessdauer ist dabei derart einstellbar, dass während des dritten Verfahrensschritts beim Ausbilden der Schutzschicht eine Sättigung eintritt. Ebenso ist die Pro zessdauer in Abhängigkeit vom eingesetzten Werkstoff des Werkstücks und/oder der aufgebrachten Beschichtung einstell bar. Die Prozessdauer kann auch eine sogenannte Aufkohlungs phase umfassen, in der das Ausbilden der Schutzschicht abge schlossen ist und lediglich ein Aufkohlen des Werkstücks er folgt. Die Prozessdauer ist dabei beispielsweise durch einen Algorithmus oder eine Tabelle in einer Steuereinheit des Här teofens einstellbar. Alternativ oder ergänzend kann die Pro zessdauer auch durch eine Benutzereingabe einstellbar sein.

Des Weiteren kann die Prozessdauer auch in Abhängigkeit eines Anteils des Legierungselements eingestellt werden, das zum Ausbilden der Schutzschicht vorgesehen ist. Unter dem Anteil ist dabei beispielsweise die Konzentration des entsprechenden Legierungselements im Werkstoff des Werkstücks zu verstehen. Je höher der Anteil des Legierungselements im Werkstück ist, umso schneller wird die Schutzschicht an der Oberfläche des Werkstücks ausgebildet. Alternativ oder ergänzend kann die Prozessdauer auch in Abhängigkeit von einer Diffusionsge schwindigkeit des entsprechenden Legierungselements im Werk stück ausgewählt werden. Je höher die Diffusionsgeschwindig keit des Legierungselements im Werkstück ist, umso schneller wird die Schutzschicht ausgebildet. Das beanspruchte Verfah ren ist damit in einfacher Weise an den eingesetzten Werk stoff anpassbar.

In einer weiteren Ausführungsform des beanspruchten Verfah rens kann ein Partialdruck von Sauerstoff im Härteofen gegen über einer Umgebungsatmosphäre verringert sein. Dementspre chend liegt im Härteofen ein reduziertes Sauerstoffangebot vor, durch das das Entstehen einer Randoxidation weiter ge hemmt wird. Hierdurch wird die Wirkung des beanspruchten Ver fahrens weiter gesteigert, so dass der für die Getriebekompo nenten eingesetzte Werkstoff noch stärker ausgenutzt werden kann . Die zugrundeliegende Aufgabenstellung wird auch durch ein er findungsgemäßes Werkstück gelöst, das zur Herstellung bei spielweise einer Getriebekomponente geeignet ist. Alternativ kann das Werkstück auch zur Herstellung einer Verdichter schaufel oder einer Turbinenschaufel in einer Turbomaschine geeignet sein. Das Werkstück ist gehärtet und ist für eine unmittelbar folgende Hartbearbeitung geeignet. Das Werkstück stellt damit ein Zwischenprodukt bei der Herstellung einer Getriebekomponente bzw. einer Verdichter- oder Turbinenschau fel dar. Erfindungsgemäß ist das Werkstück in einem Verfahren nach einer der oben skizzierten Ausführungsformen bearbeitet. Infolgedessen weist das erfindungsgemäße Werkstück höchstens ein Minimum an Randoxidationen auf, die die Festigkeit des Werkstücks herabsetzen. Das erfindungsgemäße Werkstück hat die Behandlung durch das oben beschriebene Verfahren abge schlossen und ist unmittelbar zu einem Abschrecken, Anlassen und/oder Aufheizen geeignet, an das sich eine spanende Hart bearbeitung anschließt. Ein weiterer Bearbeitungsschritt zwi schen dem Härten und dem Hartbearbeiten, wie beispielsweise ein Kugelstrahlen, ist entbehrlich. Durch das erfindungsgemä ße Werkstück wird die Herstellung einer Getriebekomponente erheblich beschleunigt und vereinfacht, was in einer gestei gerten Wirtschaftlichkeit resultiert. Die gleichen Vorteile werden auch bei der Herstellung einer Verdichterschaufel oder einer Turbinenschaufel einer Turbomaschine erzielt.

