DE19756202A1

DE19756202A1 - Verfahren zur Verbesserung des Ermüdungswiderstandes einer Komponente durch Zuschneiden des Druckrestspannungsprofils und Gegenstand

Info

Publication number: DE19756202A1
Application number: DE19756202A
Authority: DE
Inventors: Kenneth W Burris; Thomas E Clements
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1996-12-18
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 1998-06-25
Also published as: US5841033A; JPH10195630A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Verbesserung des Ermüdungswiderstandes ei ner einsatzgehärteten Komponente und insbesondere auf ein Verfahren zur Verbesserung des Ermüdungswiderstandes durch Zuschneiden eines vorbestimmten Druckrestspannungs profils im Falle einer einsatzgehärteten Komponente durch selektives Aufbringen eines Kohlenstoffgradienten.

Lager, Raupenrollen, Zahnräder, Buchsen und andere Roll-, Gleit-, Biege- und Abnutzungskomponenten, die in Getrie ben und Unterfahrgestellen von Erdbewegungsmaschinen ver wendet werden, müssen eine Kombination von einer oder mehrerer der folgenden Größen besitzen: Abriebswider stand, Bruchfestigkeit bzw. Bruchzähigkeit und Wider standsfähigkeit gegen Biegen und Pitting- bzw. Grübchen bildungsermüdung. Im Falle von Zahnrädern beeinflussen beispielsweise viele Variablen den Biegeermüdungswider stand, wie beispielsweise die Stahlzusammensetzung, die Stahlreinheit, die Wärmebehandlung, die Mikrostruktur, die Oberflächenendbearbeitung, die Zahngeometrie und die daraus resultierenden Beanspruchungen.

Ein Verfahren zur Steigerung der Haltbarkeit und Zuver lässigkeit von diesen Stahlkomponenten ist die Einsatz härtung. Eine Einsatzhärtung hat zur Folge, daß die Kom ponente eine härtere Außenfläche und einen relativ wei cheren Innenkern besitzt und wird durch Verfahren, wie beispielsweise Aufkohlung (Carburisierung) durchgeführt wird.

Es ist bekannt, daß bei der Aufkohlung von Stahlkom ponenten das Kohlenstoffpotential die Martensit-Start- (Ms) Temperatur steuert. Ein diffusionsgesteuerter Pro zeß, wie beispielsweise die Aufkohlung ergibt typischer weise ein hohes Kohlenstoffniveau an der Oberfläche des Artikels. Dieses Kohlenstoffniveau an der Oberfläche ver ringert sich allmählich auf ein niedrigeres Kohlenstoff niveau im Kern des aufgekohlten Artikels. Das oben be schriebene Kohlenstoffgradientenprofil hat zur Folge, daß der Artikel ein Ms-Gradientenprofil besitzt, wobei der Martensit-Start bzw. die Ms-Temperatur an der Oberfläche geringer ist und allmählich im Kern des Artikels steigt.

Es ist auch bekannt, daß Residual- bzw. Restspannungen in den wärmebehandelten Teilen erzeugt werden, und zwar vom volumetrischen Anstieg, der auftritt, wenn sich das Austenit während des Abschreckens zum Martensit umwan delt. Aufgekohlte Komponenten erzeugen Druckrestspannun gen wegen der unterschiedlichen Veränderung der Ms- Temperatur durch das Einsetzen.

Bis zur Forschungsarbeit, die durch die Erfinder der vor liegenden Erfindung ausgeführt wurde, wurde nicht voll ständig verstanden, wie die Größe des Gegestandes, die Einsatztiefe, die Materialhärtbarkeit und der Oberflä chenkohlenstoff Druckrestspannungsprofile in einer ein satzgehärteten Komponente beeinflussen. Es war auch nicht gut bekannt, welches spezielle Kriterium beträchtlich die Restspannungen beeinflußt. Diese Unfähigkeit, das Ermü dungsverhalten bzw. die Ermüdungsleistung einer Kompo nente zu verstehen und zuzuschneiden, um zu ermöglichen, daß die Komponente ein vorbestimmtes Ausmaß an resultie render Netto-Spannung zeigt, und zwar ansprechend auf ei ne unterworfene bzw. auftretende Ablenkung oder Bela stung, ist lange Zeit eine Beschränkung bei der Konstruk tion von solchen Getriebe- und Unterfahrgestellkompo nenten bezüglich einer gesteigerten Ermüdungslebensdauer gewesen.

