DE10256689A1

DE10256689A1 - Gelenkkette mit nitriertem Gelenkbolzen

Info

Publication number: DE10256689A1
Application number: DE10256689A
Authority: DE
Inventors: Volker Hirschmann; Berndt Roehrig
Original assignee: Joh Winklhofer and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Joh Winklhofer Beteiligungs GmbH and Co KG
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2003-11-13
Also published as: DE20206947U1; US20050176539A1; WO2003093698A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gelenkkette mit jeweils über ein Kettengelenk miteinander verbundenen Kettengliedern, wobei sich jeweils ein Gelenkbolzen zum Bilden eines Kettengelenks durch mindestens eine Gelenköffnung erstreckt und eine Lagerfläche der Gelenköffnung von einem Sintermaterial gebildet ist, wobei der Gelenkbolzen aus einem legierten Stahl hergestellt ist und eine die Lagerfläche bildende Randschicht der Gelenkbolzen eine nitrierte Oberflächenschicht aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gelenkkette mit jeweils über ein Kettengelenk miteinander verbundenen Kettengliedern, wobei sich jeweils ein Gelenkbolzen zum Bilden eines Kettengelenks durch mindestens eine Gelenköffnung erstreckt und eine Lagerfläche der Gelenköffnung von einem Sintermaterial gebildet ist.

Bei einer aus der DE 201 03 503 U bekannten gattungsgemäßen Gliederkette werden auf einem Kettenbolzen drehbar gelagerten Buchsen aus einem selbstschmierenden Material eingesetzt, um eine weitgehende Wartungsfreiheit der Kette zu erreichen. Die Buchsen bestehen aus einem Sintermaterial und sind mit einem Schmiermittel getränkt, das während der Lebensdauer der Gliederkette langsam nach außen abgegeben wird. Die Buchsen sollen eine Schmierung zwischen den gegeneinander bewegten Teilen der Kette gewährleisten, wobei durch die Buchse insbesondere eine Berührung zwischen der Innen- und Außenlasche verhindert wird.

Die JP 61184246 A beschreibt eine korrosionsbeständige Kette, bei der sowohl der Gelenkbolzen als auch die Gelenkhülse mit einer titanhaltigen Oberflächenschicht versehen sind. Diese Oberfläche wird in einem thermochemischen Verfahren bei einer Temperatur von 1000°C und einer langen Verfahrensdauer hergestellt. Durch ein titanhaltiges Reaktionsgas wird die Oberflächenschicht, je nach weiteren Bestandteilen des Reaktionsgases, durch Diffusion mit Titancarbid oder Titannitrid angereichert. Die lange Verfahrensdauer bewirkt bei geringer Materialstärke eine Veränderung der Kerneigenschaften.

Die mit der fortschreitenden technischen Entwicklung steigenden Anforderungen an die Verschleißfestigkeit von Gelenkketten, insbesondere im Automobilbereich, führt zu einem ständigen Verbesserungsbedarf und einer notwendigen Anpassung auch der Verschleißfestigkeit. Auch besteht insbesondere im Hinblick auf die im Bereich der Automobilindustrie hohen Stückzahlen die Notwendigkeit, aufwändige Lösungen zur Verschleißproblematik durch kostengünstige Konzepte zu ersetzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gelenkkette mit guten Verschleißeigenschaften bei möglichst geringen Herstellungskosten bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Gelenkkette dadurch gelöst, dass mindestens eine die Lagerfläche bildende Randschicht der Gelenkbolzen eine nitrierte Oberflächenschicht aufweist.

