DE19955385B4

DE19955385B4 - Äußere Wellenhälfte für Doppelgelenke mit verbesserter Abriebsfestigkeit und verbesserter Haltbarkeit für die Welle sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE19955385B4
Application number: DE19955385A
Authority: DE
Inventors: Tatsuro Muroran Ochi; Kenichiro Muroran Naito; Hideo Muroran Kanisawa; Joji Muroran Tamura; Masayoshi Mooka Saga
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-11-19
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2019-11-19
Also published as: GB2345116A; US6602358B1; JP2000154828A; GB9927489D0; DE19955385A1; GB2345116B

Abstract

Äussere Wellenhälfte für ein Doppelgelenk mit Kugelschale und Evolventenverzahnung mit verbesserter Abriebsfestigkeit und verbesserter Haltbarkeit der Welle, welche ein Stahlmaterial umfasst (in Gew.-%):
Kohlenstoff 0,45 bis 0,59%,
Silicium: 0,2 bis 0,4%,
Mangan: 0,15 bis 0,45%,
Schwefel: 0,005 bis 0,15%,
Molybdän: 0,1 bis 0,35%,
Bor: 0,0005 bis 0,005%,
Aluminium: 0,015 bis 0,05%, und
Titan: 0,015 bis 0,03%, und zusätzlich
Stickstoff: beschränkt auf höchstens 0,005% (einschliesslich 0%),
Chrom: beschränkt auf höchstens 0,10% (einschliesslich 0%),
Phosphor: beschränkt auf höchstens 0,020% (einschliesslich 0%), und
Sauerstoff: beschränkt auf höchstens 0,0020% (einschliesslich 0%),
wobei der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht und der Betrag für die effektive Härtetiefe in den Gleitbahnen der Kugelschale 0,25 bis 0,45 beträgt, ausgedrückt als Verhältnis t/w einer effektiven Härtetiefe t zur Wandstärke w der Kugelschale und der Betrag für die effektive Härtetiefe der endständigen Evolventenverzahnung 0,20 bis...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine äußere Wellenhälfte für Doppelgelenke mit verbesserter Abriebsfestigkeit und verbesserter Haltbarkeit für die Welle sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Damit bei äußeren Wellenhälften für Doppelgelenke, einem Automobilbauteil, der in jüngster Zeit erfolgten Leistungssteigerung von Automotoren sowie den gestiegenen Anforderungen an eine Abgaskontrolle Rechnung getragen werden kann, nahm der Trend für eine Erhöhung der Festigkeit von äußeren Wellenhälften für Doppelgelenke ständig zu. Die Anforderungen an die Festigkeitseigenschaften von äußeren Wellenhälften für Doppelgelenke bestehen im
Schutz gegen Abrieb und einer langen Haltbarkeit für die Antriebswelle. Bei den äußeren Wellenhälften von Doppelgelenken sollten die mit den Kugeln in Kontakt kommenden Gleitbahnen in der Kugelschale eine vor Abrieb schützende Beschaffenheit aufweisen. Die für Antriebswellen erforderlichen Festigkeitseigenschaften sind die Torsionsfestigkeit und eine Widerstandsfähigkeit gegenüber Torsionsermüdung.

In der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 9-280262 werden eine hochfeste äußere Wellenhälfte für ein Doppelgelenk sowie ein Verfahren zu deren Herstellung offenbart.

Gemäß dieser Offenlegungsschrift wird ein Stahl zunächst zur Bildung eines Abschnitts mit eingestellter Feinkornstruktur im Temperaturbereich von 850 bis 950°C geschmiedet, wobei der Stahl folgende Komponenten aufweist: 0,45 bis 0,53% Kohlenstoff, 0,05 bis 0,25% Silicium, 0,7 bis 1,0% Mangan, 0,01 bis 0,05% Aluminium, 0,2 bis 0,4% Molybdän und 0,003 bis 0,012% Stickstoff, und zusätzlich einen auf höchstens 0,05% beschränkten Gehalt an Chrom, einen auf höchstens 0,015% beschränkten Gehalt an Phosphor, einen auf höchstens 0,01 % beschränkten Gehalt an Schwefel und einen auf höchstens 0,002% beschränkten Gehalt an Sauerstoff. Der Abschnitt wird sodann kaltgeschmiedet, maschinell bearbeitet und zu einer vorbestimmten Form mit einer Evolventenverzahnung oder dergl. formgewalzt, gefolgt von Induktionshärten und Tempern der Evolventenverzahnung. Damit läßt sich eine hochfeste äußere Wellenhälfte für Doppelgelenke erhalten, bei welcher die endständige Evolventenverzahnung eine austenitische Korngröße von mindestens 8 aufweist, ausgedrückt als Korngrößenzahl gemäß JIS-Spezifikation (Japanischer Industrie Standard), wobei die Oberflächenhärte HV mindestens 720 beträgt und das Verhältnis von effektiver Härtetiefe zum Radius der Welle 0,35 bis 0,60 ist.,

Die obige Veröffentlichung betrifft die Verbesserung der Torsionsfestigkeit und der Widerstandskraft gegenüber Torsionsermüdung. Die Befähigung zum Schutz gegen Abrieb jedoch (in obiger Veröffentlichung als Abroll-Standzeit bezeichnet) gleicht derjenigen im Stand der Technik. Desweiteren erfolgt die Formgebung hauptsächlich durch Heißschmieden. Dies führt zu einer signifikanten Verwindung in den Gleitbahnen, zu einem nur teilweisen Kontakt mit den Kugeln und zu einer Verschlechterung der Abriebsfestigkeit.