Es ist wünschenswert gewesen, die Druckrestspannung an der Oberfläche einer Getriebe- und/oder Unterfahrge stellkomponente zu verringern, um das Kontaktgebiet bzw. die Kontaktfläche abzuflachen. Es ist auch wünschenswert gewesen, das Druckrestspannungsprofil einer Komponente zuzuschneiden, um den aufgebrachten Ermüdungsspannungen entgegenzuwirken, die auf die Komponente wirken, und da durch die daraus resultierenden Netto-Spannungen zu sen ken, denen die Komponente unterworfen ist, wodurch der Ermüdungswiderstand der Komponente verbessert wird. In anderen Worten ist es wünschenswert gewesen, Komponenten zu bilden, die zugeschnitten sind, um vorbestimmte Aus maße an Druckrestspannungen gegenüber der Tiefe der Kom ponente zu zeigen, um Komponenten zu erhalten, die ein erwünschtes Ausmaß an Ermüdungswiderstandsverbesserung zeigen.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der Probleme zu überwinden, die bei der Kon struktion von ermüdungsbeständigen Komponenten an getroffen wurden, wie oben dargelegt.

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung des Ermüdungswiderstandes ei ner einsatzgehärteten Komponente mit der Einsatzdicke "t" vorgesehen, die einer oder mehrerer der folgenden Bela stungen unterworfen ist: Rollen, Gleiten, Abrasion bzw. Abrieb, Biegung und Pitting bzw. Ausbruch. Die Größe der Ermüdungsfestigkeit an der Oberfläche der Komponente und an einer Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" der Komponente wird ansprechend auf eine Last bestimmt, der die Komponente unterworfen ist. Die Größe der aufgebrachten Ermüdungsspannungen, die auf die Kompo nente an der Oberfläche und an der Vielzahl von vorge wählten Punkten entlang der Dicke "t" der Komponente wir ken, wird bestimmt. Ein Druckrestspannungsprofil wird von der Oberfläche zur Dicke "t" der Komponente zuge schnitten. Das Profil besteht aus einem oberen Druckrest spannungsprofil, einem unteren Druckrestspannungsprofil und einer Vielzahl von Druckrestspannungsprofilen inner halb des Gebietes, welches zwischen den oberen und den unteren Druckrestspannungsprofilen begrenzt wird. Die Druckrestspannungen an der Oberfläche und an der Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" besitzen jeweils eine ausreichende Größe, um eine daraus resul tierende Netto-Spannung zu erreichen, die mindestens 25% niedriger ist als die Ermüdungsfestigkeit an der Oberflä che und der entsprechenden Vielzahl von vorgewählten Punkten.

Gemäß eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung wird eine einsatzgehärtete Komponente mit verbessertem Ermüdungswiderstand offenbart, die einer oder mehreren der folgenden Beanspruchungen unterworfen ist: Rollen, Gleiten, Abrasion bzw. Abrieb, Biegung und Pitting bzw. Ausbruch. Die Komponente besitzt eine Oberfläche und eine Einsatzdicke "t". Ein Druckrestspannungsprofil wird von der Oberfläche zur Dicke "t" der Komponente zugeschnit ten. Die Druckrestspannungen an der Oberfläche und an der Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" besitzen jeweils eine ausreichende Größe, um eine daraus resultierende Netto-Spannung zu erreichen, die mindestens 25% niedriger ist als die Ermüdungsfestigkeit an der Oberfläche und der entsprechenden Vielzahl von vorgewähl ten Punkten.

Gemäß noch eines weiteren Aspektes der vorliegenden Er findung ist ein einsatzgehärtetes Zahnrad mit verbesser tem Ermüdungswiderstand offenbart.

Fig. 1 ist eine graphische Veranschaulichung des her kömmlichen Kohlenstoffgradientenprofils einer ein satzgehärteten Komponente;

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der konventionell erreichten Druckrestspannungen in der einsatzge härteten Komponente der Fig. 1;

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des zugeschnit tenen Kohlenstoffgradientenprofils einer ein satzgehärteten Komponente gemäß eines beispiel haften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Er findung; und

Fig. 4 ist eine graphische Veranschaulichung des zuge schnittenen Druckrestspannungsprofils in der ein satzgehärteten Komponente der Fig. 3 gemäß eines beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegen den Erfindung.

Wie in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen ver wendet, beschreibt der Ausdruck "Rollen" den Kontakt zwi schen zwei Körpern, wobei die Bewegung von einer Oberflä che relativ zur anderen Oberfläche mit einer Linearge schwindigkeit genauso wie mit einer Drehgeschwindigkeit beschrieben werden kann. Der Ausdruck "Rollen" umfaßt Kontakte, wo die Oberflächengeschwindigkeiten am Kontakt punkt gleich und parallel sind, wie beispielsweise in An ti-Reibungs-Lagern. Der Ausdruck "Rollen" umschließt auch Kontakte, wo eine beträchtliche Differenz der Oberflä chengeschwindigkeiten auf Grund einer Gleitkomponente des Kontaktes auftritt, wie beispielsweise bei Zahnrädern.

