DE102004003541B4

DE102004003541B4 - Stahl zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102004003541B4
Application number: DE102004003541A
Authority: DE
Inventors: Atsuhiko Ohta; Tomoyuki Takei; Katsunori Takada; Koichiro Inoue; Katsushi Goto
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2024-01-24
Also published as: DE102004003541A1; US7740722B2; FR2850399A1; US20040202567A1; FR2850399B1; JP2004225102A; JP4375971B2

Abstract

Stahl zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle, umfassend, auf der Basis von Gewichts%: C: 0,45–0,55%, Si: 0,10–0,50%, Mn: 0,50–1,20%, P: 0,025% oder weniger, S: 0,025% oder weniger, Mo: 0,15–0,25%, B: 0,0005–0,005%, Ti: 0,005–0,10% und N: 0,015% oder weniger, wobei er die folgenden Gleichungen 1 und 2 mit dem Gleichgewicht von Fe und unvermeidlichen Verunreinigungen erfüllt: 0,80 ≤ Ceq ≤ 0,95Gleichung 1wobei Ceq = C + 0,07 × Si + 0,16 × Mn + 0,20 × Cr + 0,72 × No f-Wert ≤ 1,0Gleichung 2wobei f-Wert = 2,78 – 3,2 × C + 0,05 × Si – 0,60 × Mn – 0,55 × Cu – 0,80 × Ni – 0,75 × Cr

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahl zu Verwendung für eine hochfeste Ritzelwelle zum Herstellen einer Ritzelwelle, die in Lenksystemen eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, sowie ein Herstellverfahren hierfür.
In herkömmlichen Lenksystemen sind Öldruck einsetzende Zahnstangensysteme vorherrschend, in welchen Ritzelwellen für die Systeme verwendet werden. Die Ritzelwelle dient als ein Teil zum Übertragen eines Drehmoments, wenn ein Fahrer ein Lenkrad betätigt, und zum Umwandeln der Drehbewegung in eine lineare Bewegung, indem sie in einen gezahnten Bereich einer Zahnstange eingreift, und ist eines der wichtigsten Teile des Lenksystems.
Die Ritzelwelle wird mittels der Kombination von Stahlarten und einer Oberflächenhärtungs-Wärmebehandlung, z. B. unter Verwendung von einsatzgehärtetem Stahl (z. B. JIS SMnC420, SCM420) und Anwenden von Einsatzhärtung und Vergüten, oder unter Verwendung von Kohlenstoffstahl (unlegiertem Stahl) (z. B. JIS S45C) oder hoch belastbarem oder hartem Stahl (mit mehr als 0,3% C) (z. B. JIS SCM440, SCM445) und Anwenden von Hochfrequenzhärtung und Vergüten, hergestellt.
Jedoch beinhalten Einsatzhärtung und Vergüten des einsatzgehärteten Stahls ein Problem des Anstiegs der Kosten für die Wärmebehandlung und des Auftretens von Wärmebehandlungs-Belastungen oder anormalen wärmebehandelten Schichten.
Auf der anderen Seite, im Falle der Anwendung von Hochfrequenzhärtung und Vergüten von Kohlenstoffstahl oder hoch belastbarem oder hartem Stahl, ergibt sich, auch wenn die Kosten und Belastungen geringer sind im Vergleich zur Einsatzhärtung und Vergüten des einsatzgehärteten Stahls, ein Problem des Anstiegs der Kosten durch Veredeln (Frischen) in einem Fall, wenn ein Material verwendet wird, bei dem eine Veredelungsbehandlung angewandt wird, um die innere Härte der Ritzelwelle und die Einfachheit der Hochfrequenzhärtung sicherzustellen. Auf der anderen Seite, in einem Fall, wenn ein nicht veredelter Stahl an Stelle des mit einer Veredelungsbehandlung behandelten Materials verwendet wird, führt dies zu einem Problem, dass die Leistung der Ritzelwelle aufgrund der geringen Schlagfestigkeit sinkt.
Als nicht veredelter Stahl zur Verwendung in einer Welle wie einer Ritzelwelle offenbart die JP-A Nr. 09-195000 einen nicht veredelten Stahl mit:
C: 0,20–0,50%; Si: 0,05–0,70% Mn: über 0,60 bis 1,00%; S: 0,01–0,07%; V: 0,02–0,50%; N: 0,002–0,03%; P: 0–0,050%; Cu: 0–0,30%; Ni: 0–0,30%; Cr: 0–1,00%; Mo: 0–0,30%; Al: 0–0,050%; Pb: 0–0,30%; Ca: 0–0,0100%; Te: 0–0,10%; Bi: 0–0,100%
und ein Gleichgewicht von Fe und unvermeidlichen Verunreinigungen, in welchem fn1 ≥ 0 und fn2 ≤ 0; fn1 = C + (Si/10) + (Mn/6) + 5N + 1.65V + (CR/3) – 0,6 fn2 = [C/(fn1 + 0,6)] – 0,6.
Weiterhin wird ein Gewindeschneiden in den Herstellungsschritten der Ritzelwelle durchgeführt. Abhängig vom Material, das beim Gewindeschneiden verwendet wird, ist die mit einem Gewinde versehene Oberfläche manchmal aufgeraut, so dass sich die Formgenauigkeit des Zahns aufgrund der Wirkungen auf Härte und Material verschlechtert (insbesondere wenn keine Vorwärmebehandlung wie Veredeln oder Ausglühen stattgefunden hat). Wenn die Formgenauigkeit verringert ist, verschlechtert sich manchmal der Verschleißwiderstand oder die Grübchentragfähigkeit, da der Zustand der Eingriffsoberfläche des Zahnbereichs der Zahnstange sich verschlechtert. Weiterhin verändert sich abhängig von der Verringerung der Formgenauigkeit des Zahns der Reibungszustand an den mit Gewinde versehenen Oberflächen stark, was zu einem Problem führt, dass sich das Gefühl beim Lenken verschlechtert.
Ferner wurden zur Bewältigung der Energiesparforderungen im Hinblick auf die aktuellen globalen ökologischen Probleme elektromotorische Servolenkungsmotoren (EPS) entwickelt und werden mehr und mehr an Stelle der hydraulischen Servolenkungen verwendet.
EPS umfassen manchmal Hilfseinrichtungen, die sich von denen in den herkömmlichen Lenksystemen unterscheiden, und insbesondere für einen Typ von Hilfseinrichtung für das Drehmoment der Ritzelwelle werden die Arbeitsbedingungen schwieriger verglichen mit den vorhandenen Systemen, da größere Kräfte auf den Eingriffsbereich für den Zahnbereich der Zahnstange wirken im Vergleich zu vorhandenen Systemen.
