DE19955386C2 - Antriebswelle hoher Festigkeit und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebswelle mit hoher Festigkeit sowie ein Ver­ fahren zur Herstellung derselben. Der im Folgenden verwendete Begriff "Festigkeitseigenschaften" bezieht sich hauptsächlich auf die Torsionsfestigkeit und Torsi­ onsermüdung.

Damit bei Antriebswellen, einem Automobilbauteil, der in jüngster Zeit erfolgten Lei­ stungssteigerung bei Automotoren sowie den gestiegenen Anforderungen für eine Abgas­ kontrolle Rechnung getragen werden kann, nahm der Trend für eine Erhöhung der Festig­ keit von Antriebswellen immer mehr zu. Die für Antriebswellen erforderlichen Festig­ keitseigenschaften sind die Torsionsfestigkeit und eine Widerstandsfähigkeit gegenüber Tor­ sionsermüdung.

Die japanische Patentschrift JP 61-186419 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle in den Schritten: Formung eines Stahls mit 0,30 bis 0,38% Kohlenstoff, 0,6 bis 1,5% Mangan, 0,0005 bis 0,0030% Bor, 0,01 bis 0,04% Titan und 0,01 bis 0,04% Aluminium zu einer Antriebswelle und Induktionshärten der Antriebswelle bis das Verhält­ nis von Induktionshärtetiefe zum Radius des Stahlteils mindestens 0,4 beträgt, wodurch nach dem Induktionshärten ein Temperschritt weggelassen werden kann. In dieser Veröf­ fentlichung steht jedoch nichts über eine Widerstandsfähigkeit gegenüber Torsionsermü­ dung, auf welche Festigkeitseigenschaft in der vorliegenden Anmeldung ein besonderes In­ teresse gerichtet ist.

Zur direkten maschinellen Bearbeitung und Induktionshärtung wird in der japanischen Of­ fenlegungsschrift JP 5-179400 A ein Stahlerzeugnis offenbart mit 0,38 bis 0,45% Kohlen­ stoff, höchstens 0,35% Silicium, mehr als 1,0 bis 1,5% Mangan, 0,0005 bis 0,0035% Bor, 0,01 bis 0,05% Titan, 0,01 bis 0,06% Aluminium und höchstens 0,01% Stickstoff, wobei das Stahlerzeugnis eine feinkörnige Struktur mit einer Ferrit-Korngrößenzahl von minde­ stens 6 aufweist. Diese Offenlegungsschrift berichtet auch über die Torsionsfestigkeit, je­ doch nichts über eine Widerstandsfähigkeit gegenüber Torsionsermüdung. Desweiteren ist auch davon auszugehen, daß dieses Stahlerzeugnis aufgrund seines hohen Mangan-, Stick­ stoff- und Siliciumgehalts eine ungenügende Kaltverarbeitbarkeit aufweist.

Die US-A-52 79 688 beschreibt eine Antriebswelle, deren Stahlzusammensetzung 0,38 bis 0,45 Gew.-% Kohlenstoff aufweisen soll. Eine aus Stahl angefertigte Antriebswelle hoher Festigkeit ist auch aus der JP 10-195589 A bekannt. Die Antriebswelle weist eine Verzahnung am Wellenende auf, die ein Verhältnis von effektiver Härtetiefe zum Radius von 0,46 hat, wobei die Härtetiefe nach JIS G 0559 bestimmt wird. Kupfer enthält die Stahlzusammensetzung der bekannten Antriebswelle nicht.

Die in oben angegebenen Veröffentlichungen offenbarten Stahlprodukte können nicht ohne weiteres den als Stähle für Antriebswellen erforderlichen hervorragenden Festigkeitseigenschaften genügen, insbesondere einer exzellenten Widerstandsfähigkeit gegenüber Torsionsermüdung. Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die obigen Nachteile im Stand der Technik zu lösen und eine Antriebswelle mit hoher Festigkeit sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung zu stellen.