Wie in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen ver wendet, beschreibt der Ausdruck "Gleiten" den Kontakt zwischen zwei Körpern, wobei die Bewegung von einer Ober fläche relativ zur zweiten Oberfläche mit einem Geschwin digkeitsvektor beschrieben wird, der mit der Kontakt schnittstelle zusammenfällt. Brennstoffeinspritz vorrichtungsstößel, Trommelanordnungen und Lageranordnun gen sind einige Beispiele von Komponenten, die Gleitkon takten unterworfen sind.

Wie in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen ver wendet, beschreibt der Ausdruck "Abrasion" bzw. "Abrieb" einen Kontakt zwischen zwei Oberflächen, wobei Material von einer Oberfläche durch die kombinierte Kraft und Ge schwindigkeit der zweiten Oberfläche entfernt wird. Diese Materialentfernung kann groß sein, beispielsweise bei der abrasiven bzw. abreibenden Abnutzung von GETs und Erdbe arbeitungsvorrichtungen und kann klein und örtlich sein, wie beispielsweise beim Eingreifen von Zahnradzähnen.

Wie in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen verwen det, beschreibt der Ausdruck "Biegen" das Kontaktgebiet zwischen zwei Körpern, wo eine Last in Kantilever- bzw. Hebelart auf die Komponente aufgebracht wird, was daraus resultierende Spannungen in der Komponente weg vom Kon taktgebiet erzeugt. Beispielsweise sind die GETs, wie beispielsweise Schaufelspitzen Biegekontakten unter worfen.

Der Ausdruck "Aufkohlung" (Carburisierung), "Aufkohlen" und "Kohlenstoffpotential" besitzt, wie hier verwendet, die gleiche Bedeutung wie allgemein vom Fachmann für den thermo-chemischen Prozeß der Wärmebehandlung und der Ein satzhärtung durch Aufkohlung verstanden wird. Die Auf kohlung bzw. Carburisierung ist eine wohlbekannte Technik und muß hier nicht weiter im Detail beschrieben werden.

Der Ausdruck "Einsatz", wie er hier verwendet wird, ist die gehärtete Außenhülle einer Komponente. Der gehärtete Einsatz kann erhalten werden durch Aufkohlung oder durch Ablagerung eines funktionell gradienten Materials. Der Ausdruck "Einsatzdicke t" bedeutet den Abstand unter der Oberfläche des Stahls, wo der Kohlenstoffgehalt im Auste nit im wesentlichen gleich dem Kohlenstoffgehalt in der Basisstahlzusammensetzung ist.

Wie in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen ver wendet, bedeutet der Ausdruck "funktionell gradiente Ma terialien" ein Material, welches eine kontinuierlich va riierende Zusammensetzung und/oder Mikrostruktur von ei ner Grenze zur anderen besitzt.

Der Ausdruck "thermisches Sprühen", wie er hier verwendet wird, bedeutet die thermischen Sprühtechniken, wie bei spielsweise das thermische Sprühen mit Oxyacetylenflamme, das gasstabilisierte Plasmasprühen, das wasserstabili sierte Plasmasprühen, Verbrennungsthermosprühen und Hoch geschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoffsprühen (HVOC). Es sei bemerkt, daß die thermischen Sprühtechniken nicht auf die oben aufgezählten Verfahren eingeschränkt sind, und daß andere alternative thermische Sprühtechniken, die dem Fachmann bekannt sind, eingesetzt werden können. Eine technische Veröffentlichung betitelt "Thermal Spray Processing of FGMs", von S. Sampath, H. Herman, N. Shimo da und T. Saito, veröffentlicht in MRS Bulletin, Seiten 27-31, Januar 1995, welches hier durch Bezugnahme aufge nommen sei, offenbart ein thermisches Sprühverfahren bei der Ablagerung von FGMs bzw. funktionell gradienten Mate rialien. Ein weiterer technischer Artikel betitelt "Advanced Thermal Spray Coatings for Corrosion and Wear Resistance" von R. C. Rucker, Jr., und A. A. Ashary, ver öffentlicht in Advances in Coatings Technologies for Cor rosion and Wear Resistant Coatings, 1995, Seiten 89-98, beschreibt verschiedene thermische Sprühprozesse und sei hier durch Bezugnahme aufgenommen.

Der Ausdruck "gebunden", wie er hier verwendet wird, be deutet eine Bindung einer thermisch gesprühten Be schichtung auf einem Substrat auf Grund von mechanischer Verriegelung mit Rauhigkeiten auf der Oberfläche des Substrates. Diese mechanische Verbindung bzw. Verriege lung wird erhalten durch Aufrauhen der Oberfläche des Substrates, beispielsweise durch Sandstrahlen. Die Ver bindungs- bzw. Bindungsfestigkeiten der Beschichtungen werden durch die von ASTM empfohlene Praxis C633 gemes sen.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung weist ein Verfahren zur Verbesserung des Ermü dungswiderstandes einer einsatzgehärteten Komponente mit einer Einsatzdicke "t", die einer oder mehrerer der fol genden Belastungen unterworfen ist: Rollen. Gleiten, Ab rasion bzw. Abrieb, Biegung und Pitting bzw. Ausbruch, die folgenden Schritte auf.

