DE4040520A1 - Verfahren zur herstellung einer induktions-gehaerteten, ein drehmoment uebertragenden welle aus eisen - Google Patents
Verfahren zur herstellung einer induktions-gehaerteten, ein drehmoment uebertragenden welle aus eisenInfo
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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 (12)
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.
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