In einem Fall, wenn Stähle ohne Veredelungsbearbeitung, d. h. nicht veredelte Stähle wie sie sind einem Gewindeschneidevorgang mittels eines Abwälzfräsers oder dergleichen zugeführt werden, führt dies zu einem Problem, dass die Oberfläche, in die das Gewinde geschnitten wurde, aufgeraut wird, so dass sich die Formgenauigkeit des Zahns verschlechtert und sich der Verschleißwiderstand oder die Grübchentragfähigkeit verringert. In einem Fall, wenn Hochfrequenzhärtung bei üblichen nicht veredelten Stählen angewandt wird, verbleibt, da diese einen hohen Anteil an Ferrit aufweisen, das Ferrit in der mit Hochfrequenz gehärteten Schicht unter üblichen Hochfrequenz-Wärmebedingungen, wodurch eine vorbestimmte Oberflächenhärte nicht erreicht wird, was zu einem Problem der Verringerung des Verschleißwiderstandes und der Grübchentragfähigkeit führt. In einem Fall, wenn die Wärmebehandlung bei höherer Temperatur oder für einen längeren Zeitraum als bei Hochfrequenz-Erwärmungsbedingungen durchgeführt wird, so dass kein Ferrit zurückbleibt, führt dies zu einem Problem, dass die Tiefe der gehärteten Schicht ansteigt, was große Wärmebehandlungsbelastungen oder Kristallkornwachstum verursacht, wodurch die Festigkeit geringer wird. In einem Fall einer Anwendung von Hochfrequenzhärtung auf bestehende nicht veredelte Stähle führt dies ferner zu einem Problem, dass die erwünschte Torsionsfestigkeit, Biegefestigkeit, Schlag-Torsionsfestigkeit oder Schlag-Biegefestigkeit nicht erreicht werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Um die oben beschriebene Problematik zu lösen, soll die vorliegende Erfindung die obigen Probleme überwinden und einen Stahl zur Verwendung in hochfesten Ritzelwellen zur Verfügung stellen, der nicht veredelt ist und für Hochfrequenzhärten verwendet wird, bei dem ein Ablösen beim Abwälzfräsen seltener auftritt, der eine höhere Oberflächenhärte, Kerbschlagzähigkeit und Torsionsfestigkeit nach der Hochfrequenzhärtung aufweist und mit geringeren Wärmebehandlungsbelastungen, sowie ein Herstellverfahren hierfür. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ernsthafte Studien an Stählen zur Verwendung in einer Ritzelwelle durchgeführt, bei denen ein Ablösen beim Abwälzfräsen seltener auftritt, die geringere Wärmebehandlungsbelastungen beim Hochfrequenzhärten und höhere Oberflächenhärte, Kerbschlagzähigkeit und Torsionsfestigkeit aufweisen, und haben herausgefunden, dass das Auftreten von Ablösen beim Abwälzfräsen verhindert werden kann, indem hauptsächlich die Zusammensetzung der Bestandteile optimiert und das Mikrogefüge verfeinert wird, dass das Auftreten von Wärmebehandlungsbelastungen während der Hochfrequenzhärtung unterdrückt werden kann, indem hauptsächlich die Zusammensetzung der Bestandteile und die Einstellung des Gefüges vor der Hochfrequenzhärtung optimiert werden, und dass die Grübchentragfähigkeit und der Verschleißwiderstand der Ritzelwelle verbessert werden können, indem die Härte der mittels Hochfrequenz gehärteten Schicht und der Kohlenstoffgehalt, der eine erhebliche Auswirkung auf die Härte hat, optimiert werden.
Weiterhin wurde herausgefunden, dass die Torsionsfestigkeit, Biegefestigkeit, Schlag-Torsionsfestigkeit und Schlag-Biegefestigkeit hauptsächlich durch eine kombinierte Zufügung von Bestandteilen, insbesondere von Mo und B, und Überprüfen des Gefüges vor der Hochfrequenzhärtung verbessert werden können. Die Zusammensetzung der Bestandteile kann als die Zusammensetzung der Bestandteile, die im Umfang der Ansprüche für das Patent beschrieben sind, definiert werden und das Gefüge kann auf ein Dreiphasengefüge aus Ferrit, Perlit und Bainit übertragen werden, in welchem das Ferritflächenverhältnis 40% oder weniger ist, und die maximale Perlitblockgröße 100 μm oder weniger als ein kreisäquivalenter Durchmesser ist, durch Herstellen des Stahls mit der oben beschriebenen Zusammensetzung der Bestandteile bei einer Temperatur von 850°C oder weniger und unter einem Zug bei einer Flächenverringerung von 10% oder weniger.
Die Erfindung kann aufgrund der oben beschriebenen Erkenntnisse erreicht werden.
Das heißt, ein Stahl zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle enthält: C: 0,45–0,55%; Si: 0,10–0,50%, Mn: 0,50–1,20%; P: 0,025 oder weniger; S: 0,025% oder weniger; Mo: 0,15–0,25%; B: 0,0005–0,005%, Ti: 0,005–0,10% und N: 0,015% oder weniger und weiterhin, optional, eines oder mehrere Elemente aus Cu: 0,50% oder weniger, Ni: 0,50% oder weniger und Cr: 0,50% oder weniger und weiterhin, optional, eines oder mehrere Elemente aus Nb: 0,20% oder weniger; Ta: 0,20% oder weniger; Zr: 0,10% oder weniger, und Al: 0,10% oder weniger und erfüllt die folgenden Gleichungen 1 und 2 mit dem Gleichgewicht von Fe und unvermeidlichen Verunreinigungen: 0,80 ≤ Ceq ≤ 0,95 Gleichung 1 wobei Ceq = C + 0,07 × Si + 0,16 × Mn + 0,20 × Cr + 0,72 × Mo f-Wert ≤ 1,0 Gleichung 2 wobei f-Wert = 2,78 – 3,2 × C + 0,05 × Si – 0,60 × Mn – 0,55 × Cu – 0,80 × Ni – 0,75 × Cr
Weiterhin enthält ein Stahl zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle: C: 0,45–0,55%; Si: 0,10–0,50%, Mn: 0,50–1,20%; P: 0,025 oder weniger; S: 0,025% oder weniger; Mo: 0,15–0,25%; B: 0,0005–0,005%, Ti: 0,005–0,10% und N: 0,015% oder weniger und weiterhin, optional, eines oder mehrere Elemente aus Cu: 0,50% oder weniger, Ni: 0,50% oder weniger und Cr: 0,50% oder weniger und weiterhin, optional, eines oder mehrere Elemente aus Nb: 0,20% oder weniger; Ta: 0,20% oder weniger; Zr: 0,10% oder weniger, und Al: 0,10% oder weniger und erfüllt die folgenden Gleichungen 1 und 2 mit dem Gleichgewicht von Fe und unvermeidlichen Verunreinigungen, wobei das Gefüge nach dem Heißwalzen eine 3-Phasen-Struktur aus Ferrit + Perlit + Bainit ist, wobei das Ferritflächenverhältnis 40% oder weniger und die maximale Perlitblockgröße 100 μm oder weniger in einem kreisäquivalenten Durchmesser ist, die Härte nach dem Heißwalzen 24 bis 30 HRC beträgt, die Oberflächenhärte nach der Hochfrequenzhärtung 650 HV beträgt und die ehemalige (alte) Austenitkristallkorngröße in der gehärteten Schicht 8 oder mehr im Hinblick auf die Korngräßenzahl ist: 0,80 ≤ Ceq ≤ 0,95 Gleichung 1 wobei Ceq = C + 0,07 × Si + 0,16 × Mn + 0,20 × Cr + 0,72 × Mo f-Wert ≤ 1,0 Gleichung 2 wobei f-Wert = 2,78 – 3,2 × C + 0,05 × Si – 0,60 × Mn – 0,55 × Cu – 0,80 × Ni – 0,75 × Cr