Die Größe einer Last, die auf eine Komponente wirkt, wird bestimmt. Dann wird die Größe der Ermüdungsfestigkeit an der Oberfläche der Komponente und an einer Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" der Komponente bestimmt, und zwar ansprechend auf eine Last, der die Komponente unterworfen ist. Dies kann durchgeführt werden durch verschiedene Mittel, die dem Fachmann bei der Be stimmung von Ermüdungseigenschaften bekannt sind. Die Größe der aufgebrachten Ermüdungsspannungen, die auf die Komponente an der Oberfläche und an der Vielzahl von vor gewählten Punkten entlang der Dicke "t" der Komponente wirken, wird bestimmt. Verfahren, wie beispielsweise Fi nite Elemente Analyse und die Röntgendiffraktion werden für eine solche Bestimmung verwendet. Der Fachmann kann geeignete Ermüdungsspannungsprofile für eine gewisse Art einer Kontaktsituation ohne unmäßige Experimente entwic keln, und zwar einfach durch Ausführen einer Finite Ele mente Analyse (FEA) der Komponente in einer dynamischen Lastsituation durch Computersimulation.

Ein Druckrestspannungsprofil wird von der Oberfläche zur Dicke "t" der Komponente zugeschnitten. Das Profil be steht aus einem oberen Druckrestspannungsprofil, einem un teren Druckrestspannungsprofil und einer Vielzahl von Druckrestspannungsprofilen innerhalb des Gebietes, wel ches zwischen den oberen und unteren Druckrestspannungs profilen eingeschlossen ist. Es ist wichtig, daß die Druckrestspannungen, die in der Komponente an der Ober fläche und entlang der Einsatztiefe aufgebaut werden, derart sind, daß an irgendeinem gegebenen Punkt in der Einsatztiefe die Gesamtsumme der Druckrestspannungen und der aufgebrachten Ermüdungsspannungen geringer als die bestimmte Ermüdungsfestigkeit an diesem Punkt ist. Somit ist es vorzuziehen, daß die Druckrestspannungen an der Oberfläche und an der Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" jeweils eine Größe besitzen, die ausreicht, um eine resultierende Netto-Spannung zu er reichen, die mindestens 25% niedriger ist als die Er müdungsfestigkeit an der Oberfläche und der entspre chenden Vielzahl von vorgewählten Punkten.

Der Ausdruck "resultierende Netto-Spannung", wie er hier verwendet wird, ist die Gesamtsumme der Druckrestspannung und der aufgebrachten Ermüdungsspannung an einem gegebe nen Punkt.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das obere Druckrestspannungsprofil aus -400 Mpa an der Oberflä che; -50 Mpa bei 40% der Dicke "t"; 0,0 Mpa bei 50% der Dicke "t" und 0,0 Mpa bei 100% der Dicke "t", und das un tere Druckrestspannungsprofil besteht aus -600 Mpa an der Oberfläche; -100 Mpa bei 40% der Dicke "t"; -50 Mpa bei 50% der Dicke "t"; und 0,0 Mpa bei 100% der Dicke "t". Es ist wünschenswert, eine Druckrestspannung von mindestens -400 Mpa an der Oberfläche zu haben, damit die Komponente einen hohen Ermüdungswiderstand zeigt, insbesondere einen Biege- und Ausbruch- bzw. Pitting-Ermüdungswiderstand.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung wird das Druckrestspannungsprofil erreicht durch Aufprägen eines Kohlenstoffgradienten in dem Einsatz bzw. Einsatzgebiet. Der Kohlenstoffgradient kann aufgeprägt werden durch Steuerung des Kohlenstoffpotentials während der Aufkohlung. Vorzugsweise wird das Kohlenstoffpotenti al dem Einsatz aufgeprägt durch Bilden des Einsatzes aus einer FGM-Beschichtung und das Zumessen von präzisen Koh lenstoffmengen, während das FGM-Material thermisch auf die Komponente gesprüht wird, um die harte FGM-Beschich tung oder einen "Einsatz" zu bilden. Das FGM wird vor zugsweise thermisch durch Plasmasprühen aufgesprüht. Eine FGM-Beschichtung wird auf der Oberfläche geformt. Die FGM-Beschichtung besitzt wünschenswerterweise eine Dicke im Bereich von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 20 mm und vorzugsweise von 0,5 mm bis 2 mm. Eine Dicke von weniger als 0,5 mm ist unerwünscht, da sie zu dünn ist, um ein Kohlenstoffprofil durch Variieren des Kohlenstoffes in der FGM-Zusammensetzung zuzuschneiden. Eine Dicke von mehr als 20 mm ist unerwünscht, da ein übermäßig dicker Einsatz die Ermüdungslebensdauer verringern kann.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das obere Koh lenstoffgradientenprofil aus 0,8 Gew.-% Kohlenstoff an der FGM-Beschichtungsoberfläche, d. h. der "neuen" Ober fläche; 1,0 Gew.-% Kohlenstoff bei 20% der Dicke "t", 0,4 Gew.-% Kohlenstoff bei 75% der Dicke "t"; und 0,3 Gew.-% Kohlenstoff bei 100% der Dicke "t"; und das untere Koh lenstoffgradientenprofil besteht aus 0,5 Gew.-% Kohlen stoff an der Oberfläche; 0,7 Gew. Kohlenstoff bei 20% der Dicke "t"; 0,2 Gew.-% Kohlenstoff bei 75% der Dicke "t"; 0,2 Gew.-% Kohlenstoff bei 100% der Dicke "t".

