DE2138599A1

DE2138599A1 - Verfahren zur erhoehung der werkstofffestigkeit von hochbeanspruchten bauteilen und nach diesem verfahren behandelte welle

Info

Publication number: DE2138599A1
Application number: DE19712138599
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl Phys Dr Hoernig; Wolfgang Dipl Ing Sieder
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1971-08-02
Filing date: 1971-08-02
Publication date: 1973-02-15
Also published as: FR2148188A1; GB1395419A; DE2138599C2; FR2148188B1

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft
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■ Palm- 9158/4. 30. Juli 1971

Verfahren zur Erhöhung der Werkstofffestigkeit von hochbeanspruchten Bauteilen und nach diesem Verfahren behandelte Welle

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Werkstofffestigkeit von hochbeanspruchten Bauteilen, wie Wellen, insbesondere Kurbelwellen von Kraftfahrzeugen, die Absätze und Abrundungen zu diesen hin.aufweisen und die teilweise an und zwischen den durch die Abrundungen entstandenen Hohlkehlen sowie an Wellenzapfen oberflächen— gehärtet und nach dem Härten richtbar sind, da die Wellen nach dem Härten Verzüge aufweisen können.

Zweck der Erfindung ist. es, die Werkstofffestigkeit von Kellen mit Absätzen und zu diesen führenden abgerundeten Übergängen zu.erhöhen, wobei die entstehenden Verzüge anteilig herausgerichtet und lierausgeachliffen werden sollen.

Es sind bereits Verfahren bekannt, die das gleiche Ziel haben, nämlich eine Erhöhung der Werkstofffestigkeit Insbesondere an den Übergängen von Wellen und Kurbelwellen zu erreichen» Hierbei entspricht der Begriff Werkstofffestigkeit einer Zusammenfassung der Begriffe: Dauerwechselfestigkeit, Oberflächenhärte* und Verschleißfestigkeit.

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BAD OFIiQIWAL

Dei einem'der bekannten Verfahren zum Erreichen der genannten Ziele werden die an den Übergängen befindlichen Hohlkehlen gehärtet, wobei die Härte in den Hohlkehlen in der Größenordnung der Laufflächenhärte eingestellt wird. Weiterhin wird Gas- oder Badnitrierung* neuerdings auch Ionitrierung sowie Kaltverfestigung der Übergänge durch Rollen angewendet. Die zuerst genannten beiden Verfahren eignen sich in hervorragender Weise zur Dauerfestigkeitssteigerung in den Übergängen und zur Verschleißminderung der Laufflächen von Kurbel- und anderen Wellen, wenn die Wellen nach der Behandlung praktisch verzugsfrei sind und nicht mehr iiachge— richtet zu werden brauchen.

^ Eine' derartige Nachrichtung ist aber bei langen abgesetzten oder gekröpften Bauteilen, insbesondere bei Kurbelwellen wegen der bei den angewandten relativ hohen Temperaturen erfolgenden Auslösung von Eigenspannungen nicht zu uiagehen. Der bei den hohen iemperaturen eintretende Verzug erfordert einen Rieht Vorgang, der häufig entweder zu Anrisses oder zu einem Dauerfestigkeitsabfall unter den Uert der uiibehaiadelten Welle an der Stelle der plastischen Riehtve-rforiaungen. fülirt· Die gewöhnliche Übergangshärtung kann deshalb aur dort eingesetzt werden, wo nicht gerichtet "wird, z,B« bei Übergangsabrundungen, die ara Wellenende liegen, wie es ja auch box Kurbelwellen der Fall ist.

m Die Bad- und besonders' die Gasnitrierung ist wegen ü@r langen Verweilzeiten der Bauteile Im Bad bzw. χει Ofsa. sehr aufwexidig und für eino Gx'oß Serienfertigung nicht oliixe heiteres geeignet, zumal dabei ein nachträgliches Richten durch plastische. Verformung in den Übergangsbogen iisgsn äar Rißgefahr ebenfalls nicht möglich ist-

Aufgabe der E-rfinduiig ist e-3, mit gegenüber der Laufflächenhärtung an Kurbelwellen erträglichem Mehraufwand eine Dauerfestigkeitssteigerung aller Übergangs-Ilohlkehlen einer Kurbelwelle möglichst bei Erhaltung der

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BAD.

