DE4040520A1

DE4040520A1 - Verfahren zur herstellung einer induktions-gehaerteten, ein drehmoment uebertragenden welle aus eisen

Info

Publication number: DE4040520A1
Application number: DE4040520A
Authority: DE
Inventors: Gregory A Fett
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1990-12-18
Publication date: 1991-07-04
Anticipated expiration: 2010-12-19
Also published as: FR2656665B1; FR2656665A1; KR100196341B1; JPH0679541A; DE4040520C2; KR910012275A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer induktions-gehärteten, ein Drehmoment übertragenden Welle aus Eisen und allgemein ein Induktions-Härte-Verfahren.

Drehmoment übertragende Wellen aus Metall und ähnliche Kom ponenten sind weit verbreitet in verschiedenen Anwendungs fällen. Insbesondere werden drehbare metallische Drehmoment übertragende Wellen häufig bei Fahrzeugen im Antriebsbe reich verwendet einschließlich Achswellen, Gelenkwellen und dergleichen. Im Betrieb können diese Wellen relativ großen Drehmomentbelastungen ausgesetzt sein, wenn das Fahr zeug durch den Motor angetrieben wird. Solche Wellen müssen daher ausreichend gehärtet sein, um diese Belastungen über tragen zu können.

Fahrzeugantriebswellen bestehen gewöhnlich aus gehärtetem Stahl. Bisher werden diese Stahlwellen mittels eines kon ventionellen Härteprozesses gehärtet. Mit anderen Worten, die gesamte Welle (von der Oberfläche bis zum Kern) wurde gehärtet gewöhnlich im Bereich von 45RC bis 50RC. Wellen dieser Art können die erforderlichen Drehmomente übertragen, haben aber relativ geringe Dauerfestigkeit. Derartige ge härtete Wellen fallen daher leicht aus infolge wiederholter Belastungen, die durch den Fahrzeugmotor und andere Quellen erzeugt werden.

Neuerdings werden Fahrzeugwellen aus Stahl hergestellt, der nur an und im Bereich der Oberfläche gehärtet ist. Die Kerne dieser Wellen werden nicht gehärtet oder nur in ge ringerem Maße gehärtet. Gewöhnlich sind die Oberfläche und die äußeren Bereiche solcher Wellen gehärtet mit Härten im Bereich von 50RC bis 55RC, während ihre Kerne ungehärtet bleiben oder nur schwach gehärtet werden auf etwa 20RC bis 30RC. Dieser Oberflächenhärtprozeß von Stahlwellen wurde mittels konventioneller Induktionshärtetechniken durchge führt. Die so geschaffenen Wellen können die erforderlichen Drehmomente übertragen, zeigen aber ein schlechteres Verhalten gegen Stöße und Ermüdung.

Obwohl oberflächengehärtete Stahlwellen und andere Dreh moment übertragende Teile in Fahrzeugen zufriedenstellend arbeiten, sind andere Betrachtungen vordringlich geworden. Insbesondere die Kosten der Herstellung einer bestimmten Welle oder Komponente aus Stahl sind hoch und stellen einen Bereich einer potentiellen Kosteneinsparung dar. Es ist da her erwünscht, solche Wellen aus weniger teurem Material bei gleichem zufriedenstellendem Betriebsverhalten herzu stellen.

Die Erfindung befaßt sich daher mit einer Methode zur Her stellung einer induktions-gehärteten Drehmoment übertragen den Welle aus Eisen. Hierbei wird zunächst ein Rohling der Welle gegossen oder anderweitig hergestellt. Der Rohling wird dann wärmebehandelt, so daß das Eisen eine gewünschte Mikrostruktur erhält, zum Beispiel Perlit, Bainit oder ge temperter Martensit. Nach der Wärmebehandlung wird die un gehärtete Welle bearbeitet, um ihr die gewünschten Toleran zen oder die spezielle gewünschte Form zu geben. Zuletzt werden die Oberfläche und die Außenbereiche der Welle ge härtet vorzugsweise mittels einer Induktions-Härte-Vorrich tung. Als Folge hiervon sind die Oberfläche und die Außen bereiche der Eisenwelle gehärtet, während die inneren Be reiche der Welle relativ ungehärtet bleiben.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer induktions-gehärteten Drehmoment über tragenden Welle aus Eisen zu schaffen.