Die obige Aufgabe läßt sich mit der folgenden Erfindung lösen. Insbesondere wird gemäß einem Teil der vorliegenden Erfindung eine Antriebswelle hoher Festigkeit mit Evolventenverzahnung zur Verfügung gestellt, welche als Komponenten für den Stahl (in Gew.-%) enthält: 0,48 bis 0,58% Kohlenstoff; 0,01 bis 0,15% Silicium; 0,35 bis 0,75% 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 0,02 bis 0,08% 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 der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und der Betrag für die effektive Härtetiefe der Evolventenverzahnung am Wellenende 0,3 bis 0,7, bezogen auf das Verhältnis t/r von effektiver Härtetiefe t zum Radius r, beträgt. In diesem Falle weist die Evolventenverzahnung am Wellenende vorzugsweise eine austenitische Korngröße von mindestens 8 auf, ausgedrückt als Korngrößenzahl gemäß JIS (Japanischer Industrie Standard).

Gemäß einem anderen Teil der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle hoher Festigkeit mit Evolventenverzahnung zur Verfügung gestellt, in den Schritten: maschinelle Bearbeitung und Formwalzen eines Stahls der obigen Zusammensetzung mit einer Härte von 85 bis 95 HRB zu einer Welle mit vorbestimmter Gestalt; und sodann Induktionshärten der Welle und Tempern der induktionsgehärteten Welle bei 120 bis 200°C, wodurch eine Antriebswelle mit Evolventenverzahnung am Wellenende mit einem Betrag für die effektive Härtetiefe von 0,3 bis 0,7, bezogen auf das Verhältnis t/r von effektiver Härtetiefe t zum Radius r, hergestellt wird. In diesem Falle wird die austenitische Korngröße der Evolventenverzahnung am Wellenende vorzugsweise auf mindestens 8 eingestellt, ausgedrückt als Korngrößenzahl gemäß JIS.

Mit der Verwendung einer erfindungsgemäßen Antriebswelle hoher Festigkeit und dem Verfahren zur Herstellung derselben lassen sich Antriebswellen mit ausgezeichneter Torsionsfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Torsionsermüdung erhalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Schaubild zur Darstellung einer in einem Test für Torsionsfestigkeit und Torsionsermüdung verwendeten Antriebswelle;

Fig. 2 ist ein Schaubild zur Darstellung von Qualität und Torsionsfestigkeitseigenschaften eines induktionsgehärteten Materials;

Fig. 3 ist ein Schaubild zur Darstellung der Widerstandfähigkeit von induktiondgehärtetem Material gegenüber Torsionsermüdung.

Um eine Antriebswelle hoher Festigkeit sowie eine Verfahren zu ihrer Herstellung zu erhalten, unternahmen die Erfinder ausgedehnte und gründliche Untersuchungen und fanden als Ergebnis das Folgende heraus:

• 1. Sowohl Torsionsbrüche als auch Torsionsermüdungsbrüche treten bei Wellen 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 induziert werden. Daher sollte eine Obergrenze für Härtetiefe festgelegt werden.
• 2. Eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts und eine Verringerng des Chromgehalts sind für das Erreichen der Härte für die Welle wichtig. Eine Verminderung des Chromgehalts bewirkt, daß selbst nach kurzzeitigem Aufheizen Cementit in Lösung geht. Durch diesen Effekt läßt sich ein ungenügendes Zersetzen von Carbiden verhindern.
• 3. Die Festigkeit zwischen den Körnern beeinflußt auch in beträchtlichem Maße die Torsionsfestigkeit und die Widerstandskraft gegen Torsionsermüdung. Ein Anheben des Kohlenstoffgehalts zur Erhöhung der Härte der gehärteten Schicht hat gewöhnlich eine Erniedrigung der interkristallinen Festigkeit zur Folge. Um dem entgegenzuwirken, wird die interkristalline Festigkeit durch Zugabe von Bor, Molybdän und Silicium sowie durch Herabsetzung des Phosphorgehalts erhöht. Desweiteren bewirkt ein Anheben des Titangehalts in Kombination mit einer Erniedrigung des Stickstoffgehalts, daß eine große Menge an TiC in feiner Verteilung vorliegt, die austenitische Korngröße herabgesetzt und die interkristalline Festigkeit verbessert wird. Die Erhöhung der interkristallinen Festigkeit ihrerseits hat eine Verbesserung in der Torsionsfestigkeit und in der Widerstandsfähigkeit gegen Torsionsermüdung der Welle zur Folge.
• 4. Mit einer Herabsetzung des Siliciumgehalts zusammen mit der Zugabe von Bor läßt sich im Stahl eine Verschlechterung bei der maschinellen Bearbeitung und beim Formwalzen vermeiden, während man damit hohe Festigkeitseigenschaften sowie eine hohe Induktionshärtbarkeit erzielen kann. Bor kann die Härtbarkeit erhöhen und, wie oben beschrieben, eine Verfestigung der Korngrenzen bewirken. Für den Fall, daß einem Stahl Bor zugesetzt ist, ist die Zugabe von Titan unerläßlich. Wegen des groben TiN führt dies im allgemeinen zu einer Verschlechterung bei der Kaltverarbeitung. Erfindungsgemäß wird jedoch der Stickstoffgehalt möglichst niedrig gehalten, um die Bildung von grobem TiN zu vermeiden. Aus diesem Grund läßt sich der oben beschriebene Nachteil vermeiden.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dieser neuen Erkenntnis. Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung näher beschrieben.