ί ν ν- ν Ο >.'

Riehtfähigkeit herbeisuführen,, so daß ein Teil des ©Bit» stehenden -Verzugs iierausgeri eistet -sand tier Rest !se rams geschliffen werdeii kanns, wobei die Härtesone teilweise abgeschliffen wird. Dabei soll die Steigerung der Werkstofffestigkeit -im den Übergangsbögen.-der" Wellen .©des* Kurbelwellen ent apre cliend «3©ss fcsa-aazaMLIbeciisägtesi BeasaspmiclatuigeB ■verlaufens wobei [email protected] die ©rsielte höher© Dauerweehselfestigkei-t ass Jeder St.©ll@ der. Well© ■über- der jeweils an dieser Stalle «aöglLlcltaesi. dyBamischesa BeasasprnaeSausag liegeaa. rauß<> Meiterfeisa. ist Äuafgabe, <äes* Erfindung $ die ¥erkstofffestigkeita di© -sicSa ia ■ dey Obesrflächenhärte aus drückt«,

gezielt zu".steigern©" s^@ daß aicSi ®Im Optimum Ssimeichtlich der ¥erforaningsfähigl?©it und ($&£ DauerwecSjselfestigke-itssteigerrmg im Übergangsbogen ©rgilst» Babei ist auch die weitere Aufgabe" zii he achten k -daß das ¥©2*fahren bei Kurbelwellen anwendbar und in"Serieafert±g«aag^r duarefeführbar ■ sein aiuß·· Weiterhin müssen die LaufClSdiea-&?®i Sarbielwellonlageraapfen so najrt sein, daß sia «äsasuläasig &®ii@s* FsrseSaleiß trsnaieden wird» Die- Lauffläcfeea Hiüssea ©Is© sair ITeffstae'idusag ^©m V-erscalelßbeansprueSiunge& eisae a^asröi^liead Sipfe© C rflaclaenharte aufweisen« . .

Diese Aufgabesa werdsia dureSa. ^ie Er^iiadujag dadurch gelöst-ο daß die gelaärtötoia. Ste^Lesa■■ iaa Längsschnitt der Kurbelwelle eine asi sicSi bskasasate se&al.©saf©rsii'g bagreazte Hartss©n@ auf* tjöieesa.» wobei «Sie Häs-tetieC© "s^nigstene bis a«r Hälfte -der Hohlkehlen" äsmäherad gloieSx".bleibt .^a»d-sich erst b©i'dem oder nach dem übrusa«taagsea«Se Isis ataf HuIi verrisigert· Babei kSnnen entweder die JMlMmsadungsa Jeweils mögüehst über "die. Hälfte hinaus tma die ILattfflacmeffi. ©isae Eockwelllsärte ^n-ζ·Β. etwa 4l - %8 aufweisen« die ssacli der Mitte der Abrundung ab erst allmählich und dann starker bis auf die der Vergütungsfestigkeit entsprechende Rockwellhärte abnimmt, oder die Lauf flachen können eine höhere Härte aufweisen als die Hohlkehlen·

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' Eine Lösung der Erfindungsaufgaben wird weiterhin darin gesehen, durch die Einstellung des Härteautomaten in Leistung, Aufheizzeit, Absehreckverzögerung, Abschreckmittel und zeitlich angepaßten AnIaßvorgangen die Härtekurve an den Verlauf der Beanspruchung der Kurbelwelle bei Biegung anzupassen, dergestalt, daß die im Endzustand erzielte Dauerwechselfestigkeit an jeder Stelle über der Größe der dort auftretenden Biegebeanspruchung liegt. In weiterer Ausgestaltung -der Erfindung kann eine Welle den beschriebenen Verfahren entsprechend gehärtet und dann eine weitere Härtung nur an den zylindrischen Laufflächen der Welle durchgeführt werden, so daß sich dort eine verschleißhemmende ' höhere Härte einstellt als in den Hohlkehlen·

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungebeispielen in der folgenden Beschreibung näher erläutert, der auch weitere Einzelheiten der Erfindung entnommen werden können* Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Teil der Oberfläche einer Kurbeiwelle an der Hubzapfenunterseite, bei der die Härtezone und die Oberflächenhärte schematisch dargestellt sind, wie diese durch ein entsprechendes Härteverfahren erreicht werden können, das sich aber in der Serienfertigung nicht bewähren konnte $