Die Welle soll insbesondere aus einem Material bestehen, das billiger ist als das bisher verwendete, sie soll je doch trotzdem zufriedenstellend im Betriebsverhalten sein.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert, deren einzige Zeichnung ein Arbeitsdiagramm mit den Ar beitsschritten zeigt, die zur Herstellung einer Welle nach der Erfindung ausgeführt werden.

Anhand der Zeichnung werden nun die einzelnen Arbeits schritte im Detail erläutert. Die hier verwendete Bezeich nung "Welle" bedeutet eine Komponente, die in der Lage ist, im Betrieb zu rotieren und ein Drehmoment zu übertragen. Der erste Arbeitsschritt besteht darin, einen Rohling der Welle zu schaffen. Dies wird ausgeführt, indem zunächst eine Menge oder Masse aus Eisen in die allgemeine Form einer Welle gebracht wird. Jeder geeignete Gießprozeß kann hierzu angewendet werden. Vorzugsweise wird zur Herstellung der Rohform geschmeidiges oder duktiles Eisen verwendet.

Der nächste Schritt besteht darin, den Rohling so zu be handeln, daß das Eisenmaterial eine vorgegebene Mikrostruk tur erhält. Die gewünschte Mikrostruktur ist allgemein be stimmt durch die Verwendung einer ausreichenden Menge an Kohlenstoff, der in die Matrix des Eisenmaterials eindif fundiert, um eine nachfolgende Härtung des Rohlings aus führen zu können. Zu diesem Zweck wird der Rohling über die Austenit-Temperatur erwärmt (die für Eisen bei etwa 790°C liegt) und dann abgekühlt. Wie bekannt, wird durch die Rate, mit der der Rohling abgekühlt wird, die Mikrostruktur des Eisenmaterials bestimmt. Die Bildung von Perlit, Bainit oder getempertem Martensit ist erwünscht, da sie eine nachfolgende Härtung des Rohlings erlaubt, wie noch er läutert wird. Allgemein ist die Bildung von Ferrit nicht erwünscht.

Als Alternative zu dieser Wärmebehandlung ist es möglich, in einigen Fällen den Rohling in der Weise zu gießen, daß der Perlit sich beim Abkühlen des gegossenen Rohlings bil det. Dies kann erreicht werden durch Zugabe einer bestimm ten Menge eines Legierungsmaterials, z. B. Kupfer, zu dem geschmolzenen Eisen beim Gießen des Rohlings. Die Anwesen heit des Legierungsmaterials im geschmolzenen Eisen bewirkt die Bildung von Perlit beim Abkühlen des Rohlings. Ein se parater Arbeitsschritt, d. h. eine Wärmebehandlung des Roh lings, zur Erreichung der gewünschten Mikrostruktur kann hierdurch eliminiert werden. In jedem Fall jedoch ist die so entstehende Komponente eine ungehärtete Welle mit der allgemeinen Gestalt der gewünschten fertigen Welle.

Danach werden die Teile der ungehärteten Welle maschinell bearbeitet oder anderweitig abgetragen, falls erforderlich, um die gewünschten Toleranzen und spezifischen Formen der Welle zu schaffen. Jeder konventionelle Bearbeitungsprozeß kann hierbei angewendet werden. Nach dieser Bearbeitung hat die ungehärtete Welle die gewünschte fertige Form.

Der letzte Arbeitsschritt besteht darin, die Oberfläche und die Außenbereiche der ungehärteten Welle zu härten. Diese Härtung wird vorzugsweise in einer konventionellen Induk tionsheizvorrichtung vorgenommen. Die Induktionsheizvorrich tung steigert die Temperatur der Oberfläche und der Außen bereiche der ungehärteten Welle auf eine Temperatur typisch im Bereich von etwa 900°C. Die Dauer der Erwärmung und die Qualität des Eisens bestimmen die Eindringtiefe dieser Wärme behandlung. Die Erwärmung der ungehärteten Welle wird fortgesetzt, bis die Wärmebehandlung eine vorgegebene Tiefe erreicht hat, die abhängt von dem beabsichtigten Gebrauch der Welle und der zu erwartenden Belastungen. In jedem Fall ist es erwünscht, die Erwärmung abzubre chen, ehe die inneren Bereiche der Welle erwärmt werden, so daß eine nachfolgende Härtung der Innenbereiche nicht auftritt.