Mit der in obiger Veröffentlichung offenbarten Technik läßt sich nicht ohne weiteres ein Schutz gegen Abrieb für die äußere Wellenhälfte in einem Doppelgelenk erzielen.

Die Druckschrift JP 10-195589 beschreibt eine äußere Wellenhälfte für ein Doppelgelenk mit Kugelschale und Evolventenverzahnung, welche ein Stahlmaterial umfasst, wobei der Beitrag für die effektive Härtetiefe der endständigen Evolventenverzahnung 0,30 bis 0,60 beträgt, ausgedrückt als Verhältnis t/r der effektiven Härtetiefe zum Radius r. Das Stahlmaterial enthält 0,01% bis 0,15% Silicium.

US 58 03 993 offenbart eine äußere Wellenhälfte für ein Doppelgelenk mit Kugelschale und Evolventenverzahnung, welche ein Stahlmaterial umfasst, das unter anderem 0,7% bis 1,0% Mangan enthält.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obigen Schwierigkeiten im Stand der Technik zu lösen und eine äußere Wellenhälfte für ein Doppelgelenk zur Verfügung zu stellen, welche sich sowohl durch ihre Abriebsfestigkeit als auch durch Haltbarkeit für die Welle auszeichnet, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.

Die obige Aufgabe läßt sich mit der folgenden Erfindung lösen. Insbesondere wird gemäß einem Teil der vorliegenden Erfindung eine äußere Wellenhälfte für ein Doppelgelenk mit einer Kugelschale und einer Evolventenverzahnung sowie verbesserter Abriebsfestigkeit und verbesserter Haltbarkeit für die Welle zur Verfügung gestellt, wobei die äußere Wellenhälfte als Grundstoffe für den Stahl (in Gew.-%) enthält: 0,45 bis 0,59% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,4% Silicium, 0,15 bis 0,45% Mangan, 0,005 bis 0,15% Schwefel, 0,1 bis 0,35% Molybdän, 0,0005 bis 0,005% Bor, 0,015 bis 0,05% Aluminium und 0,015 bis 0,03% Titan sowie zusätzlich höchstens bis zu 0,005% (einschließlich 0%) Stickstoff, höchstens bis zu 0,1% (einschließlich 0%) Chrom, höchstens bis zu 0,02% (einschließlich 0%) Phosphor und höchstens bis zu 0,002% (einschließlich 0%) Sauerstoff, wobei sich der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen zusammensetzt und der Betrag für die effektive Härtetiefe in den Gleitbahnen der Kugelschale 0,25 bis 0,45, ausgedrückt als das Verhältnis t/w von effektiver Härtetiefe t zur Dicke der Kugelschale w ist und die effektive Härtetiefe der endständigen Evolventenverzahnung 0,2 bis 0,5, ausgedrückt als das Verhältnis t/r von effektiver Härtetiefe t zum Radius r, beträgt. Vorzugsweise weist die Evolventenverzahnung am Wellenende eine austenitische Korngröße von mindestens 8 auf, ausgedrückt als Korngrößenzahl gemäß JIS-Spezifikation (Japanischer Industrie Standard).

Gemäß einem anderen Teil der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer äußeren Wellenhälfte für ein Doppelgelenk mit einer Kugelschale und einer Evolventenverzahnung zur Verfügung gestellt, welches Verfahren eine verbesserte Abriebsfestigkeit sowie eine verbesserte Haltbarkeit der Antriebswelle bewirkt, in den Schritten: Glühen, Kaltschmieden und maschinelle Bearbeitung eines Stahls der obigen Zusammensetzung, gefolgt von Formwalzen, um eine äußere Wellenhälfte mit vorbestimmter Form zu erhalten; Induktionshärten der äußeren Wellenhälfte an der Innenfläche der Kugelschale und der Evolventenverzahnung; anschließendes Tempern, wodurch eine solche äußere Wellenhälfte für ein Doppelgelenk erhalten wird, daß der Betrag für die effektive Härtetiefe in den Gleitbahnen der Kugelschale sich auf 0,25 bis 0,45, ausgedrückt als das Verhältnis t/w von effektiver Härtetiefe t zur Wandstärke der Kugelschale w, beläuft und die effektive Härtetiefe der Evolventenverzahnung am Wellenende 0,2 bis 0,5, ausgedrückt als das Verhältnis t/r von effektiver Härtetiefe t zum Radius r, beträgt. Vorzugsweise wird die austenitische Korngröße der Evolventenverzahnung am Wellenende auf mindestens 8 eingestellt, ausgedrückt als Korngrößenzahl gemäß JIS.