Gleichermaßen wird die skizzierte Aufgabenstellung durch die erfindungsgemäße Getriebekomponente gelöst. Die Getriebekom ponente ist als Stirnrad, Hohlrad, Planetenrad, oder als Son nenrad für ein Planetengetriebe bzw. ein Stirnradgetriebe ausgebildet. Die Getriebekomponente ist dabei aus einem Werk stück hergestellt, das nach einem Verfahren gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgestaltet ist. Dem entsprechend ist die Getriebekomponente aus einem wie oben beanspruchten Werkstück hergestellt. Die Getriebekomponente weist höchstens ein Minimum an Randoxidationen auf, durch die die Festigkeit der Getriebekomponente reduziert wird. Die Ge triebekomponente ist infolgedessen kompakter dimensionierbar als bekannte Getriebekomponenten, die bestimmungsgemäß glei chen mechanischen Beanspruchungen unterworfen sind. Demnach bietet die beanspruchte Getriebekomponente eine erhöhte Werk stoffausnutzung und erhöhte Leistungsdichte.

Die zugrundeliegende Aufgabenstellung wird auch durch das er findungsgemäße Getriebe gelöst. Das Getriebe kann beispiels weise als Planetengetriebe oder Stirnradgetriebe ausgebildet sein und weist ein Gehäuse auf, in dem eine Mehrzahl an Ge triebekomponenten ausgenommen ist. Dabei ist zumindest eine der Getriebekomponenten gemäß der oben beschriebenen Lösung ausgebildet, also aus einem Werkstück hergestellt, das nach einem beanspruchten Verfahren behandelt ist. Durch die zumin dest eine Getriebekomponente, die mit dem beanspruchten Ver fahren bearbeitet ist, wird eine verbesserte Werkstoffausnut- zung erzielt, was wiederum eine kompaktere Dimensionierung der Getriebekomponente erlaubt. Derart verbesserte Getriebe komponenten wiederum ermöglichen es, das erfindungsgemäße Ge triebe kompakter herzustellen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einzelner Ausführungs formen beschrieben. Die Merkmale der einzelnen Ausführungs formen sind dabei untereinander und den oben skizzierten Aus führungsformen kombinierbar. Die Figuren sind zumindest inso weit in gegenseitiger Ergänzung zu lesen, dass gleiche Be zugszeichen in den Figuren auch die gleiche technische Bedeu tung haben. Es zeigen im Einzelnen:

FIG 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausfüh rungsform des beanspruchten Verfahrens;

FIG 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausfüh rungsform des beanspruchten Verfahrens;

FIG 3 ein Ablaufdiagramm einer dritten Ausführungsform des beanspruchten Verfahrens; FIG 4 ein Ablaufdiagramm einer vierten Ausführungsform des beanspruchten Verfahrens;

FIG 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines beanspruchten Getriebes mit einer beanspruch ten Getriebekomponente

FIG 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Aus führungsform eines beanspruchten Getriebes mit ei ner beanspruchten Getriebekomponente.

FIG 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines be anspruchten Verfahrens 100, bei dem auf ein Werkstück 10 ein gewirkt wird. FIG 1 zeigt einen Ausschnitt des Werkstücks 10, das zu einer Getriebekomponente 40 weiterzuverarbeiten ist, während eines dritten Verfahrensschritts 130. Das Werkstück 10 ist aus einem Werkstoff 14 hergestellt, der als Grundmate rial 23 dient. Durch die Form des Werkstücks 10 weist dieses insgesamt ein bestimmtes Volumen 11 auf. Das in FIG 1 vorlie gende Werkstück 10 ist zu einer Getriebekomponente 40 weiter zuverarbeiten. Das Grundmaterial 23 aus dem das Werkstück 10 hergestellt ist, ist eine Stahllegierung und weist eine Mehr zahl an Legierungselementen 14 auf, die in FIG 1 durch Punkte angedeutet sind. Eines der Legierungselemente 14 ist ein Stoff 15, aus dem im dritten Schritt 130 eine Schutzschicht 16 an der Oberfläche 12 des Werkstücks 10 auszubilden ist.