Zwar sind aus der JP 61184266 A Gelenkbolzen mit einer Oberflächenschicht aus Titannitrid bekannt, jedoch sind die Gelenkhülsen ebenfalls mit Titannitrid beschichtet. Bei der DE 201 03 503 U sollen gute Verschleißeigenschaften durch Sinterbuchsen erreicht werden, die mit einem Schmiermittel getränkt sind. Auf das Material oder die Oberflächenbeschaffenheit der Kettenbolzen wird dabei nicht näher eingegangen und kommt es offensichtlich aufgrund der ausreichenden Schmiermittelzufuhr nicht an. Die obigen Lösungen versuchen die Eigenschaften von Kettengelenken durch eine einzelne Maßnahme zu verbessern. Zur Verbesserung der Verschleißproblematik bei Gelenkketten die Lagerflächen des Kettengelenks durch eine auf das Gegenmaterial der Gelenköffnung oder -bolzen angepasste Material- bzw. Oberflächenauswahl aufeinander abzustimmen wird nicht angeregt.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird erstmals eine Gelenkkette bereitgestellt, die eine Lagerfläche der Gelenköffnung aus einem Sintermaterial und eine Lagerfläche der Gelenkbolzen mit einer nitrierten Oberflächenschicht kombiniert. Die Lagerfläche der Gelenköffnung und -bolzen ist die Gesamtheit der im Kettengelenk miteinander in Kontakt stehenden tragenden Flächen der Gelenköffnung und -bolzen. Die nitrierte Oberflächenschicht der Lagerfläche der Gelenkbolzen entsteht durch eine Anreicherung der Randschicht des Werkstoffs mit Stickstoff während einer thermochemischen Behandlung, wodurch die Dauerschwingfestigkeit sowie der Widerstand gegen Oberflächenzerrüttung und adhäsivem Verschleiß erhöht wird. Die besondere Werkstoffpaarung der Lagerflächen von Gelenköffnung und -bolzen führt zu einem guten Gleitverhalten des Kettengelenks und damit zu einem guten Widerstand gegen Verschleiß für die gesamte Gelenkkette. Durch die guten Gleiteigenschaften dieser Werkstoffpaarung muss das Kettengelenk nicht durch ein aus den Lagerflächen aus Sintermaterial austretendes Schmiermittel geschmiert werden und trotz verbesserter Verschleißeigenschaften können die Anforderungen an die Oberflächenschicht der Gelenkbolzen unverändert bleiben. Dadurch ist neben einer Verbesserung der Verschleißeigenschaften der Gelenkkette bei gleichbleibenden Verschleißanforderungen eine Verringerung der Herstellkosten möglich.

Eine günstige Ausführungsform sieht vor, dass der Gelenkbolzen im gesamten Bereich seiner die Mantelfläche bildenden Randschicht eine nitrierte Oberflächenschicht aufweist. Durch die ununterbrochene nitrierte Oberflächenschicht entlang der Mantelfläche der Gelenkbolzen lassen sich Schwachpunkte beim Übergang von nitrierter zu unnitrierter Oberfläche vermeiden. Zwischen den mit der Lagerfläche der Gelenköffnung in Kontakt stehenden tragenden Flächen des Gelenkbolzens können so Bereiche mit geringem Verschleißwiderstand verhindert werden.

Eine bevorzugte Modifikation sieht vor, dass der Gelenkbolzen eine oxinitrierte Oberflächenschicht aufweist. Die oxinitrierte Oberflächenschicht entsteht durch Anreicherung der Randschicht des Werkstoffs mit Stickstoff und Sauerstoff in einer thermochemischen Behandlung. Die oxinitrierte Oberflächenschicht zeichnet sich durch einen guten Widerstand gegenüber Adhäsion und eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit aus.

Eine weitere Variante sieht vor, dass die Lagerfläche der Gelenkbolzen eine nitrocarborierte Oberflächenschicht aufweist. Die nitrocarborierte Oberflächenschicht der Lagefläche der Gelenkbolzen entsteht durch eine Anreicherung der Randschicht des Werkstoffs mit Stickstoff und Kohlenstoff in einer thermochemischen Behandlung, wobei auf einer äußeren Verbindungsschicht Eisennitrid entsteht. Durch die carbonitrierte Oberflächenschicht wird der Widerstand gegen adhäsivem Verschleiß verstärkt.

Von Vorteil ist weiter, dass die nitrocarborierte Oberflächenschicht mittels eines Kurzzeitgasnitrierverfahrens hergestellt ist. Das Kurzzeitgasnitrieren ermöglicht gegenüber anderen Nitrierverfahren kurze Verfahrensdauern.

Um neben den guten Verschleißeigenschaften der Lagerfläche eine ausreichende Härte im Kern des Gelenkbolzens zu ermöglichen, kann der Gelenkbolzen aus einem legierten Stahl hergestellt sein.

Bevorzugt kann der legierte Stahl ein Nitrierstahl sein, insbesondere ein 39 CrMoV 13 9. Nitrierstähle sind besonders gut geeignet, um durch Nitrieren eine verschleißfeste Oberflächenschicht zu erzielen, da Nitrierstähle spezielle Nitridbildner enthalten, z. B. Chrom, Aluminium oder Molybdän.