Ferner wird im Verfahren zur Herstellung eines Stahls zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle gemäß der Erfindung ein Stahl mit: C: 0,45–0,55%; Si: 0,10–0,50%, Mn: 0,50–1,20%; P: 0,025 oder weniger; S: 0,025% oder weniger; Mo: 0,15–0,25%; B: 0,0005–0,005%, Ti: 0,005–0,10% und N: 0,015% oder weniger und weiterhin, optional, eines oder mehrere Elemente aus Cu: 0,50% oder weniger, Ni: 0,50% oder weniger und Cr: 0,50% oder weniger und weiterhin, optional, eines oder mehrere Elemente aus Nb: 0,20% oder weniger; Ta: 0,20% oder weniger; Zr: 0,10% oder weniger, und Al: 0,10% oder weniger und erfüllt die folgenden Gleichungen 1 und 2 mit dem Gleichgewicht von Fe und unvermeidlichen Verunreinigungen, zur Bearbeitung bei einer Temperatur von 850°C oder mehr und unter einem Zugverhältnis bei einer Bereichsverringerung von 10% oder mehr gebracht: 0,80 ≤ Ceq ≤ 0,95 Gleichung 1 wobei Ceq = C + 0,07 × Si + 0,16 × Mn + 0,20 × Cr + 0,72 × Mo f-Wert ≤ 1,0 Gleichung 2 wobei f-Wert = 2,78 – 3,2 × C + 0,05 × Si – 0,60 × Mn – 0,55 × Cu – 0,80 × Ni – 0,75 × Cr
Der Stahl zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle gemäß der Erfindung mit der oben beschriebenen Zusammensetzung verursacht selteneres Auftreten von Ablösen während des Abwälzfräsens, weist eine hohe Oberflächenhärte, Kerbschlagzähigkeit und Torsionsfestigkeit nach der Hochfrequenzhärtung auf, und leidet weniger an Wärmebehandlungsbelastungen während der Hochfrequenzhärtung. Da der Stahl zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle eine hohe Oberflächenhärte, Kerbschlagzähigkeit und Torsionsfestigkeit nach der Hochfrequenzhärtung aufweist, kann er auch in elektromotorischen Servolenkungen verwendet werden, welche im Vergleich der Lenksysteme harten Arbeitsbedingungen unterliegen, und kann weiterhin das Gewicht entsprechend der Größenverringerung der Lenksysteme verringern.
Weiterhin ist gemäß dem Herstellverfahren des Stahls mit der oben beschriebenen Zusammensetzung zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle der Erfindung das Gefüge nach dem Heißwalzen eine 3-Phasen-Struktur aus Ferrit + Perlit + Bainit, wobei das Ferritflächenverhältnis 40% oder weniger und die maximale Perlitblockgröße 100 μm oder weniger als ein kreisäquivalenter Durchmesser ist, und weiterhin die Härte nach dem Heißwalzen 24 bis 30 HRC beträgt, die Oberflächenhärte nach der Hochfrequenzhärtung 650 HV oder mehr beträgt und die ehemalige Austenitkristallkorngröße in der gehärteten Schicht 8 oder mehr im Hinblick auf die Korngrößenzahl ist, so dass der Stahl zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle mit den oben beschriebenen Eigenschaften hergestellt werden kann.
Genaue Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Nun soll der Grund für die Festlegung der Zusammensetzung der Bestandteile, Ceq und f-Wert des Stahls zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle gemäß der Erfindung beschrieben werden.
C: 0,45–0,55%
Da C die Härte der mit Hochfrequenz gehärteten Schicht vergrößert und die Grübchentragfähigkeit und den Verschleißwiderstand erhöht, ist dies ein Element, das für diesen Zweck zugegeben wird. Es ist notwendig, C in einer Menge von 0,45% oder mehr zuzufügen, um die oben beschriebene Funktion und Wirkung zu erhalten, aber die obere Grenze ist auf 0,55% festgelegt, da in einem Fall, wenn der Gehalt übermäßig ist, die Torsionsfestigkeit, Biegefestigkeit, Schlagfestigkeit, Schlagbiegefestigkeit usw. der hochfesten Ritzelwelle verringert ist.
Si: 0,10–0,50%
Da Si eine desoxidierende (beruhigende) Wirkung während des Schmelzens der Stahle aufweist, wird dieses Element für diesen Zweck zugefügt. Es ist notwendig, Si in einer Menge von 0,10% oder mehr zuzufügen, um die Funktion und Wirkung zu erhalten. Da jedoch die Festigkeit des Metalls sich verschlechtert, wenn der Gehalt übermäßig ist, wird die obere Grenze auf 0,50% festgelegt.
Mn: 0,50–1,20%
Da Mn eine desoxidierende (beruhigende) Wirkung während des Schmelzens der Stähle aufweist und die Härtbarkeit der Stähle verbessert, wird dieses Element für diesen Zweck zugefügt. Es ist notwendig, Mn in einer Menge von 0,50% oder mehr zuzufügen, um die Funktion und Wirkung zu erhalten. Da jedoch die Härte des Metalls übermäßig vergrößert wird, wenn der Gehalt übermäßig ist, wird die obere Grenze auf 1,20% festgelegt.
P: 0,025% oder weniger
Da P eine unvermeidliche Verunreinigung ist, sich an den Körnerrändern absondert, um die Festigkeit zu verringern und das Auftreten von Zugspannungsrissen beim Hochfrequenzhärten befördert, ist ein geringerer P-Gehalt bevorzugt. Da jedoch, auch wenn der Gehalt geringer ist, die Wirkung erreicht und die Kosten erhöht sind, ist die obere Grenze auf 0,025% festgelegt.
S: 0,025% oder weniger
Da S eine unvermeidliche Verunreinigung ist und Sulfideinschlüsse bildet, welche Auslöser für Ermüdungsbruch bilden und dementsprechend die Ermüdungsbruchfestigkeit verringert, was Zugspannungsrisse verursacht, ist der Gehalt vorzugsweise geringer. Da sich jedoch die maschinelle Bearbeitbarkeit verschlechtert, wenn der Gehalt deutlich geringer ist, ist die obere Grenze auf 0,025% festgelegt.