Die gewöhnlichen Schritte der Reinigung der Komponenten oberfläche, wie beispielsweise eine Reinigung durch Lö sungsmittel, Entfettung, Sandstrahlen, chemisches Atzen und Ultraschallreinigung werden vor dem thermischen Sprü hen der FGM-Beschichtung oder des Einsatzes ausgeführt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung kann das FGM bzw. funktionell gradiente Material aus Metall, Keramik oder Cermets gebildet werden. Die verwendeten Keramiken können eine der folgenden sein: Ti tancarbid (TiC), Wolframcarbid (WC), Cr₂C₃, BC₄ und Mi schungen davon. Das Metall ist wünschenswerterweise eines der folgenden: SAE 4000, 4100, 4360, 4600, 8600, 8800 oder 9300 Stähle oder Mischungen davon. Beispiele von Cermets weisen Metall und Keramiken auf, wie beispiels weise Nickel-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen (NiCrAlY), Nickel-Chrom (NiCr) mit teilweise stabilisier tem Zirkonoxid (PSZ), NiCrAlY mit ZrO₂ und Y₂O₃, Nickel mit Al₂O₃, Wolframcarbid und Kobalt-Chrom-Carbid.

Das folgende Beispiel A veranschaulicht den Prozeß der vorliegenden Erfindung, wobei eine einsatzgehärtete Kom ponente, wie beispielsweise ein Zahnrad thermisch ge sprüht bzw. besprüht wird, wünschenswerterweise mit einem SAE der Güte 4600, um einen gebundenen Stahleinsatz (case) von ungefähr 1,3 mm Dicke zu bilden.

Beispiel A

Die Zusammensetzung des SAE-4600-Stahls ist wie folgt in Gewichtsprozent: Si 0,005%, Mn 0,17%, P 0,006%, S 0,015%, Cr 0,03%, Ni 1,78%, Mo 0,54%, Cu 0,09%, Al 0%, Co 0%, V 0%, W 0%, N weniger als 0,001%, O 1100 ppm und der Rest Eisen. Diese Stahlzusammensetzung wird herge stellt von Hoeganaes Corporation unter dem Handelsnamen "Ancorsteel 4600". Bei dieser Stahlzusammensetzung wird eine präzise Kohlenstoffmenge zugegeben, während man die Einsatzdicke durch thermisches Sprühen aufbaut, um ein Kohlenstoffgradientenprofil für den FGM-Einsatz auf zuprägen, wie in Fig. 3 gezeigt und um resultierend ein zugeschnittenes Druckrestspannungsprofil aufzuprägen, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Ergebnisse der Fig. 3 und der Fig. 4 werden mit den Ergebnissen in Fig. 1 und Fig. 2 vergli chen, die einen herkömmlichen Kohlenstoffgradienten in einer einsatzgehärteten Komponente bzw. den resultie renden Druckrestspannungen darstellen. Die in Fig. 4 dar gestellte Komponente zeigt gesteigerte Ermüdungsle bensdauer, insbesondere eine Biege- und Ausbruchermü dungslebensdauer im Vergleich zu der in Fig. 2 darge stellten Komponente.