Kohlenstoff ist ein Element, welches dem Stahl die nötige Härte verleiht. Liegt der Kohlenstoffgehalt unter 0,48%, läßt sich damit die erforderliche Torsionsfestigkeit und andere Festigkeitseigenschaften nicht erreichen. Wenn der Kohlenstoffgehalt andererseits 0,58% überschreitet, wird der Stahl übermäßig hart, was zu einer Verschlechterung in der Kaltverarbeitbarkeit, insbesondere der maschinellen Bearbeitbarkeit führt. Aus diesem Grund sollte der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,48% und 0,58% liegen.

Silicium ist ein Element, welches die Desoxidation von Stahl bewirkt. Liegt der Siliciumgehalt unter 0,01%, ist die erwünschte Wirkung ungenügend. Andererseits führt ein Siliciumgehalt über 0,15% zu einer Zunahme der Härte und verschlechtert deshalb die Katverarbeitbarkeit, insbesondere die maschinelle Bearbeitbarkeit. Aus diesem Grund sollte der Siliciumgehalt 0,01 bis 0,15% betragen.

Mangan ist ein Element, welches die Induktionshärtbarkeit verbessert. Wenn der Mangangehalt unter 0,35% liegt, läßt sich keine genügende Härtung erzielen. Andererseits führt ein Mangangehalt über 0,75% zu einer beträchtlichen Zunahme in der Härte und verschlechtert folglich die Kaltverarbeitbarkeit und maschinelle Bearbeitbarkeit. Daher sollte der Mangangehalt 0,35% bis 0,75% betragen.

Schwefel wird zugesetzt, um im Stahl MnS zu bilden, was 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%, wird die volle Wirkung 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 zwecks Verbesserung der Festigkeitseigenschaften 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 und maschinellen Bearbeitbarkeit. 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 Walzdrähten 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 und maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahlmaterials.
• b) Beim Induktionshärten wird dem Stahl die Eigenschaft der Härtbarkeit vermittelt.
• c) Die interkristalline Festigkeit des induktionsgehärteten Materials wird erhöht, wodurch sich mechanischen Eigenschaften, wie Dauerfestigkeit und Schlagfestigkeit verbessern.

Liegt der Borgehalt unter 0,0005%, wird die erwünschte Wirkung nicht erzielt, während bei einem Borgehalt über 0,005% die volle Wirkung erreicht wird. 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, wird die volle Wirkung erreicht. In diesem Falle erhält man dann eine größere Härte, was eine Verschlechterung der Kaltverarbeitbarkeit und der maschinellen Bearbeitbarkeit zur Folge hat. Aus diesem Grunde sollte der Aluminiumgehalt 0,015% bis 0,05% betragen.

Aus Titan bildet sich im Stahl TiN und TiC. Der Grund für die Zugabe von Titan ist darin zu suchen, daß die folgenden beiden Effekte erzielt werden:

• a) Durch die Bildung von TiN wird verhindert, daß durch Bindung von Stickstoff in fester Lösung BN ausgeschieden wird, d. h. es wird sichergestellt, daß Bor in fester Lösung verbleibt.
• b) TiC liegt fein dispergiert vor, wodurch austenische Kristalle veredelt werden.

Liegt der Titangehalt unter 0,02%, wird die erwünschte Wirkung nicht erzielt. Wenn andererseits der Titangehalt über 0,08% liegt, ist die Ausscheidungshärtung durch TiC signifikant, was zu einer beträchtlichen Verschlechterung der Kaltverarbeitbarkeit und der maschinellen Bearbeitbarkeit führt. Deshalb sollte der Titangehalt 0,02% bis 0,08% betragen.