Mo: 0,15–0,25%
Da Mo die Härtbarkeit und den Widerstand gegen die Wirkung von Schlagbelastung in der durch Hochfrequenzhärtung erhaltenen gehärteten Schicht verbessert, um den Widerstand gegen eine Schlagriss-entwickelnde Energie zu verbessern, wird das Element zu diesem Zweck zugegeben. Es ist notwendig, Mo in einer Menge von 0,15% oder mehr zuzugeben, um die Wirkung zu erhalten. Da jedoch Martensit in einem gewalzten Zustand erzeugt wird, um die Härte zu verstärken und es die maschinelle Bearbeitbarkeit in einem Fall, wenn es in großer Menge zugefügt wird, verschlechtert, ist die obere Grenze auf 0,25% festgelegt. Weiterhin kann, wenn es in Kombination mit B zugefügt wird, die Festigkeit verbessernde Wirkung für die mittels Hochfrequenz gehärtete Schicht weiter verstärkt werden.
B: 0,0005–0,005%
Da B die Härtbarkeit verbessert und die Absonderung von P an den Körnergrenzen unterdrückt, um die Festigkeit der mittels Hochfrequenz gehärteten Schicht zu verbessern, wird das Element für diesen Zweck zugefügt. Es ist notwendig, B in einer Menge von 0,0005% oder mehr zuzufügen, um die Wirkung zu erhalten. Da jedoch die Kristallkörner wachsen und die Festigkeit verschlechtern, wenn es übermäßig enthalten ist, wird die obere Grenze auf 0,005% festgelegt. Wenn es in Kombination mit Mo zugefügt wird, wird die Wirkung der Verbesserung der Festigkeit der mittels Hochfrequenz gehärteten Schicht weiter verstärkt.
Ti: 0,005–0,10%
Da Ti TiN bildet, um N im Stahl zu binden und eine Bildung von BN verhindert, um die wirksame Menge von B zu erhöhen, wird das Element für diesen Zweck hinzugefügt. Es ist notwendig, Ti in einer Menge von 0,005% oder mehr zuzugeben, damit N gebunden wird und um die oben erwähnte Wirkung von B vorzusehen. Da jedoch die Festigkeit verringert wird, wenn es im Übermaß enthalten ist, wird die obere Grenze auf 0,10% festgelegt.
N: 0,015% oder weniger
Da N eine unvermeidliche Verunreinigung ist und nicht-metallische Einschlüsse vom Nitridtyp im Stahl bildet, um die Ermüdungsbruchfestigkeit der herzustellenden Ritzelwelle zu verringern, ist die obere Grenze auf 0,015% festgelegt.
Cu: 0,50% oder weniger
Cu kann zugefügt werden zum Steuern des f-Werts. Da es jedoch die Warmformbarkeit des Stahls verschlechtert, wenn es in großer Menge enthalten ist, wird die obere Grenze auf 0,50% oder weniger festgelegt.
Ni: 0,50% oder weniger
Ni kann zugefügt werden zum Steuern des f-Werts. Da es jedoch die maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahls verschlechtert, wenn es in großer Menge enthalten ist, wird die obere Grenze auf 0,50% oder weniger festgelegt.
Cr: 0,50% oder weniger
Cr kann zugefügt werden zum Steuern des f-Wertes. Da jedoch die Härtbarkeit des Stahls ansteigt, um Martensit im gewalzten Zustand zu bilden, um die Härte zu erhöhen und die maschinelle Bearbeitbarkeit zu verschlechtern, wenn es in einer großen Menge vorhanden ist, wird die obere Grenze auf 0,50% festgelegt.
Nb: 0,02% oder weniger; Ta: 0,20% oder weniger
Da Nb und Ta das Gefüge der mittels Hochfrequenz gehärteten Schicht veredeln, um die Festigkeit zu verbessern, werden diese Elemente für diesen Zweck zugefügt. Da jedoch die Wirkung gesättigt ist, wenn sie in einer großen Menge enthalten sind, wird die obere Grenze auf 0,20% festgelegt.
Zr: 0,10% oder weniger
Da Zr das Gefüge der mittels Hochfrequenz gehärteten Schicht veredelt, um die Festigkeit zu verbessern und Oxide als Nuklei von Sulfiden bildet und die Verformbarkeit von MnS verbessert, um granulöse Sulfide zu bilden, und dementsprechend den Widerstand gegen Torsionsermüdung verbessert, wird das Element für diesen Zweck zugefügt. Da jedoch die Wirkung gesättigt ist, wenn es in großer Menge vorhanden ist, wird die obere Grenze auf 0,10% festgelegt.
Al: 0,10% oder weniger
Da Al eine starke Desoxidationswirkung während des Stahlschmelzens aufweist und die Kristallkörner raffiniert, um die Festigkeit zu verbessern, wird das Element zu diesem Zweck beigefügt. Da jedoch Einschlüsse vom Al₂O₃-Typ ansteigen, um die Ermüdungsbruchfestigkeit zu verringern, wenn sie in einer großen Anzahl vorhanden sind, ist die obere Grenze auf 0,10% festgelegt. 0,80 ≤ Ceq ≤ 0,95 wobei Ceq = C + 0,07 × Si + 0,16 × Mn + 0,20 × Cr + 0,72 × Mo.
Die Härte im heißgewalzten Zustand hängt hauptsächlich von der chemischen Zusammensetzung des Stahls, der Größe des gewalzten Materials, den Walzbedingungen und Kühlbedingungen ab. In einem Fall eines Stahls zur Verwendung für eine Ritzelwelle sind die Heißwalzbedingungen, da die Größe des Stahlmaterials 20 bis 30 mm im Durchmesser beträgt: bei einer Temperatur von 850°C oder weniger und unter einem Zug bei einem Flächenreduktionsverhältnis von 10% oder mehr, und das Kühlverfahren ist eine Luftstoßkühlung, spontane atmosphärische Kühlung oder Topfkühlen, was die Kosten nicht besonders erhöht, wobei die Härte im Wesentlichen durch die Größe von Ceq bestimmt wird. Zum Erreichen der Härte von 24 bis 40 HRC, die für den Stahl zur Verwendung in der Ritzelwelle (die nachher genauer beschrieben wird) notwendig ist, ist es erforderlich, dass Ceq zwischen 0,80 und 0,95 liegt. Der Grund hierfür ist, dass die Härte nach dem Heißwalzen nicht 24 HRC oder mehr ist, wenn Ceq geringer als 0,80 ist. Auf der anderen Seite steigt die Härte übermäßig auf über 30 HRC, was die maschinelle Bearbeitbarkeit verringert, wenn Ceq größer als 0,95 ist. f-Wert ≤ 1,0 wobei f-Wert = 2,78 – 3,2 × C + 0,05 × Si – 0,60 × Mn – 0,55 × Cu – 0,80 × Ni – 0,75 × Cr.