Pig· 2 in gleicher Weise die Darstellung von Härtezone und Oberflächenhärte mit dem Unterschied, daß hier die Härtung über das Ende der Abrundung hinauareicht und die Oberflächenhärte der Lauffläche mindestens bis zur Hälft« der Abrundung etwa gleich groß ist wie die der Hohlkehlen, aber insgesamt niedriger als die der Laufflächen von Fig· i;

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Fig. 3 ebenfalle in schematischer Darstellung Härtezone und Oberflächenhärte als Ergebnis der erfindungsgemäßen Doppelhärtung·

Bei dieser Darstellung gibt, jeweils die gezeigte Härtezone 1 * die Tiefe der Härtung, die Kontur 6, ?, 8, 11 die Größe der Oberflächenhärte über der Lauffläche 4 und den Hohlkehlen 3 bzw« noch darüber hinaus, gezeichnet z.B. für die Unterseite eines Hubzapfens, an.

Es ist üblich, Laufflächen 4 und Hohlkehlen 3 von Kurbelwellen so zu härten, daß die Härtezone 1 einen schalenform!- gen Verlauf aufweist, wobei zwar die auslaufenden Enden 2 etwa bis zum Ende der Hohlkehlen 3 oder über diese hinausreichen können, aber bei annähernd der relativ hohen Laufflächenhärte (z.B. 53 - 59 Rockwell) auch in der Hohlkehle selbst. Wegen der hohen Hohlkehlenhärte konnte bei letzterer jedoch nicht nachgerjLchtet werden.

Weiterhin wurde versucht, etwa wie in Fig. 1 dargestellt ist, zu härten, so daß die Härtezone noch in der Hohlkehle oder mit derselben flach ausläuft, so daß bei einer Laufflächenhärte von z.B. 52 - 59 Rockwell in.Hohlkehlenmitte 5 eine Rockwellhärte von z.B. nur Al-- 'iß Rockwell entsteht. Dieses Verfahren erlaubte zwar begrenzte Richtoperationen, konnte aber in der Serienfertigung wegen erforderlicher enger Zapfentnaß toi e ranzen nicht eingesetzt werden«

Demgegenüber soll sich die Erfindung auf Härteverfahren beziehen, die den in den Fig· 2 und 3 dargestellten Härtungsverlauf ergeben. -

Nach Fig, 2 soll die Härtetiefe 1 in der Lauffläche 4 und in der Hohlkehle 3 his über den Strahl 5 hinaus etwa gleichmäßig verlaufen, so daß die Härtezone erst nach Durchlaufen

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BAD

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-der Hohlkehle ausläuft. Ein nicht zu größer- unterschied zwischen der Härte tiefe auf der Mitte der Lauffläche 4 und der auf der Mitte 5 der Hohlkehle 3 ist dabei zulässig. Die Größe der Oberflächelnhärte ist mit z.B. 4l - 48 Rockwelleinheiten einheitlich für Lauffläche und Hohlkehle mindestens bis zum Strahl 5· Danach fällt die Rockwellhärte allmählich §uf die Höhe der Vergütungsfestigkeit ab. Dieses in Fig. 2 dargestellte Härtebild kann z.B. mit Hilfe von geeigneten Induktoren und durch nachträgliches genügend hohes Anlassen der Kurbelwelle erzeugt werden.

Bei der in Fig· 3 dargestellten Härtung ist öle Härtetiefe P über die Lauffläche 4 und die Hohlkehlen 3 gleich wie bei Fig. 2 verteilt. Der angestrebte Rockwellhärte verlauf jedoch erfordert in der Lauffläche Λ die höhere Härte 8 von z#B. 53 ν- 59 Rockwelleinheiten, während für die Hohlkehle selbst im Bereich des Strahls 5 nur z*B. 4l - 48 Rockwelleinheiten erwünscht sind. Der Übergang von der höheren Laufflächenhärte 8 von z.B. 53 - 59 Rockwelleinheiten zur niedrigen Hohlkehlenhärte 7 von z.B. 41 - 48 Rockwelleinheiten könnte im Idealfall etwa dem gestrichelten Verlauf 11' entsprechen, in der Praxis kommt jedoch ein solcher entsprechend der Linie 11 durch die Anlaßwirkung zustande. Das Härtebild entsprechend Fig. 3 wird durch Doppelhärtung fe erreicht, wobei beide Härtevorgänge so abgestimmt sein müssen, daß im Endzustand das gewünschte Härtebild entsteht, • sowie der Übergang 11 in der Rockwellhärte über der Vergütungsfestigkeit des Grundmaterial© und die zugehörige Dauerwechselfestigkeit über dem Beanspruchungswert an dieser Stelle liegen müssen·