Mit dem Einsatz erfindungsgemäßer äußerer Wellenhälften für ein Doppelgelenk sowie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung derselben stehen Doppelgelenke mit verbesserten Eigenschaften in Bezug auf Abriebsfestigkeit und Haltbarkeit der Antriebswellen zur Verfügung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist ein Schaubild zur Veranschaulichung der Vorderform einer äußeren Wellenhälfte eines Doppelgelenks, wie es für die Untersuchungen der Laufzeit im Abriebtest und der Torsionsfestigkeit verwendet wurde; 1B ist eine Querschnittsdarstellung der äußeren Wellenhälfte eines Doppelgelenks, wie es für die Untersuchungen der Laufzeit im Abriebtest und der Torsionsfestigkeit verwendet wurde;
2 ist ein Schaubild zur Darstellung des Aufhaus eines Doppelgelenks mit inneren und äußeren Wellenhälften sowie Kugeln, wie es für die Bestimmung der Laufzeit im Abriebstest verwendet wurde;
3 ist ein Schaubild zur Darstellung der Ergebnisse für die Laufzeit im Abriebstest;
4 ist ein Schaubild zur Darstellung der Ergebnisse des Tests für die Torsionsfestigkeit.
Um eine äußere Wellenhälfte für Doppelgelenke mit verbessertem Schutz gegen Abrieb und verbesserter Haltbarkeit für die Antriebswelle sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zu erhalten, unternahmen die Erfinder ausgedehnte und gründliche Untersuchungen und fanden als Ergebnis das Folgende heraus:

(1) In den äußeren Wellenhälften ereignet sich infolge Abriebs in den Gleitbahnen ein Bruch nach dem folgenden Mechanismus: Ausgangspunkt für einen Abriebsbruch ist rauhes TiN oder -oxid. Beim Abrollen ermüdet nach und nach das Material, wodurch dann eine Strukturänderung hervorgerufen wird und sich in einem Bereich mit geringerer Härte eine Laufriefe bildet, wo der Bruch dann auftritt. Daher sind für eine Erhöhung der Abriebsfestigkeit die folgenden Punkte bedeutsam: (a) Die Härte nimmt mit steigendem Kohlenstoffgehalt zu. (b) Molybdän und Silicium werden zugesetzt, um eine Veränderung in der Struktur und eine Qualitätsverschlechterung beim Abrollen infolge Ermüdung zu verhindern. (c) Um die Bildung von rauhem TiN zu verhindern, werden der Stickstoff- und Titangehalt herabgesetzt.
(2) Eine starke Verwindung in den Gleitbahnen hat nur einen teilweisen Kontakt der Kugeln zur Folge, was folglich die Abriebsfestigkeit herabsetzt. Um die Verwindung der Gleitbahnen zu vermindern, wird der Teil für die äußere Wellenhälfte aus einem Stab aus Stahl im Kaltschmiede-Schritt hergestellt und zusätzlich die mittels Induktionshärtens bewirkte Härtetiefe in den Gleitbahnen so festgelegt, daß die Verformung beim Induktionshärten vermindert wird.
(3) Sowohl Torsionsbrüche als auch Torsionsermüdungsbrüche treten bei einer Welle an den am Ende einer Evolventenverzahnung vorgesehenen Schlitzen auf. Je größer die Härtetiefe, umso höher ist die Widerstandskraft der Welle gegen Ermüdung. Eine zu große Härtetiefe birgt jedoch die Gefahr, daß Härterisse auftreten können. Daher sollte eine Obergrenze für die Härtetiefe festgelegt werden. Die Festigkeit zwischen den Körnern beeinflußt auch in beträchtlichem Maße die Torsionsfestigkeit und die Widerstandskraft gegen Torsionsermüdung. Ein Anheben des Kohlenstoffgehalts zur Verbesserung der Abriebsfestigkeit hat bei der Antriebswelle gewöhnlich eine Erniedrigung der interkristallinen Festigkeit sowie eine Herabsetzung der Widerstandfähigkeit gegen Ermüdung zur Folge. Um dem entgegenzuwirken, wird die interkristalline Festigkeit durch Zugabe von Bor, Molybdän und Silicium sowie durch Herabsetzung des Phosphorgehalts erhöht. Desweiteren folgt auf das Kaltschmieden das Induktionshärten. Dies verfeinert die austenitischen Körner und verbessert noch die interkristalline Festigkeit. Selbst bei einer Erhöhung des Kohlenstoffgehalts läßt sich somit erfindungsgemäß bei einer Antriebswelle die Widerstandskraft gegen Ermüdung erhöhen.
(4) Um hinsichtlich der obigen Anforderungen einen Stahl kaltschmiedbar zu machen und gleichzeitig die Induktionshärtbarkeit beizubehalten, wird dem Stahl Bor zugesetzt. Bor kann die Härtbarkeit erhöhen und, wie oben beschrieben, eine weitere Festigung der Korngrenzen bewirken. In den Fällen, wo einem Stahl Bor zugesetzt wird, ist der Zusatz von Titan unabdingbar. Dies führt dann im allgemeinen, infolge der Bildung von grobem TiN, zu einer Verschlechterung in der Abriebsfestigkeit. Wie oben beschrieben, läßt sich jedoch erfindungsgemäß die Bildung von grobem TiN verhindern, wenn man den Stickstoff- und Titangehalt reduziert. Damit konnte zum erstenmal die Abriebsfestigkeit von mit Bor behandelten Stählen erhöht werden.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dieser neuen Erkenntnis.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgen näher beschrieben.
Kohlenstoff ist ein Element, welches dem Stahl die nötige Härte verleiht. Liegt der Kohlenstoffgehalt unter 0,45%, läßt sich damit die erforderliche Festigkeit nicht erzielen. Wenn der Kohlenstoffgehalt andererseits 0,59% überschreitet, wird der Stahl übermäßig hart, was zu einer Verschlechterung in der Kaltverarbeitbarkeit führt. Daher sollte der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,45% und 0,59% liegen.
Silicium ist ein Element, welches die Desoxidation von Stahl bewirkt und gleichzeitig dem Stahl die nötige Festigkeit und Härtbarkeit sowie eine Verbesserung in der Widerstandsfähigkeit gegen das Temperhärten verleiht. Liegt der Siliciumgehalt unter 0,2%, ist die erwünschte Wirkung ungenügend. Andererseits führt ein Siliciumgehalt über 0,4% zu einer Zunahme der Härte und verschlechtert deshalb die Kaltverarbeitbarkeit. Aus diesem Grund sollte der Siliciumgehalt 0,2 bis 0,4% betragen.
Mangan ist ein Element, welches die Induktionshärtbarkeit verbessert. Wenn der Mangangehalt unter 0,15% liegt, läßt sich keine genügende Härtung erzielen. Andererseits führt ein Mangangehalt über 0,45% zu einer beträchtlichen Zunahme in der Härte und verschlechtert folglich die Kaltverarbeitbarkeit. Daher sollte der Mangangehalt 0,15% bis 0,45% betragen.
Schwefel wird zugesetzt, um im Stahl MnS zu bilden, welches zu einer Verbesserung der maschinellen Bearbeitbarkeit beiträgt. Wenn der Gehalt an Schwefel unter 0,005% liegt, ist die erwünschte Wirkung ungenügend. Ist der Schwefelgehalt andererseits höher als 0,15%, ist die volle Wirkung bereits erreicht. In diesem Falle tritt dann eine interkristalline Seigerung auf, was zu einer Versprödung führt. Aus diesem Grund sollte der Schwefelgehalt 0,005% bis 0,15% betragen. Der Schwefelgehalt beträgt vorzugsweise 0,005 bis 0,04 %.
Molybdän ist ein Element, das dem Stahl Festigkeit und Härte verleiht und gleichzeitig nach dem Induktionshärten zum Zwecke einer Haltbarkeitssteigerung zur Verbesserung der interkristallinen Festigkeit beiträgt. Ist der Gehalt an Molybdän geringer als 0,1 %, wird die erwünschte Wirkung nicht erreicht. Übersteigt andererseits der Molybdängehalt 0,35%, dann führt dies zu einer übermäßigen Härte und infolgedessen zu einer Verschlechterung der Kaltverarbeitbarkeit. Daher sollte der Molybdängehalt 0,1% bis 0,35% betragen.
Bor wird zugesetzt, um die folgenden drei Wirkungen zu erzielen:

(a) Beim Walzen von Stahlstäben und Walzdraht entsteht in der Abkühlphase nach dem Walzen Bor-Eisencarbid. Dies erhöht die Wachstumsgeschwindigkeit von Ferrit, beschleunigt das Erweichen des gewalzten Stahls und verbessert die Kaltverarbeitbarkeit des Stahlmaterials.
(b) Beim Induktionshärten wird der Stahl härtbar gemacht.
(c) Die interkristalline Festigkeit des induktionsgehärteten Materials wird verbessert, um so mechanische Eigenschaften, wie Dauerfestigkeit und Schlagfestigkeit zu verbessern. Liegt der Borgehalt unter 0,0005%, wird die erwünschte Wirkung nicht erzielt, während bei einem Borgehalt über 0,005% die volle Wirkung erreicht ist. Daher sollte der Borgehalt 0,0005% bis 0,005% betragen.