Der Stoff 15 ist Chrom, das als Legierungselement 14 im

Grundmaterial 23 vorliegt. Das Werkstück 10 befindet sind während des dritten Verfahrensschritts 130 in einem Härteofen 30, in dem eine Gasatmosphäre 20 vorliegt. Die Gasatmosphäre 20 weist eine gasförmige Kohlenstoffverbindung auf, die dazu geeignet ist, im Bereich der Oberfläche 12 des Werkstücks 10 Kohlenstoff 22 einzulagern. Dadurch wird ein sogenanntes Auf kohlen verwirklicht, durch das die Härte des Werkstücks 10 nach einem Abschrecken an seiner Oberfläche 12 erhöht wird. Durch die Gasatmosphäre 20 und eine vorliegende Prozesstempe ratur 25 wird eine Prozessumgebung 26 definiert, unter der sich eine Werkstücktemperatur 29 der Prozesstemperatur 25 an- passt. Durch die steigende Werkstücktemperatur 29 wird der als Legierungselement 14 vorliegende Stoff 15 zur Bildung der Schutzschicht 16 im Grundmaterial 23 diffusionsfähig. Im Be reich der Oberfläche 12 wird im Wesentlichen flächig eine Diffusion 17 des Stoffs 15 in Richtung der Oberfläche 12 her vorgerufen. Dadurch erfolgt eine Anreicherung des Stoffs 15 an der Oberfläche 12, der dort der Prozessumgebung 26 ausge setzt ist. Der Stoff 15 bildet durch die Einwirkung der Pro zessumgebung 26 ein Oxid 21 aus, nämlich ein Chromoxid. Das Oxid 21 besetzt die Oberfläche 12 im Wesentlichen flächig und bildet so die Schutzschicht 16. Die Schutzschicht 16 wiederum hat eine chemisch passivierende Wirkung, so dass eine Reakti on der Oberfläche 12 mit Sauerstoff 33 in der Prozessumgebung 26 gehemmt oder vermieden wird. Ferner ist der Partialdruck 43 des Sauerstoffs 33 gegenüber einer Umgebungsatmosphäre re duziert. Wenn im dritten Schritt 130 an der Oberfläche 12 ei ne im Wesentlichen durchgehende Schutzschicht 16 erzeugt ist, erfolgt nur noch eine Einlagerung von Kohlenstoff 22 in der Oberfläche 12, also nur noch das sogenannte Aufkohlen 31. Der dritte Verfahrensschritt 130 wird für eine einstellbare Pro zessdauer 32 durchgeführt, die in Abhängigkeit von dem Stoff 15 und der Prozesstemperatur 25 eingestellt ist. Je geringer Stoff 15 und Prozesstemperatur 25 sind, umso länger dauert es, bis eine im Wesentlichen durchgehende Schutzschicht 16 ausgebildet ist. Im dritten Schritt 130 wird das Entstehen von Randoxidationen 19 reduziert oder unterbunden, die die Festigkeit des Werkstücks 10 herabsetzen. Bei der Ausfüh rungsform nach FIG 1 wird die Schutzschicht 16 im Wesentli chen aus dem Inneren des Werkstücks 10 heraus gebildet.