Die vorliegende Erfindung ist nützlich, um ermüdungsbe ständige Komponenten herzustellen, die konstant einer oder mehreren der folgenden Belastungen unterworfen sind: Roll-, Gleit-, Abriebs- und Biegekontakte. Solche Kom ponenten sind typischerweise verschiedene Arten von La gern und Zahnrädern, die bei Fahrzeugunterfahrgestellen, Motoren und Getrieben verwendet werden; bei Raupenrollen und bei Raupenverbindungen für die Raupen von Raupentrak toren und Erdbewegungsausrüstungsgegenständen; Nockenwel len und Hebel- bzw. Schwenkarme für Motoren, Planetenwel len für Planetengetriebe und GETs.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung kön nen aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Ein Verfahren zur Verbesserung des Ermüdungswiderstandes einer einsatzgehärteten Komponente mit einer Einsatzdicke "t", die einer oder mehreren der folgenden Belastungen unterworfen ist: Rollen, Gleiten, Abrieb, Biegung und Pitting, weist die Bestimmung der Größe der Ermüdungs festigkeit an der Oberfläche und an einer Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" einer Kompo nente auf. Die aufgebrachten Ermüdungsspannungen, die auf die Komponente an der Oberfläche und an der Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" wirken, werden auch bestimmt. Dann wird ein Druckrestspannungsprofil von der Oberfläche zur Dicke "t" der Komponente zugeschnit ten. Die Druckrestspannungen an der Oberfläche und an der Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" besitzen jeweils eine ausreichende Größe, um eine resul tierende Netto-Spannung zu erreichen, die mindestens 25% niedriger ist als die Ermüdungsfestigkeit an der Oberflä che und der entsprechenden Vielzahl von vorgewählten Punkten.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung des Ermüdungswider standes einer einsatzgehärteten Komponente mit einer Einsatzdicke "t", die einer oder mehreren der fol genden Belastungen unterworfen ist: Rollen, Glei ten, Abrasion bzw. Abrieb, Biegung und Pitting bzw. Ausbruch, wobei das Verfahren folgende Schritte auf weist:
Bestimmung der Größe einer Last, die auf die erwähn te Komponente wirkt;
Bestimmung der Größe der Ermüdungsfestigkeit an der Oberfläche der Komponente und an einer Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" der Kom ponente ansprechend auf die Last;
Bestimmung der Größe der aufgebrachten Ermüdungs spannungen, die auf die Komponente an der Oberfläche der Komponente und an der Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" der Komponente wirken;
Zuschneiden eines Druckrestspannungsprofils von der Oberfläche zur Dicke "t" der Komponente bestehend aus:
einem oberen Druckrestsspannungsprofil,
einem unteren Druckrestspannungsprofil und
einer Vielzahl von Druckrestspannungsprofilen inner halb des Gebietes, welches zwischen den oberen und unteren Druckrestspannungsprofilen eingeschlossen ist;
wobei die Druckrestspannungen an der Oberfläche und an der Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" jeweils eine ausreichende Größe haben, um eine resultierende Netto-Spannung zu erreichen, die mindestens 25% niedriger als die Ermüdungsfestigkeit an der Oberfläche und der entsprechenden Vielzahl von vorgewählten Punkten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das obere Druck restspannungsprofil aus folgendem besteht:
-400 Mpa an der Oberfläche;
-50 Mpa bei 40% der Dicke "t";
0,0 Mpa bei 50% der Dicke "t"; und
0,0 Mpa bei 100% der Dicke "t";
und wobei das untere Druckrestspannungsprofil aus folgendem besteht:
-600 Mpa an der Oberfläche;
-100 Mpa bei 40% der Dicke "t";
-50 Mpa bei 50% der Dicke "t"; und
0,0 Mpa bei 100% der Dicke "t".

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Druck restspannungsprofil zugeschnitten wird durch Aufprä gen bzw. Einrichten eines Kohlenstoffgradienten an der Oberfläche und der Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Tiefe.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei der Kohlenstoff gradient aufgeprägt wird durch Veränderung des Koh lenstoffpotentials der Aufkohlungsatmosphäre während der Aufkohlung (Carburisierung) der Komponente.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei der Kohlenstoff gradient aufgeprägt wird durch Beschichtung der Kom ponente mit einem funktionell gradienten Material mit vorgewähltem Kohlenstoffgradienten durch einen Prozeß bzw. ein Verfahren, welches folgende Schritte aufweist:
thermisches Sprühen eines funktionell gradienten Ma terials (FGM) an der Oberfläche und Ausbilden einer FGM-beschichteten Komponente mit einer neuen Ober fläche, wobei die FGM-Beschichtung eine Dicke "t" und ein Kohlenstoffgradientenprofil von der neuen Oberfläche zur Dicke "t" besitzt, welches aus fol gendem besteht:
ein oberes Kohlenstoffgradientenprofil, ein unteres Kohlenstoffgradientenprofil und eine Vielzahl von Kohlenstoffgradientenprofilen innerhalb des Gebie tes, welches zwischen den oberen und unteren Koh lenstoffgradientenprofilen eingeschlossen ist;
wobei das obere Kohlenstoffgradientenprofil aus fol gendem besteht:
0,8 Gew.-% Kohlenstoff an der neuen Oberfläche;
1,0 Gew.-% Kohlenstoff bei 20% der Dicke "t";
0,4 Gew.-% Kohlenstoff bei 75% der Dicke "t";
0,3 Gew.-% Kohlenstoff bei 100% der Dicke "t";
und wobei das unter Kohlenstoffgradientenprofil aus folgendem besteht:
0,5 Gew.-% Kohlenstoff an der neuen Oberfläche;
0,7 Gew.-% Kohlenstoff bei 20% der Dicke "t";
0,2 Gew.-% Kohlenstoff bei 75% der Dicke "t";
0,2 Gew.-% Kohlenstoff bei 100% der Dicke "t".