Aluminium wird als Desoxidationsmittel zugesetzt. Liegt der Gehalt an Aluminium unter 0,015%, wird die erwünschte Wirkung nicht erzielt. Wenn andererseits der Aluminiumgehalt über 0,05% liegt, ist die volle Wirkung erreicht. In diesem Falle liegt dann eine größere Härte vor, was eine Verschlechterung der Kaltverarbeitbarkeit zur Folge hat. Aus diesem Grunde sollte der Aluminiumgehalt 0,015% bis 0,05% betragen.
Titan verbindet sich mit Stickstoff und bildet TiN. Titan wird zur Bildung von TiN und zur Fixierung von Stickstoff in fester Lösung zugesetzt, wodurch die Ausscheidung von BN verhindert wird, d.h. Bor wird in fester Lösung gehalten.
Liegt jedoch der Titangehalt unter 0,015%, wird die erwünschte Wirkung nicht erzielt. Wenn andererseits der Titangehalt über 0,03% liegt, ist die Ausscheidungshärtung durch TiC signifikant, was zu einer beträchtlichen Verschlechterung der Kaltverarbeitbarkeit führt. Deshalb sollte der Titangehalt 0,015% bis 0,03% betragen.
Vorzugsweise wird der Gehalt an Stickstoff aus den folgenden beiden Gründen möglichst klein gehalten:

(a) Wie oben beschrieben, wird Bor zur Verbesseruing der Härtbarkeit, zur Festigung der Korngrenzen und zu anderen Zwechen zugesetzt. Diese Wirkungen lassen sich in Stahl ohne das Vorkommen von Bor in fester Lösung nicht erzielen. Daher sollte der Stickstoffgehalt herabgesetzt werden, um die Bildung von BN zu unterdrücken.
(b) Wird Stickstoff im Stahl mit Titan zusammengebracht, bildet sich grobes TiN, welches die Härte erhöht und zusätzlich Kaltverformungsrisse verursacht, was eine beträchtlich verschlechterte Kaltverarbeitbarkeit zur Folge hat. Diese nachteilige Wirkung fällt insbesondere dann ins Gewicht, wenn der Gehalt an Stickstoff über 0,005% zu liegen kommt. Daher sollte der Stickstoffgehalt höchstens 0,005% betragen.