FIG 2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines be anspruchten Verfahrens 100, bei dem auf ein Werkstück 10 ein gewirkt wird. FIG 2 zeigt einen Ausschnitt des Werkstücks 10, das zu einer Getriebekomponente 40 weiterzuverarbeiten ist, während eines dritten Verfahrensschritts 130. Das Werkstück 10 ist aus einem Werkstoff 14 hergestellt, der als Grundmate rial 23 dient. Durch die Form des Werkstücks 10 weist dieses insgesamt ein bestimmtes Volumen 11 auf. Das in FIG 2 vorlie- gende Werkstück 10 ist zu einer Getriebekomponente 40 weiter zuverarbeiten. Das Grundmaterial 23 aus dem das Werkstück 10 hergestellt ist, ist eine Stahllegierung. Auf der Oberfläche 12 des Werkstücks 10 ist eine Beschichtung 27 aufgebracht, die einen Stoff 15 aufweist, der zum Ausbilden einer Schutz schicht 16 geeignet ist. Der Stoff 15 ist Chrom, das der Be schichtung 27, die als Paste ausgebildet ist, beigemengt ist. Das Werkstück 10 befindet sind während des dritten Verfah rensschritts 130 in einem Härteofen 30, in dem eine Gasat mosphäre 20 vorliegt. Die Gasatmosphäre 20 weist eine gasför mige Kohlenstoffverbindung auf, die dazu geeignet ist, im Be reich der Oberfläche 12 des Werkstücks 10 Kohlenstoff 22 ein zulagern. Dadurch wird ein sogenanntes Aufkohlen verwirk licht, durch das die Härte des Werkstücks 10 nach dem Ab schrecken an seiner Oberfläche 12 erhöht wird. Durch die Gas atmosphäre 20 und eine vorliegende Prozesstemperatur 25 wird eine Prozessumgebung 26 definiert, unter der sich eine Werk stücktemperatur 29 der Prozesstemperatur 25 anpasst. Durch die steigende Werkstücktemperatur 29 reagiert der in der Be schichtung 27 vorliegende Stoff 15 mit dem Sauerstoff 33 aus der Prozessumgebung 26 zu dem Oxid 21 und bildet auf dem Grundmaterial 23 die Schutzschicht 16. Das Oxid 21 besetzt die Oberfläche 12 im Bereich der Beschichtung 27 flächig und bildet dort die Schutzschicht 16. Die Schutzschicht 16 wiede rum hat eine chemisch passivierende Wirkung, so dass eine Re aktion der Oberfläche 12 mit Sauerstoff 33 in der Prozessum gebung 26 gehemmt oder vermieden wird. Ferner ist der Parti aldruck 43 des Sauerstoffs 33 gegenüber einer Umgebungsat mosphäre reduziert. Wenn im dritten Schritt 130 an der Ober fläche 12 eine im Wesentlichen durchgehende Schutzschicht 16 erzeugt ist, erfolgt nur noch eine Einlagerung von Kohlen stoff 22 in der Oberfläche 12, also nur noch das sogenannte Aufkohlen 31. Der Kohlenstoff 22 ist fähig, beim Aufkohlen 31 die Beschichtung 27 und die Schutzschicht 16 zu durchdringen. Im dritten Schritt 130 wird das Entstehen von Randoxidationen 19 reduziert oder unterbunden, die die Festigkeit des Werk stücks 10 herabsetzen. Bei der Ausführungsform nach FIG 2 wird die Schutzschicht 16 im Wesentlichen von außen auf dem Werkstück 10 gebildet. Durch eine entsprechende Wahl der Be schichtung 27 können beliebige geeignete Stoffe 15 zur Bil dung der Schutzschicht 16 in einer breiten Spanne an Mengen oder Konzentrationen bereitgestellt werden. Darüber hinaus erfolgt auch eine Diffusion 17 des Stoffs 15 auf der Be schichtung 27 zur Oberfläche 12 des Werkstücks 10, wo der Stoff 15 dann zu einem Oxid 16 reagiert. Eine Intensität der Diffusion 17 von der Beschichtung 27 in die Oberfläche 12 hängt dabei von einer vorliegenden Prozessumgebung 25, insbe sondere der Prozesstemperatur 26, und der Konzentration des Stoffs 15 in der Beschichtung 27 ab.