Die Menge an Ferrit wird hauptsächlich in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung des Stahls, der Größe des gewalzten Materials, den Walz- und Kühlbedingungen bestimmt. In einem Fall eines Stahls zur Verwendung für eine Ritzelwelle sind die Heißwalzbedingungen, da die Größe des Stahlmaterials 20 bis 30 mm im Durchmesser beträgt: bei einer Temperatur von 850°C oder weniger und unter einem Zug bei einem Flächenreduktionsverhältnis von 10% oder mehr, und das Kühlverfahren ist eine Shotblow-Kühlung, spontane atmosphärische Kühlung oder Topfkühlen, was die Kosten nicht besonders erhöht, wobei die Menge an Ferrit im Wesentlichen von der Größe des f-Wertes abhängt. Zum Erreichen der Menge an Ferrit von 40% oder weniger, welche für den Stahl zur Verwendung in der Ritzelwelle (die später genauer beschrieben wird) notwendig ist, ist es erforderlich, dass der f-Wert 1,0 oder weniger ist. Der Grund hierfür ist, dass die Ferritmenge nicht 40% oder weniger sein kann, was für den Stahl zur Verwendung in der Ritzelwelle notwendig ist, in einem Fall, wenn der f-Wert größer als 1,0 ist.
Dann wird der Grund der Festlegung des Gefüges nach dem Heißwalzen, das Ferritflächenverhältnis und die maximale Perlitblockgröße, die Härte nach dem Heißwalzen und die Oberflächenhärte und die ehemalige Austenitkristallkorngröße nach der oben beschriebenen Hochfrequenzerwärmung erläutert.
Gefüge nach dem Heißwalzen: Dreiphasenstruktur + Perlit + Bainit
Da die Härte deutlich ansteigt und die Kerbschlagzähigkeit verringert wird, wenn Martensit vorhanden ist, wird es als eine Dreiphasenstruktur aus Ferrit + Perlit + Bainit gebildet.
Ferritflächenverhältnis: 40% oder weniger
In einem Fall, wenn eine große Menge Ferrit im Gefüge vor der Hochfrequenzhärtung vorhanden ist, ist die Diffusion von C im Ferrit in einer Kurzzeit-Wärmebehandlung wie einer Hochfrequenzhärtung unzureichend und das Ferrit verbleibt in dem Gefüge nach der Hochfrequenzhärtung. Das verbleibende Ferrit verringert die Biege- und Torsionsfestigkeit. Zusätzlich ist es schwierig, eine einheitliche Härte zu erhalten und der Verschleißwiderstand ist ebenfalls verschlechtert. Um das zurückbleibende Ferrit zu verringern, kann man in Betracht ziehen, eine Erwärmung für einen längeren Zeitraum oder bei einer höheren Temperatur in der Hochfrequenzhärtung durchzuführen. Wenn die Erwärmung für einen langen Zeitraum durchgeführt wird, erhöht sich jedoch die Tiefe der gehärteten Schicht und dies erhöht die Belastungen in der herzustellenden Ritzelwelle und verschlechtert außerdem die Ermüdungsbruchfestigkeit durch das Absenken der restlichen Belastung nahe der Oberfläche. In einem Fall einer Erwärmung bei einer höheren Temperatur wachsen die Kristallkörner in der mit Hochfrequenz gehärteten Schicht und dies verringert die Härte. Dementsprechend ist es wünschenswert, dass die Menge an Ferrit vor der Hochfrequenzhärtung auf 40% oder weniger beschränkt ist. Weiterhin ist die Menge an Perlit und Bainit nicht beschränkt, da diese weniger schädlich sind im Vergleich zu Ferrit.
Maximale Perlitblockgröße: 100 μm oder weniger im kreisäquivalenten Durchmesser
Um ein Auftreten von Ablösung während des Abwälzfräsens zu unterdrücken, ist es wirksam, das Gefüge zu veredeln. Der Grund hierfür ist, dass ein Ablösen insbesondere auftritt, um ein Ablösen während des Abwälzfräsens zu verursachen, wenn die Perlitblockgröße grob ist. Wenn die Oberflächenbearbeitungsgenauigkeit einer Ritzelwelle in der Praxis in Betracht gezogen wird, ist es nötig, den kreisäquivalenten Durchmesser des Perlitblocks auf 100 μm oder weniger zu begrenzen, und dementsprechend ist der Wert vorzugsweise 100 μm oder weniger.
Härte nach dem Heißwalzen: 24 bis 30 HRC
Um die Standzeit bei der maschinellen Bearbeitung der Ritzelwelle und die Festigkeit der Ritzelwelle sicherzustellen, liegt die Härte vorzugsweise zwischen 24 und 30 HRC. In einem Fall, wenn sie 24 HRC oder weniger ist, kann die für die Ritzelwelle erforderliche Festigkeit nicht erreicht werden. Im Gegensatz dazu, wenn sie 30 HRC oder mehr beträgt, ist die Standzeit verringert, was die Kosten erhöht, und eine Bearbeitung dauert länger.
Oberflächenhärte nach Hochfrequenzhärtung von 650 HV oder mehr
Um die Festigkeit und den Verschleißwiderstand sicherzustellen, und insbesondere um den Verschleißwiderstand der Ritzelwelle sicherzustellen, beträgt die Oberflächenhärte nach der Hochfrequenzhärtung vorzugsweise 650 HV oder mehr.
Ehemalige Austenitkristallkorngröße der gehärteten Schicht nach der Hochfrequenzhärtung: Körnergrößenzahl 8 oder mehr
Da die Härte nach der Hochfrequenzhärtung und vergüten verringert ist, wenn die ehemalige Kristallkorngröße des Austenit groß ist, ist es bevorzugt, dass die Körnergrößenzahl der ehemaligen Austenitkristallkorngröße 8 oder mehr ist.
Nun werden die Heißwalzbedingungen im Herstellverfahren des Stahls zur Verwendung in der hochfesten Ritzelwelle der Erfindung beschrieben.
Das Gefüge wird veredelt, wenn die Walztemperatur niedrig und das Zugverhältnis hoch ist, aber wenn die Walztemperatur extrem niedrig und das Zugverhältnis extrem klein ist, ergibt dies nicht re-kristallisiertes Gefüge, was das Gefüge nach dem Wälzen grober macht. Um zu erreichen, dass das Mikrogefüge feiner ist und die Perlitblockgröße 100 μm oder weniger im Stahlmaterial nach dem Wälzen beträgt, ist es notwendig, das Wälzen bei einer Temperatur von 850°C oder weniger und vorzugsweise bei 700°C oder höher unter einem Zugverhältnis von 10% oder mehr durchzuführen.
Der Stahl zur Verwendung in der hochfesten Ritzelwelle der Erfindung weist die Bestandteilzusammensetzung innerhalb des oben beschriebenen Bereichs auf, erfüllt die zwei oben beschriebenen Gleichungen und enthält ein Gleichgewicht von Fe und unvermeidlichen Verunreinigungen, oder das Gefüge nach dem Heißwalzen, das Ferritflächenverhältnis, die maximale Perlitblockgröße, die Härte nach dem Heißwalzen, die Oberflächenhärte nach der Hochfrequenzhärtung und die ehemalige Austenitkristallkorngröße in der gehärteten Schicht werden weiter wie oben beschrieben festgelegt, aus den oben beschriebenen Gründen.