Nachdem die ungehärtete Welle erhitzt worden ist, wird sie relativ schnell abgekühlt. Die Abkühlungsrate ist bestimmt durch die gewünschte Härte der Oberfläche und der Außenbereiche der Welle und durch die Güte des ver wendeten Materials. Der Abkühlprozeß kann in jeder kon ventionellen Weise durchgeführt werden. Es wurde als er wünscht gefunden, die Außenbereiche der Welle zu härten auf eine Härte im Bereich von 50RC bis 55RC, während die Innenbereiche auf weniger als 30RC Härte belassen werden. Die so hergestellte gehärtete Eisenwelle hat sich im Be trieb in zahlreichen Anwendungsfällen als sehr gut ge zeigt im Vergleich mit einer vergleichbaren Stahlwelle.

Eine auf diese Weise hergestellte Eisenwelle ist beträcht lich billiger herzustellen als eine vergleichbare Stahl welle. Einige Kosten können eingespart werden, weil Eisen allgemein billiger ist als Stahl. Andere Einsparungen las sen sich erzielen, weil das Eisen allgemein weniger Bear beitung benötigt als Stahl. Eisen kann, wie bereits er läutert, einfach als Rohling gegossen werden, während, wenn Stahl verwendet wird, der Rohling nicht gegossen, sondern geschmiedet wird. Schmieden ist jedoch allgemein schwieriger und zeitraubender als das einfache Gießen. Die Verwendung von Eisen ermöglicht somit beträchtliche Kosteneinsparungen gegenüber der Verwendung von Stahl.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer induktions-gehärteten, Drehmoment übertragenden Welle aus Eisen, dadurch ge kennzeichnet, daß

a) ein Wellen-Rohling aus Eisen gebildet wird;
b) der Rohling wärmebehandelt wird, um eine ungehär tete Eisenwelle mit einer vorgegebenen Mikrostruk tur zu bilden; und
c) die Oberfläche und die Außenbereiche der ungehär teten Welle gehärtet werden, so daß die Oberfläche und die Außenbereiche der so gebildeten Eisenwelle gehärtet sind, während die inneren Bereiche dieser Welle relativ ungehärtet bleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling gegossen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenmaterial durch die Wärmebehandlung eine Perlit- Mikrostruktur erhält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenmaterial durch die Wärmebehandlung eine Bainit- Mikrostruktur erhält.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenmaterial durch die Wärmebehandlung eine getem perte Martensit-Mikrostruktur erhält.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ungehärtete Welle nach der Wärmebehandlung des Roh lings maschinell bearbeitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Härtung der Oberfläche und der Außenbereiche durch Induktionshärtung erfolgt.

8. Verfahren zur Herstellung einer induktions-gehärteten, Drehmoment übertragenden Welle aus Eisen, dadurch ge kennzeichnet, daß eine ungehärtete Welle aus Eisen mit einer vorgegebenen Mikrostruktur gebildet wird; und daß die Oberfläche und die Außenbereiche der ungehärteten Welle derart gehärtet werden, daß die Oberfläche und die Außenbereiche der so gebildeten Eisenwelle gehär tet sind, während die Innenbereiche der Welle relativ ungehärtet bleiben.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen erhitzt wird, bis es schmelzflüssig wird, daß dem schmelzflüssigen Eisen ein Legierungsmaterial zuge geben wird, daß die Eisenlegierung in eine Form gegossen wird, welche die allgemeine Form der Welle hat, und daß die gegossene Eisenlegierung abgekühlt wird, um die un gehärtete Welle zu bilden.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenmaterial eine Perlit-Mikrostruktur erhält.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ungehärtete Welle maschinell bearbeitet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Härtung der Oberfläche und der Außenbereiche der Welle durch Induktionshärtung erfolgt.