In FIG 3 ist schematisch in drei korrespondierenden Diagram men 50, die jeweils in horizontaler Richtung eine Zeitachse 52 und in vertikaler Richtung eine Größenachse 54 aufweisen, eine Ausführungsform des beanspruchten Verfahrens 100 ge zeigt. Im oberen Diagramm 50 ist an der Größenachse 54 die an einem Werkstück 10 vorliegende Werkstücktemperatur 29 darge stellt, die sich aus einer Einwirkung einer Prozessumgebung 26 ergibt, der das Werkstück 10 ausgesetzt ist. Die Diagramme 50 gehen von einer Situation im Verfahren 100 aus, in dem der erste und zweite Verfahrensschritt 110, 120, also das Bereit stellen des Werkstücks 10, des Härteofens 30 und das Herstel len einer Prozesstemperatur 25 im Härteofen 30 abgeschlossen sind. Der daran anschließende dritte Verfahrensschritt 130 weist eine Startphase 35 auf, in der die Werkstücktemperatur 29 ansteigt und sich der Prozesstemperatur 25 nähert. Die Startphase 35 endet mit einem Erreichen einer Passivierungs temperatur 28, bei der ein Stoff 15, der im Werkstück 10 als Legierungselement 14 vorliegt, eine Oxidschicht an einer Oberfläche 12 des Werkstücks 10 bildet, die als Schutzschicht 16 dient. Gleichzeitig setzt mit dem Erreichen der Passivie rungstemperatur 28 eine Diffusion 17 dieses Stoffs 15 im Werkstück 10 zu dessen Oberfläche 12 ein. Im mittleren Dia gramm 50 ist an der Größenachse 54 eine Diffusionsgeschwin digkeit 42 dargestellt. Die Diffusionsgeschwindigkeit 42 der Diffusion 17 des Legierungselements 14 zum Ausbilden der Schutzschicht 16, ist während der Startphase 35 im Wesentli- chen Null. Währenddessen weist die Schutzschicht 16, wie im unteren Diagramm 50 abgebildet, eine Dicke 13 von im Wesent lichen Null auf.

Auf die Startphase 35 folgt eine Beschleunigungsphase 36, in der die Werkstücktemperatur 29 weiter ansteigt. Gleichzeitig steigt die Diffusionsgeschwindigkeit 42 an und erreicht zum Ende der Beschleunigungsphase 36 ihren maximalen Zuwachs, der in FIG 3 durch die Tangente 44 abgebildet ist. Während der Beschleunigungsphase 36 weist die Dicke 13 der Schutzschicht 16 lediglich einen geringfügigen ersten Zuwachs 46 auf. Es folgt eine Hauptphase 37, in der, wie im oberen Diagramm 50 dargestellt, die Werkstücktemperatur 29 im Wesentlichen er Prozesstemperatur 25 entspricht. Während der Hauptphase 37 bleibt die Diffusionsgeschwindigkeit 42 des Legierungsele ments 14 im Werkstück 10 im Wesentlichen konstant. Wie im un teren Diagramm dargestellt, erfolgt währenddessen ein zweiter Zuwachs 47 der Dicke 13 der Schutzschicht 16, der den ersten Zuwachs 46 übersteigt. Ferner setzt während der Hauptphase 37 ein Aufkohlen 31 des Werkstücks 10 ein. Nach der Hauptphase 37 folgt eine Sättigungsphase 38, in der die Werkstücktempe ratur 29 weiterhin im Wesentlichen der Prozesstemperatur 25 entspricht. In der Sättigungsphase 38 erfolgt ein Rückgang 49 der Diffusionsgeschwindigkeit 42 auf im Wesentlichen Null.

Die Dicke 13 der Schutzschicht 16 stagniert im Wesentlichen während der Sättigungsphase 38. Bei der Dicke 13 der Schutz schicht 16 erfolgt währenddessen ein dritter Zuwachs 48, der geringer ist als der erste und der zweite Zuwachs 46, 47. Gleichzeitig erfolgt weiterhin das Aufkohlen 31 des Werk stücks 10.

An die Sättigungsphase 38 schließt sich eine Konstantphase 39 an, in der die Dicke 13 der Schutzschicht 16 konstant bleibt und durch die Einwirkung der Prozesstemperatur 25 bzw. der Prozessumgebung 26 nur noch ein Aufkohlen 31 stattfindet. Die kombinierte Dauer der Hauptphase 37, der Sättigungsphase 38 und der Konstantphase 39 stellt eine Prozessdauer 32 dar, die durch einen Algorithmus oder eine Tabelle in einer nicht nä- her dargestellten Steuereinheit 51 des Härteofens 30 ein stellbar. Alternativ oder ergänzend ist die Prozessdauer 32 auch durch eine Benutzereingabe an der Steuereinheit 51 ein stellbar. Dabei ist eine Hauptphasendauer 53, die zur Pro zessdauer 32 gehört, von der Werkstücktemperatur 29 und der Konzentration des Stoffs 15 als Legierungselement 14 abhän gig.