In dem Herstellverfahren des Stahls zur Verwendung in der hochfesten Ritzelwelle der Erfindung werden diese Materialien, welche die Bestandteilzusammensetzung innerhalb des oben beschriebenen Bereichs aufweisen, die zwei oben beschriebenen Gleichungen erfüllen und das Gleichgewicht von Fe und unvermeidlichen Verunreinigungen enthalten, bei einer Temperatur von 850°C oder weniger und unter einem Zugverhältnis bei einer Flächenreduktion von 10% oder mehr aus den oben beschriebenen Gründen bearbeitet.
Beispiel
Nun werden Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Beispiel 1
Nach dem Schmelzen der Stähle der Beispiele der Erfindung und der Vergleichsbeispiele mit den folgenden in Tabelle 1 gezeigten Bestandteilzusammensetzungen wurden diese zu Walzblöcken geformt und unter einem Zugverhältnis von 15% bei einer Temperatur von 850°C oder niedriger zu Rundstäben mit einem Durchmesser von jeweils 23 mm heißgewalzt und dann luftgekühlt. Aus den Rundstäben wurden Testmuster zum Messen des Mikrogefüges, des Ferritflächenverhältnisses und der maximalen Perlitblockgröße hergestellt, sowie Testmuster zum Messen der Härte des gewalzten Materials, Testmuster zum Abwälzfräsen, Testmuster zum Messen der Härte nach der Hochfrequenzhärtung, Testmuster zum Messen der Belastungen durch die Hochfrequenzhärtung und Muster zum Messen der Torsionsfestigkeit. Unter Verwendung der Testmuster wurde die Messung jeweils mit den folgenden Testverfahren durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 dargestellt.
Messung des Mikrogefüges, des Ferritflächenverhältnisses und der maximalen Perlitblockgröße
Unter Verwendung der oben genannten Testmuster wurde der Querschnitt geschliffen, geätzt und dann mit einem optischen Mikroskop gemessen.
Messung der Härte des gewalzten Materials (Härte nach dem Walzen)
Die Härte der Testmuster wurde durch mittels einer C-Skala unter Verwendung eines Rockwell-Härtemessinstruments gemessen.
Messung der Ablösung beim Abwälzfräsen
Die Testmuster zum Abwälzfräsen (15 mm Durchmesser für den Schaftbereich, 22 mm Durchmesser für den Gewindebereich und 130 mm für die Länge) wurden einem Gewindeschneiden unter Verwendung eines Walzfräsers aus Hochgeschwindigkeitsstahl bei einer Drehgeschwindigkeit von 425 U/min und einer Zuführgeschwindigkeit von 0,73 mm/min unterworfen und die Rauheit an der geschnitten Oberfläche wurde mittels eines Rauheitmessinstruments gemessen.
Messung der Hochfrequenz-Wärmehärtung der mit Hochfrequenz gehärteten Oberfläche
Testmuster von jeweils 20 mm Durchmesser und 150 mm Länge wurden aus den oben beschriebenen Rundstäben mit jeweils einem Durchmesser von 23 mm hergestellt, von einer Hochfrequenz-Wärmevorrichtung bei einer Oberflächenerwärmungstemperatur von ungefähr 900°C bis 1000°C für eine Erwärmungszeitraum von 2 bis 5 Sekunden erwärmt, dann mit Wasser abgekühlt und bei 170°C gehärtet. Die für den Test verwendeten Muster wurden unter Verwendung eines Vickers-Härtemessinstruments gemessen.
Messung der Hochfrequenz-Wärmebelastungen der Zahnform
Ritzelwellen mit jeweils einem Schaftbereich mit einem Durchmesser von 15 mm, einem Gewindebereich mit einem Durchmesser von 22 mm und einer Länge von 130 mm wurden aus den oben beschriebenen Rundstäben mit jeweils einem Durchmesser von 23 mm hergestellt, von einer Hochfrequenz-Wärmevorrichtung bei einer Oberflächenerwärmungstemperatur von ungefähr 900 bis 1000°C für einen Erwärmungszeitraum von 2 bis 5 Sekunden erwärmt, dann mit Wasser gekühlt und durch Erwärmung auf 170°C gehärtet, und dann wurde die Zahnformgenauigkeit gemessen.
Messung der Torsionsfestigkeit
Testmuster mit jeweils einem Durchmesser von 12 mm für den Testbereich wurden aus den oben beschriebenen Rundstäben mit jeweils einem Durchmesser von 23 mm hergestellt, die Testmuster wurden einer Hochfrequenzhärtung und Vergüten unterzogen, und die Torsionsfestigkeit wurde mittels eines Torsionstesters vom Hydrauliktyp gemessen.
Gemäß den Ergebnissen der Tabelle 2 war in jedem der Beispiele der vorliegenden Erfindung das Mikrogefüge eine Dreiphasenstruktur mit Ferrit + Perlit + Bainit, das Ferritflächenverhältnis ist 20% oder weniger, die maximale Perlitblockgröße war 35 bis 55 μm im kreisäquivalenten Durchmesser, die Härte des gewalzten Materials (Härte nach Walzen) war 24,4 bis 29,7 HRC und 36,9 HRC (Beispiel für Anspruch 1), die Oberflächenhärte nach der Hochfrequenzhärtung war 650 bis 760 HV, das Ablösen beim Abwälzfräsen war gering, die Zahnformbelastung war gering und die Torsionsfestigkeit lag bei 1670 bis 1800 MPa.
Im Vergleichsbeispiel 1, in dem der Kohlenstoffgehalt und Ceq geringer waren als diejenigen der Erfindung und bei dem der f-Wert höher war als der der Erfindung, war im Gegensatz dazu das Ferritflächenverhältnis größer als das in den Beispielen der Erfindung, die Härte des gewalzten Materials (Härte nach Walzen) war viel geringer als die der Beispiele der Erfindung und das Ablösen beim Abwälzfräsen und die Zahnformbelastung durch die Hochfrequenzhärtung waren stärker als in den Beispielen der Erfindung.
Im Vergleichsbeispiel 2, in dem der Si-Gehalt größer als der der Erfindung war und bei dem Ceq höher war als in der Erfindung, war ferner die maximale Perlitblockgröße größer als die der Beispiele der Erfindung und das Ablösen beim Abwälzfräsen und die Zahnformbelastung bei Hochfrequenzhärtungen waren größer als diejenigen der Beispiele der Erfindung.
Weiterhin war im Vergleichsbeispiel 3, in welchem Ceq etwas niedriger war als in der Erfindung, das Ferritflächenverhältnis geringfügig größer als das in den Beispielen der Erfindung, die Oberflächenhärte nach der Hochfrequenzhärtung war etwas geringer als die in den Beispielen der Erfindung und ein Ablösen beim Abwälzfräsen und die Zahnformbelastung durch Hochfrequenzhärtung waren stärker als diejenigen in den Beispielen der Erfindung.