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, wobei das FGM bzw. funktionell gradiente Material aus den folgenden ausgewählt wird: Keramiken, Metalle, Cermets oder Mischungen davon.

7. Einsatzgehärtete Komponente mit verbessertem Ermü dungswiderstand, mit einer Einsatzdicke "t", die ei ner oder mehrerer der folgenden Belastungen un terworfen ist; Rollen, Gleiten, Abrieb, Biegung und Pitting bzw. Ausbruch, wobei die Komponente folgen des aufweist:
ein Druckrestspannungsprofil von der Oberfläche zur Dicke "t" bestehend aus folgendem:
ein oberes Druckrestspannungsprofil,
ein unteres Druckrestspannungsprofil und
eine Vielzahl von Druckrestspannungsprofilen inner halb des Gebietes, welches zwischen den oberen und unteren Druckrestspannungsprofilen eingeschlossen wird;
wobei die Druckrestspannungen an der Oberfläche und an der Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" jeweils eine ausreichende Größe besitzen, um eine resultierende Netto-Spannung zu erreichen, die mindestens 25% geringer ist als die Ermüdungs festigkeit an der Oberfläche und an der entspre chenden Vielzahl von vorgewählten Punkten.

8. Einsatzgehärtete Komponente nach Anspruch 7, wobei das obere Druckrestspannungsprofil aus folgendem be steht:
-400 Mpa an der Oberfläche;
-50 Mpa bei 40% der Dicke "t";
0,0 Mpa bei 50% der Dicke "t"; und
0,0 Mpa bei 100% der Dicke "t";
und wobei das untere Druckrestspannungsprofil aus folgendem besteht:
-600 Mpa der Oberfläche;
-100 Mpa bei 40% der Dicke "t";
-50 Mpa bei 50% der Dicke "t"; und
0,0 Mpa bei 100% der Dicke "t".

9. Einsatzgehärtete Komponente nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, wo bei das Druckrestspannungsprofil zugeschnitten wird durch Aufprägen bzw. Einrichten eines Kohlenstoff gradienten an der Oberfläche und an der Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Tiefe.

10. Einsatzgehärtete Komponente nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, wo bei der Kohlenstoffgradient aufgeprägt wird durch Veränderung des Kohlenstoffpotentials der Carburi sierungs- bzw. Aufkohlungsatmosphäre während der Aufkohlung der Komponente.

11. Einsatzgehärtete Komponente nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, wo bei der Kohlenstoffgradient aufgeprägt wird durch Beschichtung der Komponente mit einem funktionell gradienten Material mit einem vorgewählten Kohlen stoffgradienten durch ein Verfahren, welches die folgenden Schritte aufweist:
thermisches Sprühen eines funktionell gradienten Ma terials (FGM) auf der Oberfläche und Ausbilden einer FGM-beschichteten Komponente mit einer neuen Ober fläche, wobei die FGM-Beschichtung eine Dicke "t" und ein Kohlenstoffgradientenprofil von der neuen Oberfläche zur Dicke "t" besitzt, bestehend aus:
einem oberen Kohlenstoffgradientenprofil, einem un teren Kohlenstoffgradientenprofil und einer Vielzahl von Kohlenstoffgradientenprofilen innerhalb des Ge bietes, welches zwischen dem oberen und unteren Koh lenstoffgradientenprofilen eingeschlossen wird;
wobei das obere Kohlenstoffgradientenprofil aus fol gendem besteht:
0,8 Gew.-% Kohlenstoff an der neuen Oberfläche;
1,0 Gew.-% Kohlenstoff bei 20% der Dicke "t";
0,4 Gew.-% Kohlenstoff bei 75% der Dicke "t";
0,3 Gew.-% Kohlenstoff bei 100% der Dicke "t";
und wobei das untere Kohlenstoffgradientenprofil aus folgendem besteht:
0,5 Gew.-% Kohlenstoff an der neuen Oberfläche;
0,7 Gew.-% Kohlenstoff bei 20% der Dicke "t";
0,2 Gew.-% Kohlenstoff bei 75% der Dicke "t";
0,2 Gew.-% Kohlenstoff bei 100% der Dicke "t".

12. Einsatzgehärtete Komponente nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 11, wo bei das FGM bzw. funktionell gradiente Material aus den folgenden ausgewählt ist: Keramiken, Metalle, Cermets oder Mischungen davon.