FIG 4 zeigt schematisch den Ablauf einer Ausführungsform des beanspruchten Verfahrens 100. Das Verfahren 100 geht von ei nem ersten Schritt oder Verfahrensschritt 110 aus, in dem ein Werkstück 10, das zu einer Getriebekomponente 40 weiterzuver arbeiten ist, bereitgestellt wird. Ferner wird im ersten Schritt 110 ein Härteofen 30 bereitgestellt, mit dem das be anspruchte Verfahren 110 im Wesentlichen durchzuführen ist.

Es folgt ein zweiter Schritt 120, in dem für das Werkstück 10 im Härteofen 30 eine Prozesstemperatur 25 hergestellt wird, bei der das Verfahren 100 durchgeführt wird. Die Prozesstem peratur 25 ist ein Bestandteil einer Prozessumgebung 26, die zur Durchführung eines Aufkohlens 31 im dritten Schritt 130 genutzt wird. Zur Prozessumgebung 26 gehört unter anderem auch das Herstellen einer Gasatmosphäre 20, in der eine gas förmige Kohlenstoffverbindung vorliegt. Im dritten Schritt 130 wird an einer Oberfläche 12 des Werkstücks 10 eine

Schutzschicht 16 ausgebildet. Die Schutzschicht 16 wird durch einen Stoff 15 gebildet, der als Legierungselement 14 im Werkstück 10 oder in einer Beschichtung 27 vorliegt, die im ersten Schritt 110 auf das Werkstück 10 aufbringbar ist. Wäh rend des dritten Schritts 130 findet auch das Aufkohlen 31 des Werkstücks 10 statt. Der dritte Schritt 130 umfasst, ana log der Ausführungsform nach FIG 3, eine Startphase 35, eine Beschleunigungsphase 36, eine Hauptphase 37, eine Sättigungs phase 37 und eine Konstantphase 39, in der die Schutzschicht 16 gebildet wird und das Aufkohlen 31 stattfindet. Nach einem Durchführen des dritten Schritts 130 liegt ein Endzustand 200 des Verfahrens 100 vor, in dem das Werkstück 10 durch Ab schrecken, Anlassen und/oder Aufheizen prozessierbar ist. Dadurch ist das Werkstück 10 auf eine Hartbearbeitung vorbe reitbar .

In FIG 5, FIG 6 und FIG 7 ist jeweils eine Ausführungsform eines beanspruchten Getriebes 60 dargestellt, in dem zumin dest eine erfindungsgemäße Getriebekomponente 40 eingesetzt wird. FIG 5 zeigt ein Planetengetriebe 61, das ein Gehäuse 65 aufweist, in dem ein Hohlrad 62, ein Planetenträger 64 mit mindestens einem drehbaren Planetenrad 66 und einem Sonnenrad 68 aufgenommen sind. Das Hohlrad 62, das mindestens eine Pla netenrad 66 und das Sonnenrad 68 sind dabei als Getriebekom ponenten 40 ausgebildet, die unter Einbeziehung eines der be anspruchten Verfahren 100 hergestellt sind. Dadurch weisen diese Getriebekomponenten 40 eine verbesserte Güte auf und sind höher mechanisch beanspruchbar als vergleichbare Getrie bekomponenten gemäß dem Stand der Technik. Dies erlaubt es, das Planetengetriebe 61 besonders kompakt zu bauen.

In FIG 6 ist ein Stirnradgetriebe 63 dargestellt, das ein Ge häuse 65 und als Getriebekomponenten 40 zwei Stirnräder 67 aufweist, die miteinander kämmen. Die Stirnräder 67 sind auch jeweils unter Einbeziehung eines Verfahrens 100 nach einer der beanspruchten Ausführungsformen hergestellt. Durch die verbesserte Güte der Getriebekomponenten 40 sind diese mecha nisch höher beanspruchbar als aus dem Stand der Technik be kannte Getriebekomponenten. Auch das Stirnradgetriebe 63 ist dadurch besonders kompakt konstruierbar.