Weiterhin war im Vergleichsbeispiel 4, in welchem der Kohlenstoffgehalt etwas geringer war als der der Erfindung, der Si-Gehalt viel höher als der in der Erfindung und der f-Wert war höher als derjenige der Erfindung, das Ferritflächenverhältnis war größer als das in den Beispielen der Erfindung, die Härte des gewalzten Materials war etwas geringer als in den Beispielen der Erfindung, die Oberflächenhärte nach der Hochfrequenzhärtung war viel geringer als diejenige in den Beispielen der Erfindung und außerdem waren das Ablösen beim Abwälzfräsen und die Zahnformbelastung bei Hochfrequenzhärtung starker als in den Beispielen der Erfindung.
Im Vergleichsbeispiel 5, in welchem der Kohlenstoffgehalt etwas geringer war als der in der Erfindung und in dem Ceq kleiner war als in der Erfindung, war außerdem das Ferritflächenverhältnis etwas größer als in den Beispiel der Erfindung, die Härte des gewalzten Materials und die Oberflächenhärte nach der Hochfrequenzhärtung waren viel geringer als diejenige in den Beispielen der Erfindung, ferner waren das Ablösen beim Abwälzfräsen und die Zahnformbelastung durch Hochfrequenzhärtung größer als diejenigen in den Beispielen der Erfindung, und die Torsionsfestigkeit war etwas geringer als die in den Beispielen der Erfindung.
Im Vergleichsbeispiel 6, in dem der Kohlenstoffgehalt größer war als in der Erfindung, war ferner die maximale Perlitblockgröße etwas größer als die in den Beispielen der Erfindung und ferner war das Ablösen beim Abwälzfräsen starker als in den Beispielen der Erfindung und die Torsionsfestigkeit war ziemlich geringer als die in den Beispielen der Erfindung.
Im Vergleichsbeispiel 7, in dem der Mo-Gehalt etwas geringer war als der in der Erfindung und in dem Ceq etwas kleiner war als in der Erfindung, war ferner die Härte des gewalzten Materials etwas geringer als die in den Beispielen der Erfindung und außerdem waren das Ablösen beim Abwälzfräsen und die Zahnformbelastung durch Hochfrequenzhärtung stärker als in den Beispielen der Erfindung, und die Torsionsfestigkeit war etwas geringer als die in den Beispielen der Erfindung.
Im Vergleichsbeispiel 8, in dem der Mo-Gehalt höher war als der in der Erfindung, war außerdem Martensit im Gefüge vorhanden und das Ablösen beim Abwälzfräsen war stärker als in den Beispielen der Erfindung.
Ferner war im Vergleichsbeispiel 9, in dem der Si-Gehalt höher war als der in der Erfindung und der B-Gehalt geringer war als der in der Erfindung, die Torsionsfestigkeit viel geringer als die in den Beispielen der Erfindung.
Im Vergleichsbeispiel 10, in dem der Ti-Gehalt und der N-Gehalt etwas höher waren als diejenigen in der Erfindung, war außerdem die Torsionsfestigkeit viel geringer als die in den Beispielen der Erfindung.
Beispiel 2
Testmaterialien mit der ehemaligen Austenitkristallkorngröße entsprechend der Kristallkorngrößenzahl in der folgenden Tabelle 3 wurden unter Verwendung der Walzblöcke aus Beispiel 1 hergestellt, und mit Bestandteilzusammensetzungen des Beispiels 4 und Vergleichsbeispiels 2, die in Tabelle 1 gezeigt sind, während die Erwärmtemperatur beim Heißwalzen auf 1100 bis 1250°C, die Walztemperatur auf 750 bis 950°C, unter Kühlbedingungen im Bereich der Luftstoßkühlung, atmosphärischen Kühlung bzw. Topfkühlung geregelt waren. Die folgenden Testmuster zum Messen einer Risse entwickelnden Energie wurden aus den Testmaterialien hergestellt und der folgende Test für eine Risse entwickelnde Energie wurde durchgeführt. Die Resultate sind in den folgenden Tabellen 3 gezeigt. Die ehemalige Austenitkristallkorngröße wurde mittels eines optischen Mikroskops nach dem Polieren und Ätzen des Bodenquerschnitts einer Einkerbung in das Testmuster gemessen.
Test für Risse entwickelnde Energie

Teststücke aus JIS mit 2 mm U-Einkerbungen wurden bei einer Oberflächenerwärmungstemperatur von 900 bis 1100°C für einen Erwärmungszeitraum von 2 bis 5 Sekunden mittels einer Hochfrequenz-Wärmevorrichtung erwärmt, dann mit Wasser gekühlt und bei 170°C gehärtet. Die Risse entwickelnde Energie wurde unter Verwendung der Testmuster mittels eines Shalpytest-Messgeräts gemessen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3

	Nr.	getestetes Material	Ehemalige Austenitkristall-korngrößenzahl in der mittels Hochfrequenz gehärteten Schicht	Risse entwickelnde Energie (J)
Beispiel der Erfindung	11	Beispiel 4	8,6	15
Beispiel der Erfindung	12	Beispiel 4	10,5	20
Vergleichsbeispiel	11	Vergleichs-Beispiel 2	5,5	6
Vergleichsbeispiel	12	Vergleichs-Beispiel 2	8,5	9

Gemäß den Ergebnissen in Tabelle 3 war die Risse entwickelnde Energie 15 J und 20 J in Beispielen 11 und 12 der Erfindung mit der ehemaligen Austenitkristallkorngröße von 8,6 und 10,5.
Im Gegensatz dazu, in Vergleichsbeispielen 11 und 12 mit der ehemaligen Austenitkristallkorngröße von 5,5 und 8,5 (Vergleichsbeispiel 2 als das Testmaterial weist einen höheren Si-Gehalt als der in der Erfindung auf und einen höheren Ceq als der in der Erfindung), war die Risse entwickelnde Energie 6 J und 9 J, was die Hälfte oder weniger als diejenige des Beispiels der Erfindung ist.
Beispiel 3
Testmuster mit jeweils 53 mm Durchmesser und 5 mm Dicke wurden aus den Pellets, die in Beispiel 1 hergestellt wurden und die Bestandteilzusammensetzungen der Beispiele 1, 3, 4, 6 und d7 und Vergleichsbeispiele 1, 4 und 6 in Tabelle 1 aufweisen, hergestellt. Nachdem die Testmuster einer Hochfrequenzhärtung und Vergüten ausgesetzt wurden, wurde die Oberflächenhärte gemessen und das Ausmaß des Verschleißes wurde durch das folgende Verfahren gemessen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 4 gezeigt.