Chrom wird als feste Lösung in Zementit zur Stabilisierung desselben gelöst. Daher genügt ein Auflösen von Zementit nach kuzzeitigem Erhitzen beim Induktionshärten voraussichtlich nicht. Dies hat eine ungleich verteilte Härte zur Folge. Dies kommt insbesondere dann zur Geltung, wenn der Chromgehalt 0,1% übersteigt. Aus diesem Grund sollte der Chromgehalt auf maximal 0,1% beschränkt werden.
Phosphor ist ein Element, das die Formbeständigkeit beim Kaltverformen erhöht und die Zähigkeit verschlechtert. Daher wird durch Phosphor die Kaltverarbeitbarkeit herabgesetzt. Nach dem Induktionshärten und Tempern werden durch Phosphor dann die Korngrenzen der Bestandteile spröde und dementsprechend verschlechtert sich beim Endprodukt die Ermüdungsfestigkeit. Daher wird der Phosphorgehalt vorzugsweise möglichst klein gehalten. Aus diesem Grunde sollte der Phosphorgehalt auf höchstens 0,02% beschränkt werden.
Sauerstoff bildet in Stahl Oxid-Einschlüsse, wie z.B. Al₂O₃. Wenn im Stahl anteilsmäßig viele Oxid-Einschlüsse enthalten sind, verschlechtert sich die Kaltverarbeitbarkeit. In diesem Falle verschlechert sich nach dem Induktionshärten auch weiterhin die Abriebsfestigkeit. Diese Tendenz ist insbesondere dann bedeutsam, wenn der Sauerstoffgehalt 0,002% übersteigt. Daher sollte der Sauerstoffgehalt auf maximal 0,002% beschränkt werden.
Erfindungsgemäß umfaßt die äußere Wellenhälfte für ein Doppelgelenk mit einer Kugelschale und einer Evolventenverzahnung den obigen Stahl als Material. Der Betrag für die effektive Härtetiefe in den Gleitbahnen der Kugelschale ist 0,25 bis 0,45, ausgedrückt als das Verhältnis t/w von effektiver Härtetiefe t zur Dicke der Kugelschale w und die effektive Härtetiefe der endständigen Evolventenverzahnung ist 0,20 bis 0,50, ausgedrückt als das Verhältnis t/r von effektiver Härtetiefe t zum Radius r. Die in dieser Schrift ausgewiesene effektive Härtetiefe wird nach dem Verfahren zur Messung der Härtetiefe durch Induktionshärten gemäß JIS G 0559 bestimmt. Die Gründe für die erfindungsgemäße Beschränkung der effektiven Härtetiefe werden im Folgenden beschrieben.
Weil die Kugeln in Kontakt mit den Gleitbahnen kommen, benötigen die Gleitbahnen der Kugelschale eine gewisse Abriebsfestigkeit. An diesem Ende wird ein Induktionshärten durchgeführt. Wenn in diesem Falle der Betrag an effektiver Härtetiefe in den Gleitbahnen der Kugelschale kleiner als 0,25, ausgedrückt als das Verhältnis t/w von effektiver Härtetiefe t zur Wandstärke der Kugelschale w, ist, wird der erwünschte Effekt nicht erzielt.
Wenn andererseits die effektive Härtetiefe zu groß ist, nimmt die Verwindung der Gleitbahnen zu. Dies hat ungünstigerweise eine Verschlechterung der Abriebsfestigkeit zur Folge. Diese Tendenz ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der Betrag t/w an effektiver Härtetiefe größer wird als 0,45.
Aus obigen Gründen wird der Betrag für die effektive Härtetiefe in den Gleitbahnen der Kugelschale auf 0,25 bis 0,45 eingeschränkt, ausgedrückt als das Verhältnis t/w von effektiver Härtetiefe t zur Wandstärke der Kugelschale w.
Torsionsermüdungsschäden treten bei einer Welle an den am Ende einer Evolventenverzahnung vorgesehenen Schlitzen auf. Je größer der Betrag für die effektive Härtetiefe in der Evolventenverzahnung, umso größer ist die Widerstandskraft der Welle gegen Ermüdung. Ist der Betrag für die effektive Härtetiefe kleiner als 0,20, ausgedrückt als Verhältnis t/r der effektiven Härtetiefe t zum Radius r, läßt sich die erwünschte Wirkung nicht erzielen.
Wenn andererseits der Betrag für die effektive Härtetiefe, ausgedrückt als t/r, 0,50 übersteigt, ist die volle Wirkung bereits erreicht. In diesem Falle vermindert sich auch die Druckeigenspannung der Oberfläche, was das Risiko birgt, daß Härterisse auftreten.
Aus den obigen Gründen sollte die effektive Härtetiefe der Evolventenverzahnung am Wellenende auf 0,20 bis 0,50 beschränkt werden, ausgedrückt als Verhältnis t/r der effektiven Härtetiefe t zum Radius r.
Zu einer weiteren Steigerung der Festigkeitseigenschaften einer Welle wird erfindungsgemäß in einer bevorzugten Ausführungsform die austenitische Korngröße der Evolventenverzahnung am Wellenende auf einen Wert von mindestens 8 gebracht, ausgedrückt als Korngrößenzahl gemäß JIS-Spezifikation. Der Grund, warum eine Korngröße im obigen Bereich die Festigkeitseigenschaften der Welle verbessern kann, ist der folgende: die Torsionsfestigkeit und die Torsionsermüdungshärte werden durch die interkristalline Festigkeit des Austenits beeinflußt.
Je kleiner die Körner, desto geringer wird der Gehalt an zwischen den Korngrenzen ausgeseigerten Verunreinigungen und desto besser wird die interkristalline Festigkeit. Dieser Effekt ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Korngröße für Austenit mindestens 8 ist, ausgedrückt als Korngrößenzahl gemäß JIS-Spezifikation. Aus diesem Grund wird die austenitische Korngröße der Evolventenverzahnung am Wellenende auf einen Wert von mindestens 8 gebracht, ausgedrückt als Korngrößenzahl gemäß JIS-Spezifikation.
Erfindungsgemäß besteht ein Merkmal des Verfahrens zur Herstellung einer äußeren Wellenhälfte für ein Doppelgelenk mit verbesserter Abriebsfestigkeit und Haltbarkeit für die Antriebswelle darin, daß die Äußere Wellenhälfte nur über Kaltschmieden, ohne einen Heißschmiedeschritt, hergestellt wird. Daher lassen sich durch Kaltschmieden und anschließendem Induktionshärten die austenitischen Körner verfeinern und die interkristalline Festigkeit verbessern. Desweiteren ist das Formen über Kaltschmieden insofern von Vorteil, als die Verformung nach dem Schmieden gering ist, was beim Endprodukt eine geringere Verwindung der Gleitbahnen zur Folge hat. Dadurch läßt sich eine durch den nur teilweisen Kontakt der Kugeln in den Gleitbahnen verursachte Verschlechterung in der Abriebsfestigkeit vermeiden.
Das Kaltschmieden kann in mehreren Schritten erfolgen. Falls erforderlich, kann zwischen den Kaltschmiedeschritten ein Weichmachen erfolgen.
Beispiele