FIG 7 zeigt schematisch den Aufbau eines Kegelradgetriebes 70 dargestellt, das in einem Gehäuse 65 zwei Kegelräder 69 auf weist, die ineinander eingreifen. Die Kegelräder 69 sind un ter Einbeziehung eines Verfahrens 100 nach einer der bean spruchten Ausführungsformen hergestellt. Dadurch sind die Ke gelräder 69, die Getriebekomponenten 40 sind, mechanisch hö her beanspruchbar als bekannte Kegelräder.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren (100) zum Herstellen einer Getriebekomponente (40) aus einem Werkstück (10), das ein Härten des Werkstücks (10) umfasst und folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellen des Werkstücks (10) und eines Härte ofens (30) ;

b) Herstellen einer Prozesstemperatur (25) im Härte ofen (30) ;

c) Aussetzen des Werkstücks (10) einer im Härteofen

(30) hergestellten Prozessumgebung und Erzeugen ei ner Schutzschicht (16) an zumindest einem Bereich einer Oberfläche (12) des Werkstücks (10); dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (16) basierend auf zumindest einem als Legierungselement (14) im Werkstück (10) vorhandenen Stoff (15) ausgebildet wird, und/oder dass die Schutzschicht (16) basierend auf einem Stoff (15) gebil det wird, der in einer im Schritt a) auf dem Werkstück (10) aufgebrachten Beschichtung (27) vorliegt.

2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff (15) zum Ausbilden der Schutzschicht (16) bei der im Schritt b) hergestellten Prozesstemperatur (25) zur Bildung eines Oxids (21) an der Oberfläche (12) des Werk stücks (10) ausgebildet ist.

3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Stoff (15) zum Ausbilden der Schutzschicht (16) bei der im Schritt b) hergestellten Prozesstemperatur (25) im Werkstück (10) diffusionsfähig ist.

4. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) ein Aufkohlen (31) des Werkstücks (10) erfolgt.

5. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Legierungselement (14) Chrom, Zirco- nium oder Titan ist.

6. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (27) mittels Alitieren, mittels Chromieren, oder durch ein Aufträgen einer Paste her stellbar ist.

7. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (16) Chromoxid, Alumi niumoxid, Zirconiumoxid und/oder Titanoxid aufweist.

8. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schritte b) und c) in ei ner Gasatmosphäre (20) erfolgen.

9. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) aus einem Stahl oder einer Stahllegierung hergestellt ist.

10. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) für eine einstellbare Prozessdauer (32) durchgeführt wird, wobei die Prozessdauer (32) in Abhängigkeit von der Werkstücktemperatur (29) und der Konzentration des Stoffs (15) in dem Legierungselement (14) gewählt ist.

11. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die einstellbare Prozessdauer (32) in Abhängigkeit von einem Anteil des Legierungselements (14), auf dem die Schutzschicht (16) basiert, im Werkstück (10) gewählt ist.

12. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Partialdruck (43) von Sauer stoff (33) im Härteofen (30) gegenüber einer Umgebungsat mosphäre verringert ist.

13. Werkstück (10) zur Herstellung eine Getriebekomponente (40), das unmittelbar für ein Härten, Anlassen und/oder Auf heizen geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Werk stück (10) mittels eines Verfahrens (100) nach einem der An- Sprüche 1 bis 12 bearbeitet ist.

14. Getriebekomponente (40), die als Stirnrad (67), Hohlrad (62), Planetenrad (66) oder Sonnenrad (68) ausgebildet ist, und aus einem Werkstück (10) hergestellt ist, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Werkstück (10) gemäß einem Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 bearbeitet ist.

15. Getriebe (60), das ein Gehäuse (65) und eine Mehrzahl an Getriebekomponenten (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Getriebekomponenten (40) nach An spruch 14 ausgebildet ist.