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WO2003016582A2 - Method for increasing the dynamic stability under load of a toothed structural component - Google Patents

Method for increasing the dynamic stability under load of a toothed structural component Download PDF

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WO2003016582A2
WO2003016582A2 PCT/EP2002/009087 EP0209087W WO03016582A2 WO 2003016582 A2 WO2003016582 A2 WO 2003016582A2 EP 0209087 W EP0209087 W EP 0209087W WO 03016582 A2 WO03016582 A2 WO 03016582A2
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WO
WIPO (PCT)
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carbon content
component
carburizing
structural component
increasing
Prior art date
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PCT/EP2002/009087
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WO2003016582A3 (en
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Jörg KLEFF
Dieter Wiedmann
Alois Weiss
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ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Publication date
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Priority to EP02774512A priority patent/EP1419281B1/en
Priority to JP2003520869A priority patent/JP2004538370A/en
Publication of WO2003016582A2 publication Critical patent/WO2003016582A2/en
Publication of WO2003016582A3 publication Critical patent/WO2003016582A3/en
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/20—Carburising
    • C23C8/22—Carburising of ferrous surfaces

Definitions

  • the invention relates to a method for increasing the dynamic load capacity of a toothed component made of case-hardening steel, which is dependent on the carbon content.
  • the aim has been to maximize the tooth flank load capacity via the carbon content in the edge zone and to increase the tooth root load bearing capacity of toothings by subsequent hardening blasting in the area of the tooth root.
  • the disadvantage here is that the hardening blasting of the tooth base of gears, which follows the case hardening, causes considerable additional costs in production.
  • the process according to the invention for increasing the dynamic load capacity of a toothed component for example a gearwheel made of hardenable steel, which is dependent on the carbon content, the course of the carbon content in the surface layer of the component being set such that the carbon content, starting from the surface in the direction of the Core of the component, initially increases and decreases continuously from a certain layer depth, and in which a part of the surface layer is subsequently removed in areas of the component, in particular in the area of the tooth flanks, the dynamic resilience of which increases with increasing carbon on the surface of the component the advantage that there is an optimized edge carbon content on the surface of the component, which ensures a maximum value of the load-bearing capacity of the component area in question.
  • the increased strength of the component treated with the method according to the invention also enables a weight reduction, since less material is required for the same strength.
  • a course 2 of the carbon content in the edge layer of a component produced by the method according to the invention is contrasted with another course 1 with a carbon content of another component which is known from case hardening processes.
  • the two curves 1, 2 of the carbon content in the outer layer of a gearwheel are shown from the surface thereof towards a core.
  • the carbon content (in percent) is plotted over the edge distance from the surface of the gear (in millimeters).
  • the course 1 shows a carbon content C in the outer layer of the gear, which was produced by a conventional case hardening process.
  • This Course 1 has a maximum of the carbon content C in the immediate area of the surface of the gear and the carbon content C decreases steadily and at least approximately linearly with increasing edge distance.
  • the course 2 of the carbon content C in the edge zone of a gearwheel is adjusted by means of the modified case hardening process with edge decarburization and is designed in such a way that the carbon content, starting from the surface of the gearwheel, initially increases in the direction of the core and from a certain layer depth in the present case Example with an edge distance of about 0.15 mm, a maximum of 0.7% carbon. Starting from this maximum, the carbon content decreases continuously in the direction of the core of the gear.
  • the so-called edge decarburization is set or generated by sharply lowering the carbon content in the atmosphere of the carburizing agent in the last stage of the case hardening process, for example while maintaining the hardening temperature.
  • the case hardening steel gear for example 18 CrNiMo 88, is surrounded by a gaseous carburizing agent during the entire case hardening in a heating furnace, the carbon content of which is changed during the individual phases of the case hardening process.
  • the case hardening process comprises the phases known per se, namely a heating phase, a carburizing phase, a cooling phase and a holding phase at the hardening temperature of the Component, wherein these successive phases are each carried out over a certain period of time at predetermined temperatures and different carbon content of the gas atmosphere.
  • the carbon content is initially lower during the heating phase than during the subsequent carburizing phase.
  • the carbon content can be, for example, 0.4% in the heating phase.
  • the subsequent carburizing phase is known and preferably divided into four sections or stages, the carbon content in the first three stages being gradually increased from 0.4% to 0.6% and finally to a value of 1.1%, and wherein in which a carbon content of 1.1% is set the period of time, can fifteen times the period in which a coal ⁇ matter content of 0.6% is set, respectively. In a last short period of time in the carburizing phase, this is reduced again to a value of 1.0%.
  • the temperatures of the heating phase and the carburizing phase are approximately 930 ° C. in the exemplary embodiment described.
  • the holding phase during which the gear is kept at hardening temperature, is in turn divided into several sections or stages, the carbon content of the atmosphere of the gaseous carburizing agent being in a first section is set to a value of 0.4%.
  • the carbon content of the carburizing agent is reduced to 0.3%, the second section of the holding phase comprising a longer period than the first section of the holding phase, and e.g. B. can take almost twice as long as the first section.
  • the temperature of the cooling phase and the holding phase corresponds to approximately 860 ° C.
  • the gear wheel is hardened in oil and then tempered at about 170 ° C for 90 minutes.
  • the toothed component for example a toothed wheel
  • the material removal of the edge zone roughly corresponding to the area of the edge decarburization.
  • a grinding method is preferably provided as the machining method, which has been provided in practice to improve the surface quality of the tooth flanks.
  • the area of the tooth base is usually not subsequently processed. This means that the cost-intensive shot peening known from the prior art can be avoided, and therefore no additional costs for shot peening are incurred in comparison with conventional production methods.
  • the course 2 of the carbon content is set in the entire edge region of the gearwheel using the case-hardening method described above.
  • the tooth flank load capacity has its maximum value at a carbon content in a range from 0.6% to 0.9%, the tooth flank load capacity, starting from a carbon content of 0.6%, increasing steadily with increasing carbon content in the peripheral zone. This means that before the material removal, a tooth flank load capacity with a carbon content of 0.6% in the area of the surface of the tooth flank has a value below a maximum.
  • the edge ⁇ is removed such that layer areas training of the surface layer of the tooth flank of the gear wheel the surface layer to which a higher carbon content than have near-surface regions of the tooth root.
  • the tooth flank load-bearing capacity of conventional case hardening is thus achieved again. Maximum tooth root load capacity is not affected by grinding the tooth flank.
  • the modified direct case hardening process with edge decarburization also improves the fatigue strength in the event of swelling bending stress and the dynamic breaking force in the event of sudden stress compared to gearwheels that are hardened according to known series heat treatment processes.
  • the method according to the invention is particularly suitable for increasing the tooth root load-bearing capacity in toothed components, in particular in the case of gear wheels, the invention is not restricted to this application.
  • the above-described hardening process with subsequent hard machining is also suitable for shafts for steering commercial vehicles as well as for any other components that are exposed to high dynamic loads and must have a hard, wear-resistant surface layer on a sufficiently tough core.