Die chemischen Zusammensetzungen der in den folgenden Beispielen und Vergleichsbeispielen verwendeten erfindungsgemäßen Stähle und Vergleichsstähle sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Die erfindungsgemäßen Stähle 1 bis 3 haben jeweils die gleichen chemischen Zusammensetzungen wie Stähle entsprechend S53C, S55C und S58C, mit der Ausnahme, daß der Gehalt an Mangan und der Gehalt an Phosphor erniedrigt, Molybdän und Bor zugesetzt, der Gehalt an Stickstoff erniedrigt und der Gehalt an Titan möglichst klein gehalten wurden. Demgegenüber sind die Vergleichsstähle Nr. 4 und 5 Kohlenstoff-Bor-Stähle, welche jeweils die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen wie Stähle entsprechend S48C und S53C, mit der Ausnahme, daß der Gehalt an Silicium und der Gehalt an Mangan erniedrigt und Bor hinzugefügt wurden. Tabelle 1
Jeweils 150 kg der Teststähle mit den in Tabelle 1 wiedergegebenen chemischen Zusammensetzungen wurden mittels eines Schmelzprozesses in einem Vakuumschmelzofen hergestellt. Diese Stähle wurden in quadratische Stäbe mit einer Seitenlänge von 162 mm heißgeschmiedet, sodann in Stahlstäbe mit 52 mm Durchmesser heißgewalzt und schließlich kugelgeglüht. Die so erhaltenen Stähle wurden dann zur Herstellung von äußeren Wellenhälften für Doppelgelenke gemäß 1 kaltgeschmiedet, gedreht und formgewalzt. Die erfindungsgemäßen Stähle ließen sich wie die Vergleichsstähle drehen und formwalzen. Die Abrollfläche der Maus und der Antriebswelle in diesen äußeren Wellenhälften eines Doppelgelenks wurden so induktionsgehärtet und getempert, daß der Betrag t/w für die effektive Härtetiefe in der Abrollfläche 0,35 bis 0,43 betrug und der Betrag für die effektive Härtetiefe t/r der Welle 0,35 bis 0,44.
Wie in 2 gezeigt erfolgte die Zusammensetzung zu einem Bauteil, welches mittels eines Anpreß-Rotationsprüfgeräts auf sein Abriebsverhalten hin überprüft wurde. Die Standzeit wurde ermittelt, ausgedrückt durch den Anpreßdruck, welcher erforderlich ist, um in einem kontinuierlichen 100 Stunden dauernden Betrieb einen zu Kugelriefen führenden Abrieb zu verursachen. Für die Bestimmung der Welleneigenschaften wurden die äußere Wellenhälfte sowie die Verzahnung fixiert und mit einem Torsionsmeßgerät die Bruchfestigkeit ermittelt.
Die Ergebnisse für den Test zum Abriebsverhalten sind in 3 wiedergegeben. Für die erfindungsgemäßen Stähle Nr. 1 bis 3 war der für Abrieb erforderliche Anpreßdruck größer als für die Vergleichsstähle Nr. 4 und 5, was zeigt, daß die erfindungsgemäßen Stähle ein ausgezeichnetes Abriebsverhalten aufweisen. Die Vergleichsstähle Nr. 4 und 5 zeigten eine geringere Oberflächenhärte, weil der Chromgehalt höher lag als die erfindungsgemäß festgelegte Obergrenze für den Chromgehaltsbereich. Da auch die Silicium- und Molybdängehalte unter den erfindungsgemäß festgelegten Bereichsgrenzen lagen, konnte infolge der unter der hohen Belastung während der Abrollvorganges auftretenden Reibungswärme eine fortschreitende Oberflächenerweichung des Materials festgestellt werden. Auch die Bildung eines signifikanten Anteils an rauhem TiN infolge der über den erfindungsgemäß festgesetzten Bereichsgrenzen liegenden Titan- und Stickstoffgehalte verursachte eine Verschlechterung des Abriebsverhaltens.
In 4 sind die Ergebnisse für die Untersuchungen der Torsionsfestigkeit zusammen mit der Härte für die endständige Evolventenverzahnung dargestellt. Wie aus 4 entnommen werden kann, wiesen die erfindungsgemäßen Stähle Nr. 1 bis 3 eine bessere Torsionsfestigkeit auf als die Vergleichsstähle Nr. 4 und 5. Die austenitische Korngröße, ausgedrückt als Korngrößenzahl für die Evolventenverzahnungam Wellenende, betrug 8,2 für Stahl Nr. 1, für Stahl Nr. 2 betrug sie 8,9 und 7,6 für Stahl Nr. 3. An den erfindungsgemäßen Stählen zeigte sich, daß die Körner umso feiner sind, je besser die Torsionsfestigkeit ist. Die geringe Torsionsfestigkeit der Vergleichsstähle Nr. 4 und 5 ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Oberflächenhärte infolge des über der erfindungsgemäß festgesetzten Bereichsgrenze liegenden Chromgehalts gering war. Infolge der unter den erfindungsgemäß festgesetzten Bereichsgrenzen liegenden Silicium- und Molybdängehalte war auch die interkristalline Festigkeit gering.
Als nächstes wurden für Stahl Nr. 2 äußere Wellenhälften für Doppelgelenke auf dieselbe Art und Weise hergestellt wie weiter oben beschrieben. Bei diesen äußeren Wellenhälften für Doppelgelenke wurden diesesmal der Betrag für die effektive Härtetiefe in der Abrollfläche der Maus und der Betrag für die effektive Härtetiefe in der Welle (an der endständigen Evolventenverzahnung), wie in Tabelle 2 angegeben, variiert. Desweiteren wurde für diese äußeren Wellenhälften der für einen Abrieb erforderliche Anpreßdruck sowie die Torsionsfestigkeit bestimmt. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 2 wiedergegeben. Tabelle 2
Die äußeren Wellenhälften für Doppelgelenke in den erfindungsgemäßen Beispielen zeigten ausgezeichnete Abriebs- und Torsionsfestigkeiten. Im Gegnsatz dazu zeigten die äußeren Wellenhälften für Doppelgelenke in den Vergleichsbeispielen 4 und 5 infolge der unter dem erfindungsgemäß festgelegten Bereich liegenden effektiven Härtetiefe (Vergleichsbeispiel 4) oder infolge der über dem erfindungsgemäß festgelegten Bereich liegenden effektiven Härtetiefe (Vergleichsbeispiel 5) eine geringere Abriebsfestigkeit. Die äußeren Wellenhälften für Doppelgelenke in den Vergleichsbeispielen 6 und 7 zeigten infolge der unter dem erfindungsgemäß festgelegten Bereich liegenden effektiven Härtetiefe für die Welle (Vergleichsbeispiel 6) oder infolge der über dem erfindungsgemäß festgelegten Bereich liegenden effektiven Härtetiefe (Vergleichsbeispiel 7) eine geringere Torsionsfestigkeit.
Mit den erfindungsgemäßen äußeren Wellenhälften für Doppelgelenke und dem Verfahren zu ihrer Herstellung kann man ausgezeichnete Abriebsfestigkeiten erhalten. Auch die Drehbarkeit und die Formwalzbarkeit sind gut. Daher ist die vorliegende Erfindung vom industriellen Standpunkt aus bedeutsam.