Vorzugsweise wird der Gehalt an Stickstoff aus den folgenden beiden Gründen möglichst klein gehalten:

• a) Wie oben beschrieben, wird Bor zur Verbesserung der Härtbarkeit, zur Festigung der Korngrenzen und zu anderen Zwechen zugesetzt. Diese Wirkungen können im Stahl ohne das Vorkommen von Bor in fester Lösung nicht erzielt werden. 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 verursachen kann, 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 löst sich als feste Lösung in Zementit und stabilisiert diesen. Daher genügt es offensichtlich nicht, Zementit nach kuzzeitigem Erhitzen beim Induktionshärten in Lösung zu bringen. Dies hat eine ungleichmäßige Härte zur Folge. Dies kommt insbesondere dann zum Tragen, 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 verschlechtert sich durch Phosphor die Kaltverarbeitbarkeit. Nach dem Induktionshärten und Tempern werden durch Phosphor dann die Korngrenzen der Bestandteile spröde und dementsprechend verschlechtern sich beim Endprodukt die Torsionsfestigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Torsionermüdung. Daher wird der Phosphorgehalt vorzugsweise möglichst klein gehalten. Aus diesem Grunde sollte der Phosphorgehalt auf höchstens 0,02% beschränkt werden.

Sauerstoff bildet in Stahl oxidische Einschlüsse, wie z. B. Al₂O₃. Wenn im Stahl anteilsmäßig viele Oxid-Einschlüsse enthalten sind, verschlechtern sich die Kaltverarbeitbarkeit und die maschinelle Verarbeitbarkeit. 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 Antriebswelle mit Evolventenverzahnung den obigen Stahl als Material und der Betrag für die effektive Härtetiefe der Evolventenverzahnung am Wellenende wird auf 0,3 bis 0,7 eingestellt, ausgedrückt als Verhältnis t/r der effektiven Härtetiefe t zum Radius r. Die in dieser Schrift angegebene 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.

Bei Wellen treten an den am Ende der Evolventenverzahnung angebrachten Einkerbungen sowohl Torsionsbrüche als auch Torsionsermüdungsbrüche auf. Die Torsionsfestigkeit und die Widerstandfähigkeit gegenüber Torsionsermüdung lassen sich verstärken, wenn am Ende die effektive Härtetiefe der Evolventenverzahnung erhöht wird. Ist der Betrag für die effektive Härtetiefe kleiner als 0,3, ausgedrückt als Verhältnis t/r der effektiven Härtetiefe t zum Radius r, wird die erwünschte Wirkung nicht erreicht.

Wenn andererseits der Betrag für die effektive Härtetiefe, ausgedrückt als t/r, 0,7 über­ steigt, wird die volle Wirkung erzielt. In diesem Falle vermindert sich desweiteren die Druckeigenspannung der Härteschicht, was zu der Befürchtung Anlaß gibt, daß Härterisse auftreten können. Aus diesen Gründen sollte die effektive Härtetiefe der Evolventenverzah­ nung am Wellenende auf 0,3 bis 0,7 beschränkt werden, ausgedrückt als Verhältnis t/r der effektiven Härtetiefe t zum Radius r.

Zur Steigerung der Festigkeitseigenschaften einer Welle wird erfindungsgemäß in einer be­ vorzugten 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 Festig­ keitseigenschaften der Welle verbessern kann, ist der folgende: die Torsionsfestigkeit und die Torsionsermüdungshärte werden durch die interkristalline Festigkeit des Austenits be­ einflußt. Je kleiner die Körner, desto geringer ist der Gehalt an zwischen den Korngrenzen ausgeseigerten Verunreinigungen und desto besser wird die interkristalline Festigkeit. Die­ ser Effekt ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Korngröße für Austenit minde­ stens 8 ist, ausgedrückt als Korngrößenzahl gemäß JIS-Spezifikation.

Aus diesem Grund wird die austenitische Korngröße der Evolventenverzahnung am Welle­ nende auf einen Wert von mindestens 8 gebracht, ausgedrückt als Korngrößenzahl gemäß JIS-Spezifikation. Ein Beispiel für ein wirksames Verfahren, die austenitische Korngröße auf mindestens 8 zu bringen besteht darin, durch Warmwalzen einen Stahlstab herzustellen, wobei die Heiztemperatur auf 1100°C oder darüber eingestellt wurde, um zunächst einmal soviel wie möglich TiC in Lösung zu bringen, wodurch beim Erhitzen während des Indukti­ onshärtens ein großer Anteil an feinem TiC dispergiert wird.