Günstigerweise kann die nitrierte Oberflächenschicht eine äußere 3 bis 30 µm dicke Randschicht aufweisen, die Eisennitrid (ε-Fe_xN) umfasst. Eine solche überwiegend aus Eisennitrid bestehende Randschicht ermöglicht eine hohe Härte der nitrierten Oberflächenschicht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die nitrierte Oberflächenschicht eine Härte von 1000 bis 1500 HV 0,1 aufweist. Eine solche Härte bewirkt bei einer nitrierten Oberfläche einen sehr hohen Widerstand gegenüber adhäsivem Verschleiß.

Von Vorteil ist es gemäß einer Variante weiter, dass die Lagerfläche der Gelenköffnung von einem Stahlpulver gebildet ist. Durch den Einsatz von Stahlpulver für die Herstellung des als Lagerfläche eingesetzten Sintermaterials erreicht die Lagerfläche eine für ihren Einsatz notwendige Härte und Festigkeit.

Eine weitere Steigerung der Festigkeit der Lagerfläche der Gelenköffnung wird bei einer weiteren Ausführungsform dadurch erreicht, dass zumindestens einem Teil des Stahlpulvers mindestens ein Legierungselement zulegiert ist, insbesondere Kupfer, Nickel, Chrom, Molybdän.

Aus Vereinfachungsgründen kann die Lagerfläche der Gelenköffnung durch eine mit einem Kettenglied verbundene Gelenkhülse gebildet sein. Dadurch können das Kettenglied und die Lagerfläche aus dem Sintermaterial unabhängig voneinander hergestellt und anschließend miteinander verbunden werden.

Vorteilhafterweise kann die Gelenkhülse vollständig aus dem Sintermaterial bestehen. Dies verhindert Schwachpunkte an den Verbindungsstellen zwischen Gelenkhülse und Lagerfläche. Durch die Verringerung der notwendigen Arbeitsschritte zur Herstellung der Gelenkhülse können außerdem Produktionskosten reduziert werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass abwechselnd Innenkettenglieder, die mindestens zwei Innenlaschen und zwei, die Innenlaschen in parallelem Abstand zueinander verbindende Gelenkhülsen aufweisen und Außenkettenglieder, die mindestens zwei Außenlaschen und zwei die Außenlaschen in parallelem Abstand zueinander verbindende Gelenkbolzen aufweisen, über jeweils ein Kettengelenk miteinander verbunden sind. Solche Gelenkketten aus Innen- und Außenkettengliedern, insbesondere Hülsen- und Rollenketten, werden in großen Stückzahlen und mit einem hohen Automatisierungsgrad für viele industrielle Bereiche, z. B. auch für den Kraftfahrzeugbereich, hergestellt. Diese Massenproduktion führt zu entsprechend geringen Kosten dieser Form von Gelenkketten. Die Gelenkhülsen sind fest mit den Innenlaschen verbunden, insbesondere durch Einpressen oder Einkleben. Da die Gelenkhülse über die gesamte Breite des Innenkettengliedes drehbar auf dem mit einer chromierten Oberfläche versehenen Gelenkbolzen gelagert ist, weist diese Form der Gelenkkette eine große Lagerfläche auf, wodurch die Belastung und der Verschleiß des Kettengelenks gering ist.

Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht mit einem bereichsweisen Schnitt einer erfindungsgemäßen Gelenkkette, und
Fig. 2 eine Draufsicht und einen bereichsweisen Schnitt einer weiteren Ausführungsform der Gelenkkette.
Die in Fig. 1 dargestellt erfindungsgemäße Gelenkkette 1 ist als Hülsenkette ausgeführt, mit jeweils über ein Kettengelenk 2 verbundenen Innenkettengliedern und Außenkettengliedern. Das Innenkettenglied besteht jeweils aus zwei parallel verlaufenden Innenlaschen 8 und zwei die Innenlaschen 8 miteinander verbindenden Gelenkhülsen 5, wobei die Gelenkhülsen 5 senkrecht zu den Innenlaschen 8 stehen und die Gelenkhülsen 5 fest mit den Innenlaschen 8 verbunden sind, insbesondere durch Pressen oder Kleben. Die Außenkettenglieder bestehen aus zwei parallel verlaufenden Außenlaschen 9, die mit zwei Gelenkbolzen 3 miteinander verbunden sind, wobei die Gelenkbolzen 3 drehbar in den Gelenkhülsen 5 der Innenkettenglieder gelagert sind. Das Außenkettenglied ist durch den Gelenkbolzen 3 drehbar an einem Innenkettenglied befestigt und verbindet durch die Außenlaschen 9 das Innenkettenglied mit einem zweiten Innenkettenglied, wobei die Außenlaschen 9 parallel zu den Innenlaschen 8 verlaufen. Die Gelenkbolzen 3 des Außenkettenglieds sind in den Gelenkhülsen 5 des Innenkettenglieds drehbar gelagert, wodurch die Verbindungen jeweils ein Kettengelenk 2 der Gelenkkette 1 bilden. Die Achsen der ineinander verlaufenden Gelenkbolzen 3 und Gelenkhülsen 5 fluchten zueinander.
Die in Fig. 1 gezeigten Gelenkhülsen 5 bestehen vollständig aus einem Sintermaterial auf Basis eines Stahlpulvers. Dabei ist die Gelenkhülse 5 ein Sinterformteil, wodurch bei der Herstellung der Gelenkhülsen 5 enge Toleranzen eingehalten werden können. Nach einer abschließenden Bearbeitung der Lagerfläche 6 werden die Gelenkhülsen 5 einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen.
Die Gelenkbolzen 3 der erfindungsgemäßen Gelenkkette 1 werden in einem Gasdiffusionsverfahren, einem OCN-Verfahren, hergestellt, wobei geschliffenes Bolzenmaterial aus 39 CrMoV 13 9 bei einer Temperatur von ca. 600°C über einen Zeitraum von 60 bis 120 Minuten nitrocarboriert wird. Aus dem Prozessgas diffundiert Stickstoff und Kohlenstoff in die Oberflächenschicht der Gelenkbolzen 3 ein und bildet eine äußere Verbindungsschicht aus Eisennitrid, ε-Fe_xN, mit einer Stärke von 5 bis 10 µm und einer Härte von 1000 bis 1200 HV 0,1. Zum Inneren hin schließt sich eine Schicht aus γ-Fe₄N an, eher eine Stickstoffdiffusionsschicht erreicht wird. Die ε-Fe_xN-Schicht erhöht den Widerstand gegenüber adhäsivem Verschleiß. In der äußeren Randschicht der Verbindungsschicht befindet sich ein Porensaum, der nach dem OCN-Verfahren durch Gleitschleifen beseitigt wird.
Die aus einem Sintermaterial hergestellte Lagerfläche 6 der Gelenköffnung erweist sich als gut geeigneter Gleitpartner für die nitrierte Lagerfläche 4 der Gelenkbolzen 3, wodurch sich insgesamt gute Verschleißeigenschaften für das Kettengelenk 2 ergeben. Die Verschleißeigenschaften des Kettengelenks 2 lassen sich nochmals verbessern, indem die Lagerfläche 6 der Gelenkhülse 5 regelmäßig mit einem Schmiermittel benetzt wird. Durch die poröse Struktur des Sintermaterials haftet das von außen zugeführte Schmiermittel an den Lagerflächen der Gelenkhülsen 5. Ebenso verzögert die poröse Struktur die Abgabe des Schmiermittels, wodurch Gelenkhülse 5 aus einem Sintermaterial gute Gleiteigenschaften aufweisen.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Gelenkkette 1 als Hülsenkette berühren die Zahnflanken des eingreifenden Kettenrades die feststehenden Gelenkhülsen 5 stets an der gleichen Stelle der äußeren Oberfläche, weshalb auch hier ein hoher Verschleißwiderstand oder eine einwandfreie Schmierung notwendig ist. Hülsenketten weisen aber auch durch den großen Durchmesser der Gelenkbolzen 3 eine große Gelenkfläche auf, die eine geringere Gelenkflächenpressung und damit einen geringeren Verschleiß im Kettengelenk 2 bewirkt. Hülsenketten werden im Automobilbereich bei hochbeanspruchten Nockenwellenantrieben sowie in schnell laufenden Dieselmotoren eingesetzt.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Gelenkkette 1. Im Folgenden werden nur die wesentlichen Unterschiede der in Fig. 2 gezeigten Rollenkette zu der Hülsenkette aus Fig. 1 beschrieben. Für identische und wirkungsgleiche Elemente weren gleiche Bezugsziffern verwendet und diesbezüglich zur Ergänzung auf die obige Beschreibung in Fig. 1 verwiesen. Bei der Rollenkette besteht das Innenkettenglied ebenfalls aus zwei parallel verlaufenden Innenfaschen 8 und zwei die Innenlaschen 5 miteinander verbindenden Gelenkbolzen 3 sowie zusätzlich aus zwei zwischen den Innenlaschen 8 die Gelenkhülsen 5 umschließenden Laufrollen 10. Neben den Gelenkbolzen 3 stehen auch die Laufrollen 10 senkrecht zu den Innenlaschen 8. Die Achsen der ineinander verlaufenden Laufrollen 10, Gelenkhülsen 5 und Gelenkbolzen 3 fluchten zueinander.
Die sich über die Gelenkhülsen 5 drehenden Laufrollen 10 einer Rollenkette rollen mit wenig Reibung an den Zahnflanken des mit der Rollenkette in Eingriff stehenden Kettenrades ab, so dass immer wieder eine andere Stelle des Umfangs der Laufrollen 10 zum Tragen kommt. Ein Schmierstofffilm zwischen den Laufrollen 10 und den Gelenkhülsen 5 trägt zur Geräusch- und Stoßdämpfung bei. Die Kettengelenke 2 der Rollenkette weisen durch den im Vergleich zur Hülsenkette geringeren Durchmesser der Gelenkbolzen 3 eine kleinere Gelenkfläche und damit eine größere Gelenkflächenpressung auf. Diese erhöhte Belastung des Kettengelenks 2 erfordert eine besondere Beachtung der Verschleißeigenschaften entsprechend eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Lagerfläche 6 der Gelenköffnung aus einem Sintermaterial und der Lagerfläche 4 der Gelenkbolzen 3 mit einer nitrierten Oberflächenschicht.