13. Einsatzgehärtetes Zahnrad mit verbesserten Ermü dungswiderstand, mit einer Einsatzdicke "t", welches einer oder mehreren der folgenden Belastungen un terworfen ist; Rollen, Gleiten, Abrieb, Biegung und Pitting bzw. Ausbruch hergestellt durch ein Verfah ren, welches folgende Schritte aufweist:
Bestimmung der Größe einer Last, die auf das Zahnrad wirkt;
Bestimmung der Größe der Ermüdungsfestigkeit an der Oberfläche des Zahnrades und an einer Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" des Zahn rades, und zwar ansprechend auf die Last;
Bestimmung der Größe der aufgebrachten Ermüdungs spannungen, die auf das Zahnrad an der Oberfläche des Zahnrades und an der Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" des Zahnrads wirken;
Zuschneiden eines Druckrestspannungsprofils von der Oberfläche zur Dicke "t" des Zahnrads bestehend aus:
einem oberen Druckrestspannungsprofil,
einem unteren Druckrestspannungsprofil und
einer Vielzahl von Druckrestspannungsprofilen in nerhalb des Gebietes, welches von den oberen und un teren Druckrestspannungsprofilen eingeschlossen wird;
wobei die Druckrestspannungen an der Oberfläche und bei der Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Dicke "t" jeweils eine ausreichende Größe be sitzen, um zu erreichen, daß eine resultierende Net to-Spannung mindestens 25% niedriger ist als die Er müdungsfestigkeit an der Oberfläche und an der ent sprechenden Vielzahl von vorgewählten Punkten.

14. Einsatzgehärtetes Zahnrad nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 13, wo bei das obere Druckrestspannungsprofil aus folgendem besteht:
-400 Mpa an der Oberfläche;
-50 Mpa bei 40% der Dicke "t";
0,0 Mpa bei 50% der Dicke "t"; und
0,0 Mpa bei 100% der Dicke "t";
und wobei das untere Druckrestspannungsprofil aus folgendem besteht:
-600 Mpa an der Oberfläche;
-100 Mpa bei 40% der Dicke "t";
-50 Mpa bei 50% der Dicke "t"; und
0,0 Mpa bei 100% der Dicke "t".

15. Einsatzgehärtetes Zahnrad nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 14, wo bei das Druckrestspannungsprofil zugeschnitten wird durch Aufprägen bzw. Einrichten eines Kohlen stoffgradienten an der Oberfläche und der Vielzahl von vorgewählten Punkten entlang der Tiefe.

16. Einsatzgehärtetes Zahnrad nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 15, wo bei der Kohlenstoffgradient aufgeprägt bzw. einge richtet wird durch Veränderung des Kohlenstoffpoten tials der Aufkohlungsatmosphäre während der Aufkoh lung des Zahnrades.

17. Einsatzgehärtetes Zahnrad nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 15, wo bei der Kohlenstoffgradient aufgeprägt wird durch Beschichtung des Zahnrades mit einem funktionell gradienten Material mit einem vorgewählten Kohlen stoffgradienten durch einen Prozeß, der die folgen den Schritte aufweist:
thermisches Sprühen eines funktionell gradienten Ma terials (FGM) auf die Oberfläche und Bilden eines FGM-beschichteten Zahnrades mit einer neuen Ober fläche, wobei die FGM-Beschichtung eine Dicke "t" und ein Kohlenstoffgradientenprofil von der neuen Oberfläche zur Dicke "t" hat, und zwar bestehend aus:
einem oberen Kohlenstoffgradientenprofil, einem un teren Kohlenstoffgradientenprofil und einer Vielzahl von Kohlenstoffgradientenprofilen innerhalb des Ge bietes, welches zwischen den oberen und unteren Koh lenstoffgradientenprofilen eingeschlossen ist;
wobei das obere Kohlenstoffgradientenprofil aus fol gendem besteht:
0,8 Gew.-% Kohlenstoff an der neuen Oberfläche;
1,0 Gew.-% Kohlenstoff bei 20% der Dicke "t";
0,4 Gew.-% Kohlenstoff bei 75% der Dicke "t";
0,3 Gew.-% Kohlenstoff bei 100% der Dicke "t";
und wobei das untere Kohlenstoffgradientenprofil aus folgendem besteht:
0,5 Gew.-% Kohlenstoff an der neuen Oberfläche;
0,7 Gew.-% Kohlenstoff bei 20% der Dicke "t";
0,2 Gew.-% Kohlenstoff bei 75% der Dicke "t";
0,2 Gew.-% Kohlenstoff bei 100% der Dicke "t".

18. Einsatzgehärtetes Zahnrad nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 17, wo bei das FGM bzw. funktionell gradiente Material aus einem der folgenden ausgewählt ist: Keramiken; Me talle, Cermets oder Mischungen davon.