Als nächstes wird das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Antriebswelle hoher Festigkeit beschrieben. Gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren beträgt die Härte des Stahlmaterials 85 bis 95 HRB. Ist die Härte weniger als 85 HRB, tritt bei der maschinellen Bearbeitung ein Abrieb auf, was zu einer nicht zufriedenstellenden Oberflä­ chenrauhigkeit führt. Wenn andererseits die Härte größer als 95 HRB ist, unterliegt das Schneidewerkzeug einem beträchtlichen Abnutzungsverlust. Aus diesem Grunde ist die Härte des Stahls auf 85 bis 95 HRB beschränkt.

Ein Beispiel für ein Verfahren, die Härte eines Stahls in heißgewalztem Zustand in den obi­ gen Härtebereich einzustellen, erfolgt so, daß bei Herstellung eines Stahlstabs durch Heiß­ walzen die Endtemperatur beim Heißwalzen auf 700 bis 860°C eingestellt wird und sodann nach dem Heißwalzen langsam mit einer Abkühlgeschwindigkeit von höchstens 1°C/sec auf 750 bis 500°C heruntergekühlt wird. Beim langsamen Abkühlen läßt sich die Abkühlge­ schwindigkeit weiter reduzieren, indem man beispielsweise eine Abdeckung mit Wärmespeichereffekt oder eine mit einer Heizquelle hinter der Walzstraße versehene Abdeckung mit Wärmespeichereffekt installiert.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der obige Stahl sodann maschinell bearbeitet, zu einer vorbestimmte Form formgewalzt, gefolgt von einem Induktionshärten und Tempern bei 120 bis 200°C. Falls erforderlich ist erfindungsgemäß ein Härtungsschritt vor der maschinellen Bearbeitung vorgesehen. Nach dem Induktionshärten wird das Tempern im Temperaturbereich 120 bis 200°C durchgeführt, um die Zähigkeit des Stahls nach dem Induktionshärten wiederherzustellen, wodurch sich die Torsionsfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Torsionsermüdung verbessert. Wenn die Tempertemperatur unter 120°C abfällt, ist die erwünschte Wirkung gering, während umgekehrt bei einer Tempertemperatur über 200°C die Festigkeit abnimmt.

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 S50C, S53C und S55C, mit der Ausnahme, daß die Gehalte von Silicium, Mangan und Phosphor niedriger sind, während Molybdän und Bor zugesetzt und Titan in einem Gehalt von 0,039 bis 0,060% zugefügt wurden. Andererseits weisen die Vergleichsstähle Nr. 4 und 5 jeweils die gleiche chemische Zusammensetzung auf wie Stähle entsprechend S40C und S53C, mit der Ausnahme, daß Bor und zusätzlich Titan mit einem Gehalt von 0,029 bis 0,031% zugegeben wurden.

Tabelle 1

Jeweils 150 kg der Teststähle mit den in Tabelle 1 wiedergegebenen chemischen Zusammen­ setzungen wurden mittels eines Schmelzprozesses in einem Vakuumschmelzofen hergestellt. Diese Stähle wurden in quadratische Stäbe mit einer Seitenlänge von 162 mm heißgeschmiedet, welche sodann in Stahlstäbe von 25 mm Durchmesser heißgewalzt wurden. Für die erfin­ dungsgemäßen Stäbe betrug die Walztemperatur 700 bis 860°C und nach dem Walzen wurde langsam unter Verwendung einer Abdeckvorrichtung für langsames Abkühlen von 750 auf 500°C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von maximal 0,8°C/sec abgekühlt. Die Härte dieses Stahlstabs wurde mit einem Rockwell-Härtemessgerät ermittelt. Der Stahlstab wurde dann ma­ schinell bearbeitet und zu Wellen der in Fig. 1 gezeigten Form formgewalzt und schließlich induktionsgehärtet. Das Tempern erfolgte bei 180°C über einen Zeitraum von einer Stunde.