Claims

1. Gelenkkette mit jeweils über ein Kettengelenk miteinander verbundenen Kettengliedern, wobei sich jeweils ein Gelenkbolzen zum Bilden eines Kettengelenks durch mindestens eine Gelenköffnung erstreckt und eine Lagerfläche der Gelenköffnung von einem Sintermaterial gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkbolzen aus einem legierten Stahl hergestellt ist und eine die Lagerfläche bildende Randschicht der Gelenkbolzen eine nitrierte Oberflächenschicht aufweist.

2. Gelenkkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkbolzen im gesamten Bereich seiner die Mantelfläche bildenden Randschicht eine nitrierte Oberflächenschicht aufweist.

3. Gelenkkette nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche der Gelenkbolzen eine oxinitrierte Oberflächenschicht aufweist.

4. Gelenkkette nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche der Gelenkbolzen eine nitrocarburierte Oberflächenschicht aufweist.

5. Gelenkkette nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nitrocarburierte Oberflächenschicht mittels eines Kurzzeitgasnitrierverfahrens hergestellt ist.

6. Gelenkkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der legierte Stahl des Gelenkbolzens ein Nitrierstahl ist, insbesondere ein 39 CrMoV 13 9.

7. Gelenkkette nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nitrierte Oberflächenschicht eine äußere, 3 bis 30 µm dicke Randschicht aufweist, die Eisennitrid umfasst.

8. Gelenkkette nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die nitrierte Oberflächenschicht eine Härte von 1000 bis 1500 HV 0,1 aufweist.

9. Gelenkkette nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche der Gelenköffnung aus einem Stahlpulver hergestellt ist.

10. Gelenkkette nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Teil des Stahlpulvers mindestens ein Legierungselement zulegiert ist, insbesondere Kupfer, Nickel, Chrom, Molybdän.

11. Gelenkkette nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche der Gelenköffnung durch eine mit einem Kettenglied verbundene Gelenkhülse gebildet ist.

12. Gelenkkette nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkhülse vollständig aus dem Sintermaterial besteht.

13. Gelenkkette nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd Innenkettenglieder, die mindestens zwei Innenlaschen und zwei, die Innenlaschen im parallelen Abstand zueinander verbindende Gelenkhülsen aufweisen, und Außenkettenglieder, die mindestens zwei Außenlaschen und zwei, die Außenlaschen im parallelen Abstand zueinander verbindende Gelenkbolzen aufweisen, über jeweils ein Kettengelenk miteinander verbunden sind.