Die erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich insbesondere bei Kurbelwellen anwenden« die in der Großserie in großer Stückzahl hergestellt werden« Mit der Erfindung läßt sich mit

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relativ einfachen Mitteln eine Dauerfestigkeitssteigerung herbeiführen, ohne daß die Wellen in ihren Abmessungen ge-; ändert zu -werden brauchen. Darüber hinaus können Wellen, die nach den erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden, gewichts- und volumenmäßig leichter dimensioniert werden.

Die erfindungsgemäßen Verfahren sind besonders gut deshalb zur Anwendung bei Kurbelwellen geeignet, weil diese nach der Härtung gerichtet werden können* Bei bisher bekannten Verfahren führte das Richten entweder zu Anrissen oder zu einem Dauerfestigkeitsabfall unter den Wert der unbehandelten Welle. Diese Nachteile werden vermieden, wenn das Verfahren gemäß der Erfindung angewendet wird· Die !«aufflächen 4 der Wellen sind nach der Behandlung ausreichend hart, um Lagerverschleiß genügend Widerstand entgegenzusetzen.

Durch den in Fig. 2 «ad Pig. 3 dargestellten Verlauf der Härtetiefe in den Hohlkehlen in Verbindung mit der in Hohlkehlenmitte eingestellten Rockwellhärte von etwa 4l >- 48 wird erreicht, daß ein Teil des entstehenden Verzugs herausgerichtet und der Rest herausgeschliffen werden kann. Infolgedessen stellen die Fig. 1 bis 3 den Zustand vor dem Fertigschleifen dar.

Die Größe der Steigerung der Dauerfestigkeit in den Hohlkehlen ist'bei der durch die erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Oberflächenhärte allerdings abhängig davon, ob und in welchem Umfange eine Richtverformung notwendig war.

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Claims

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Ansprüche ·

1· Verfahren zur Erhöhung der Werkstoff festigkeit von hochbeanspruchten Bauteilen, wie Wellen, insbesondere Kurbelwellen von Kraftfahrzeugen, die Absätze und Abrundungen zu diesen hin aufweisen und die teilweise an und zwischen den durch die Abrundungen entstandenen Hohlkehlen sowie an Wellenzapfen oberflächengehärtet und nach dem Härten richtbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Stellen in Längsschnitt der Kurbelwelle eine an sich bekannte schalenförmig begrenzte Härtezone (l) aufweisen, wobei die Härtetiefe wenigstens bis zur Hälfte der Hohl-A kehlen (3) gleich bleibt und sich erst bei dem oder nach

dem Abrundungeende bis auf Null verringert·

2» Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkehlen (3) und die zwischen den Hohlkehlen be-

findliche Lauffläche (k) einer Welle durch einstellung des Härteautomaten in Leistung, Aufheizzeit, Abschreckverzögerung, Abschreckmittel und zeitlich angepaßten AnIaßvorgangen eine Oberflächenhärte (6, 7, β, 11* bzw· ll) aufweisen, wobei die zugehörige Dauerwechselfestigkeit an den betreffenden Stellen mindestens der Größe der dort bei Biegung auftretenden Beanspruchung entspricht.

3· Anwendung des Verfahrens netch Anspruch 1 oder 2 bei einer Welle, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle zunächst nach den im Anspruch 1 beschriebenen Verfahren gehärtet wird und danach eine weitere Härtung nur an den zylindrischen Laufflächen (4) durchgeführt wird, so daß sich dort eine verschleißhemaende höhere Härte einstellt als in den Hohlkehlen (3).

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