Jeweils an beiden Enden der Welle angeordnete Verzahnungen wurden fixiert und sodann auf Torsionsfestigkeit und Torsionsermüdung untersucht. Für das Teststück zur Bestimmung der Torsionsfestigkeit wurde das Induktionshärten und Tempern so durchgeführt, daß der Betrag t/r für die Härtetiefe der Evolventenverzahnung am Wellenende 0,50 betrug. Die Korngröße wurde nach dem Verfahren gemäß JIS G 0551 ermittelt. Die Härtetiefe wurde nach dem Ver­ fahren zur Messung der mittels Induktionshärten bewirkten Härtetiefe gemäß Spezifikation JIS G 0559 ermittelt und das Verhältnis der Härtetiefe auf Grundlage der Härtetiefe bestimmt.

Nach dem Induktionshärten und Tempern belief sich der Betrag für die Härtetiefe der Evol­ ventenverzahnung am Wellenende auf 0,44 bis 0,55. Die Bruchform und die Torsionsfestigkeit für die induktionsgehärteten Materialien sowie die Oberflächenhärte der Evolventenverzah­ nung am Wellenende nach dem Induktionshärten, die austenitische Korngrößenzahl sowie die Härte eines jeweiligen Stahls sind in Fig. 2 wiedergegeben.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, zeigen die erfindungsgemäßen Stähle im Vergleich mit Vergleichsstählen eine geringere Materialhärte, sind besser maschinell bearbeitbar und lassen sich bei der Herstellung von Wellen walzen. Die Materialhärte des Vergleichsstahls Nr. 5 war höher als die erfindungsgemäß spezifizierte Obergrenze für den Härtebereich. Infolgedessen waren die maschinelle Bearbeitbarkeit und die Formwalzbarkeit nicht zufriedenstellend. Für den Vergleichsstahl Nr. 5 waren die Gehalte für Mangan, Chrom und Stickstoff jeweils höher als die jeweiligen erfindungsgemäß spezifizierten Obergrenzen für die Gehalte von Mangan, Chrom und Stickstoff. Für die erfindungsgemäßen Stähle waren die austenitischen Körner nach dem Induktionshärten und Tempern kleiner als bei den Vergleichsstählen. Die ungenügende Vergütung in den Vergleichsstählen Nr. 4 und 5 beruht auf der Tatsache, daß der Stickstoffgehalt höher als die erfindungsgemäß spezifizierte Obergrenze für den Stickstoffgehalt war und dieser hohe Stickstoffgehalt führte zur Produktion großer Mengen an TiN und sorgte dafür, daß der produzierte Gehalt an feinverteiltem TiC ungenügend war.

Desweiteren war die Bruchart für erfindungsgemäße Stähle ein Verformungsbruch und im Vergleich mit den Vergleichsstählen war die Torsionsfestigkeit größer. Die nicht zufriedenstellende Festigkeit für Vergleichsstahl Nr. 4 ist der Tatsache zuzuschreiben, daß die Gehalte für Kohlenstoff und Molybdän jeweils niedriger lagen als die erfindungsgemäß spezifizierten Untergrenzen für die Kohlenstoff und Molybdänbereiche und die Chrom- und Stickstoffgehalte höher lagen als die jeweiligen erfindungsgemäß spezifizierten Obergrenzen für die Chrom- und Stickstoffbereiche. Die ungenügende Festigkeit von Vergleichsstahl Nr. 5 ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß der Molybdängehalt niedriger lag als die erfindungsgemäß spezifizierte Untergrenze für den Molybdänbereich und die Chrom- und Stickstoffgehalte lagen höher als die jeweiligen erfindungsgemäß spezifizierten Obergrenzen für die Chrom- und Stickstoffbereiche.

Für den erfindungsgemäßen Stahl Nr. 2 und Vergleichsstahl Nr. 4 wurden die Wellen nach Induktionshärten und Tempern auf Torsionsermüdung untersucht, um die Torsionslast und die Anzahl der Lastwechsel bis zum Bruch der Welle zu ermitteln. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 wiedergegeben. Wie aus Fig. 3 ersichtlich wies der erfindungsgemäße Stahl über die gesamte Nutzungsdauer eine höhere Widerstandkraft gegenüber Ermüdung auf als der Vergleichsstahl.

Als nächstes wurden für Stahl Nr. 3 Wellen auf die gleiche oben beschriebene Art und Weise hergestellt. In diesem Falle wurde das Verhältnis der Härtetiefe der Evolventenverzahnung am Wellenende wie in Fig. 2 wiedergegeben variiert, indem die Bedingungen beim Induktionshärten nachreguliert wurden. Für die so erhaltenen Wellen ist die Torsionsfestigkeit zusammen mit der austenitischen Korngröße der Evolventenverzahnung am Wellenende in Tabelle 2 wiedergegeben.