Messtest für Verschleißverlust

Ein Verschleißtest wurde unter Verwendung der oben beschriebenen Testmuster mittels eines Verschleißtesters vom Typ „Stift-auf-Platte” unter den Bedingungen einer Belastung von 2 MPa bei einer Umfangsdrehgeschwindigkeit von 1 m/min, bei Trockenschmierung und unter Verwendung eines passenden Stiftes aus gehärtetem/vergütetem Material (SUJ2) (62 HRC) durchgeführt und dann wurde der Verschleißverlust des Testmaterials gemessen. Tabelle 4

	Nr.	Testmaterial	Oberflächenhärte des mittels Hochfrequenz gehärteten Materials (HV)	Verschleißverlust (g)
Beispiel der Erfindung	13	Beispiel 1	720	0,002
	14	Beispiel 3	650	0,004
	15	Beispiel 4	715	0,003
	16	Beispiel 6	718	0,002
	17	Beispiel 7	724	0,002
Vergleichsbeispiel	13	Vergleichsbeispiel 1	580	0,043
	14	Vergleichsbeispiel 4	570	0,045
	15	Vergleichsbeispiel 6	540	0,060

Gemäß den Ergebnissen in Tabelle 4 war in den Beispielen der Erfindung die Oberflächenhärte des mittels Hochfrequenz gehärteten Materials 650 bis 724 HV und der Verschleißverlust war 0,002 bis 0,004 g.
Andererseits war in den Vergleichsbeispielen die Oberflächenhärte 540 bis 580 HV und der Verschleißverlust war 0,043 bis 0,060 g, was 10 zehnmal so viel ist wie in den Beispielen der Erfindung.
Mit der oben beschriebenen Zusammensetzung kann der Stahl zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle gemäß der Erfindung eine ausgezeichnete Wirkung zur Verfügung stellen, nämlich geringeres Ablösen beim Abwälzfräsen, höhere Oberflächenhärte, höhere Kerbschlagzähigkeit und Torsionsfestigkeit nach der Hochfrequenzhärtung, und er weist geringere Wärmebehandlungsbelastungen auf während der Hochfrequenzhärtung.
Weiterhin kann das Verfahren zur Herstellung des Stahls zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle gemäß der Erfindung mit der oben beschriebenen Zusammensetzung ausgezeichnete Wirkungen zur Verfügung stellen, indem es in der Lage ist, Stähle herzustellen zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle, die ein geringeres Ablösen beim Abwälzfräsen, eine höhere Oberflächenhärte, höhere Kerbschlagzähigkeit und Torsionsfestigkeit nach der Hochfrequenzhärtung und geringere Wärmebehandlungsbelastungen während der Hochfrequenzhärtung aufweisen.

Claims

Stahl zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle, umfassend, auf der Basis von Gewichts%: C: 0,45–0,55%, Si: 0,10–0,50%, Mn: 0,50–1,20%, P: 0,025% oder weniger, S: 0,025% oder weniger, Mo: 0,15–0,25%, B: 0,0005–0,005%, Ti: 0,005–0,10% und N: 0,015% oder weniger, wobei er die folgenden Gleichungen 1 und 2 mit dem Gleichgewicht von Fe und unvermeidlichen Verunreinigungen erfüllt: 0,80 ≤ Ceq ≤ 0,95 Gleichung 1 wobei Ceq = C + 0,07 × Si + 0,16 × Mn + 0,20 × Cr + 0,72 × No f-Wert ≤ 1,0 Gleichung 2 wobei f-Wert = 2,78 – 3,2 × C + 0,05 × Si – 0,60 × Mn – 0,55 × Cu – 0,80 × Ni – 0,75 × Cr
Stahl zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle, umfassend, auf der Grundlage von Gewichts%: C: 0,45–0,55%, Si: 0,10–0,50%, Mn: 0,50–1,20%, P: 0,025% oder weniger, S: 0,025% oder weniger, Mo: 0,15–0,25%, B: 0,0005–0,005%, Ti: 0,005–0,10% und N: 0,015% oder weniger, wobei er die folgenden Gleichungen 1 und 2 mit dem Gleichgewicht von Fe und unvermeidlichen Verunreinigungen erfüllt, in welchen das Gefüge nach dem Heißwalzen eine Dreiphasenstruktur aus Ferrit + Perlit + Bainit ist, das Ferritflächenverhältnis ist 40% oder weniger und die maximale Perlitblockgröße ist 100 μm oder weniger in einem kreisäquivalenten Durchmesser, die Härte nach dem Heißwalzen beträgt 24 bis 30 HR, die Oberflächenhärte nach der Hochfrequenzhärtung ist 650 HV oder höher, und die ehemalige Austenitkristallkorngröße in der gehärteten Schicht liegt bei 8 oder mehr im Hinblick auf die Korngrößenzahl; 0,80 ≤ Ceq ≤ 0,95 Gleichung 1 wobei Ceq = C + 0,07 × Si + 0,16 × Mn + 0,20 × Cr + 0,72 × Mo f-Wert ≤ 1,0 Gleichung 2 wobei f-Wert = 2,78 – 3,2 × C + 0,05 × Si – 0,60 × Mn – 0,55 × Cu – 0,80 × Ni – 0,75 × Cr
Stahl zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei eines oder mehrere der Elemente Cu: 0,50% oder weniger; Ni: 0,50% oder weniger und Cr: 0,50% oder weniger an Stelle eines Bereichs des Gleichgewichts von Fe, wie oben beschrieben, enthalten ist.
Stahl zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eines oder mehrere der Elemente Nb: 0,20% oder weniger; Ta: 0,20% oder weniger, Zr: 0,10% oder weniger und Al: 0,10% oder weniger an Stelle eines Bereichs des Gleichgewichts von Fe, wie oben beschrieben, enthalten ist.
Verfahren zur Herstellung eines Stahls zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle, in welchem ein Stahl umfasst, auf der Grundlage von Gewichts%: C: 0,45–0,55%, Si: 0,10–0,50%, Mn: 0,50–1,20%, P: 0,025% oder weniger, S: 0,025% oder weniger, Mo: 0,15–0,25%, B: 0,0005–0,005%, Ti: 0,005–0,10% und N: 0,015% oder weniger, und wobei er die folgenden Gleichungen 1 und 2 mit dem Gleichgewicht von Fe und unvermeidlichen Verunreinigungen erfüllt: hergestellt oder bearbeitet unter einem Zugverhältnis bei einer Bereichsverringerung von 10% oder mehr, bei einer Temperatur von 850°C oder niedriger: 0,80 ≤ Ceq ≤ 0,95 Gleichung 1 wobei Ceq = C + 0,07 × Si + 0,16 × Mn + 0,20 × Cr + 0,72 × Mo f-Wert ≤ 1,0 Gleichung 2 wobei f-Wert = 2,78 – 3,2 × C + 0,05 × Si – 0,60 × Mn – 0,55 × Cu – 0,80 × Ni – 0,75 × Cr
Verfahren zur Herstellung eines Stahls zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle nach Anspruch 5, wobei eines oder mehrere der Elemente Cu: 0,50% oder weniger; Ni: 0,50% oder weniger und Cr: 0,50% oder weniger an Stelle eines Bereichs des Gleichgewichts von Fe enthalten ist.
Verfahren zur Herstellung eines Stahls zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle nach Anspruch 5 oder 6, wobei eines oder mehrere der Elemente Nb: 0,20% oder weniger; Ta: 0,20% oder weniger, Zr: 0,10% oder weniger und Al: 0,10% oder weniger an Stelle eines Bereichs des Gleichgewichts von Fe enthalten ist.