Claims

Äussere Wellenhälfte für ein Doppelgelenk mit Kugelschale und Evolventenverzahnung mit verbesserter Abriebsfestigkeit und verbesserter Haltbarkeit der Welle, welche ein Stahlmaterial umfasst (in Gew.-%): Kohlenstoff 0,45 bis 0,59%, Silicium: 0,2 bis 0,4%, Mangan: 0,15 bis 0,45%, Schwefel: 0,005 bis 0,15%, Molybdän: 0,1 bis 0,35%, Bor: 0,0005 bis 0,005%, Aluminium: 0,015 bis 0,05%, und Titan: 0,015 bis 0,03%, und zusätzlich Stickstoff: beschränkt auf höchstens 0,005% (einschliesslich 0%), Chrom: beschränkt auf höchstens 0,10% (einschliesslich 0%), Phosphor: beschränkt auf höchstens 0,020% (einschliesslich 0%), und Sauerstoff: beschränkt auf höchstens 0,0020% (einschliesslich 0%), wobei der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht und der Betrag für die effektive Härtetiefe in den Gleitbahnen der Kugelschale 0,25 bis 0,45 beträgt, ausgedrückt als Verhältnis t/w einer effektiven Härtetiefe t zur Wandstärke w der Kugelschale und der Betrag für die effektive Härtetiefe der endständigen Evolventenverzahnung 0,20 bis 0,50 beträgt, ausgedrückt als Verhältnis t/r der effektiven Härtetiefe t zum Radius r.
Äussere Wellenhälfte für ein Doppelgelenk nach Anspruch 1, bei welcher die Evolventenverzahnung am Wellenende eine austenitische Korngrösse von mindestens 8 aufweist, ausgedrückt als Korngrössenzahl gemäss JIS-Spezifikation (Japanischer Industrie Standard).
Verfahren zur Herstellung einer äusseren Wellenhälfte für ein Doppelgelenk mit Kugelschale und Evolventenverzahnung mit verbesserter Abriebsfestigkeit und verbesserter Haltbarkeit der Welle in den Schritten: Bearbeitung eines Stahls, enthaltend (in Gew.-%): Kohlenstoff: 0,45 bis 0,59%, Silicium: 0,2 bis 0,4%, Mangan: 0,15 bis 0,45%, Schwefel: 0,005 bis 0,15%, Molybdän: 0,1 bis 0,35%, Bor: 0,0005 bis 0,005%, Aluminium: 0,015 bis 0,05%, und Titan: 0,015 bis 0,03%, und zusätzlich Stickstoff: beschränkt auf höchstens 0,005% (einschliesslich 0%), Chrom: beschränkt auf höchstens 0,10% (einschliesslich 0%), Phosphor: beschränkt auf höchstens 0,020% (einschliesslich 0%), und Sauerstoff beschränkt auf höchstens 0,0020% (einschliesslich 0%), wobei der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht, mittels Glühens, Kaltschmiedens und maschineller Bearbeitung gefolgt von Formwalzen, um eine äussere Wellenhälfte mit vorbestimmter Form zu erhalten; und sodann Induktionshärten der äusseren Wellenhälfte in der Welle mit der Innenfläche der Kugelschale und der Evolventenverzahnung; anschliessendes Tempern, wodurch eine solche äussere Wellenhälfte für ein Doppelgelenk erhalten wird, dass der Betrag für die effektive Härtetiefe in den Gleitbahnen der Kugelschale sich auf 0,25 bis 0,45, ausgedrückt als das Verhältnis t/w von effektiver Härtetiefe t zur Wandstärke der Kugelschale w, beläuft und die effektive Härtetiefe der endständigen Evolventenverzahnung 0,2 bis 0,5, ausgedrückt als das Verhältnis t/r von effektiver Härtetiefe t zum Radius r, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, in welchem die austenitische Korngrösse der Evolventenverzahnung am Wellenende auf einen Wert von mindestens 8 gebracht wird, ausgedrückt als Korngrössenzahl gemäss JIS-Spezifikation.