Tabelle 2

Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, wiesen die Wellen gemäß der erfindungsgemäßen Beispiele ausgezeichnete Torsionsfestigkeit auf. Ein Vergleich des erfindungsgemäßen Beispiels 1 mit dem erfindungsgemäßen Beispiel 2 zeigt, daß wegen der kleineren austenitischen Körner die Welle des erfindungsgemäßen Beispiels 1 für die relativ kleine Härtetiefe eine gute Festigkeit aufwies. Im Gegensatz dazu war in den Vergleichsbeispielen 4 und 5 die Torsionsfestigkeit wegen der unter der erfindungsgemäß spezifizierten Untergrenze liegenden effektiven Härtetiefe (Vergleichsbeispiel 4) oder wegen der über der effektiven Härtetiefe der erfindungsgemäß spezifizierten Obergrenze liegenden effektiven Härtetiefe (Vergleichsbeispiel 5) geringer.

Mit der erfindungsgemäße Antriebswelle hoher Festigkeit und dem Verfahren zu ihrer Herstellung konnte eine Antriebswelle mit ausgezeichneter Torsionsfestigkeit und Widerstanmdsfähigkeit gegenüber Torsionsermüdung zur Verfügung gestellt werden. Desweiteren sind infolge der verminderten Materialhärte die Drehbarkeit und die Formwalzbarkeit ebenfalls gut. Daher ist die vorliegende Erfindung vom industriellen Standpunkt aus bedeutsam.

Claims (4)

1. Antriebswelle hoher Festigkeit mit Evolventenverzahnung, wobei die Antriebswelle als Stahlmaterial (in Gew.-%) umfaßt:
Kohlenstoff 0,48 bis 0,58%, Silicium 0,01 bis 0,15%, Mangan 0,35 bis 0,75%, 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 0,02 bis 0,08%, und zusätzlich Stickstoff beschränkt auf höchstens 0,005% (einschließlich 0%), Chrom beschränkt auf höchstens 0,1% (einschließlich 0%), Phosphor beschränkt auf höchstens 0,02% (einschließlich 0%), und Sauerstoff beschränkt auf höchstens 0,002% (einschließlich 0%), wobei der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht und die Verzahnung am Wellenende ein Verhältnis t/r von effektiver Härtetiefe t zum Radius r von 0,3 bis 0,7 aufweist, wobei die Härtetiefe nach JIS G 0559 (Japanischer Industrie Standard) bestimmt wird.

2. Antriebswelle hoher Festigkeit nach Anspruch 1, worin die Evolventenverzahnung am Wellenende eine austenitische Korngöße von mindestens 8 aufweist, ausgedrückt als Korngrößenzahl gemäß der Spezifikation in JIS G 0559 (Japanischer Industrie Standard).

3. Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle hoher Festigkeit mit Evolventenverzahnung in den Schritten: maschinelle Bearbeitung und Formwalzen eines Stahls mit (in Gew.-%): Kohlenstoff 0,48 bis 0,58%, Silicium 0,01 bis 0,15%, Mangan 0,35 bis 0,75%, 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 0,02 bis 0,08%, und zusätzlich Stickstoff beschränkt auf höchstens 0,005% (einschließlich 0%), Chrom beschränkt auf höchstens 0,1% (einschließlich 0%), Phosphor beschränkt auf höchstens 0,02% (einschließlich 0%), und Sauerstoff beschränkt auf höchstens 0,002% (einschließlich 0%), wobei der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht und der Stahl eine Härte von 85 bis 95 HRB aufweist,
in eine Welle mit vorbestimmter Form; und
anschließendem Induktionshärten der Welle und Tempern der induktionsgehärteten Welle bei einer Temperatur von 120 bis 200°C, wodurch eine Antriebswelle mit Evolventenverzahnung am Wellenende mit einem Verhält­ nis t/r von effektiver Härtetiefe t zum Radius r von 0,3 bis 0,7 gebildet wird, wobei die Härtetiefe nach JIS G 0 559 (Japanischer Industrie Standard) bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, in welchem die austenitische Korngöße der Evolventenverzahnung am Wellenende auf einen Wert von mindestens 8 eingestellt wird, ausgedrückt als Korngrößenzahl gemäß der Spezi­ fikationen JIS G 0559 (Japanischer Industrie Standard).