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Abstract

The invention relates to a method for increasing the dynamic stability under load of a toothed structural component, especially a toothed wheel, which stability depends on the carbon content. The carbon content profile in an edge zone of the structural component is adjusted in such a manner that the carbon content, starting from the surface, first increases towards the core of the structural component and, as of a certain depth, continuously decreases. A part of the edge layer is removed from areas of the structural component whose dynamic load capacity increases as the carbon content on the surface of the structural component increases.

Description

Verfahren zum Erhöhen der dynamischen Belastbarkeit eines verzahnten Bauteils Process for increasing the dynamic load capacity of a toothed component

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der in Abhängigkeit des Kohlenstoffgehalts stehenden dynamischen Belastbarkeit eines verzahnten Bauteils aus einsatz- härtbarem Stahl.The invention relates to a method for increasing the dynamic load capacity of a toothed component made of case-hardening steel, which is dependent on the carbon content.

Aus der Praxis ist bekannt, die dynamische Belastbarkeit von Bauteilen dadurch zu steigern, daß bei einem Einsatzhärten eine harte, verschleißfeste Randschicht mit einem ausreichend zähen Kern erzeugt wird. Dazu wird die Randschicht aufgekohlt und das Bauteil anschließend gehär- tet . Für mechanisch hoch beanspruchte Bauteile, wie insbesondere Zahnräder und Wellen, stellt das Einsatzhärten von legierten Einsatzstählen eine Lösung dar, mit der höchste Belastbarkeiten erreicht werden.It is known from practice to increase the dynamic load-bearing capacity of components by producing a hard, wear-resistant surface layer with a sufficiently tough core during case hardening. For this purpose, the surface layer is carburized and the component is then hardened. For mechanically highly stressed components, such as gears and shafts in particular, case hardening of alloyed case-hardened steels is a solution with which the highest load capacities can be achieved.

Beim Einsatzhärten wird bislang ein Verlauf des Koh- lenstoffgehalts in der Randschicht eingestellt, der an der Oberfläche eines Bauteils den maximalen Kohlenstoffgehalt aufweist. Mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche in Richtung des Kerns der Bauteile nimmt der Kohlenstoffgehalt kontinuierlich ab.In case hardening, a course of the carbon content in the surface layer has been set so far, which has the maximum carbon content on the surface of a component. As the distance from the surface increases towards the core of the components, the carbon content decreases continuously.

In ISO 6336-5, First Edition 1996-06-15, ist ein Koh- lenstoffgehalt an der Oberfläche festgelegt, der +0,2 % bis -0,1 % vom Eutektoidpunkt des Zustandsschaubildes von Ein- satzstählen liegt und eine hohe dynamische Belastbarkeit gewährleistet. Dadurch ergibt sich insbesondere für Chromnickel-Einsatzstähle ein bevorzugter Kohlenstoffgehalt von etwa 0,8 %. Weiter ist aus der Praxis bekannt, daß der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche und in der Randschicht die Belastbarkeit von Zahnfuß und Zahnflanke eines Zahnrads in unterschiedlicher Weise beeinflußt. Für Chromnickel-Ein- satzstähle ist bekannt, daß eine maximale Zahnfußtragfähigkeit bei einem Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche eines Bauteils von 0,6 % vorliegt und mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt abnimmt. Eine Zahnflankentragfähigkeit nimmt hingegen mit steigendem Randkohlenstoffgehalt von 0,6 % bis 0,9 % stetig zu.ISO 6336-5, First Edition 1996-06-15, specifies a carbon content on the surface that is +0.2% to -0.1% from the eutectoid point of the condition diagram of case hardening steels and a high dynamic resilience guaranteed. This results in a preferred carbon content of approximately 0.8%, especially for chrome nickel case-hardening steels. It is also known from practice that the carbon content on the surface and in the surface layer influences the load capacity of the tooth base and tooth flank of a gearwheel in different ways. For chromium-nickel case-hardening steels it is known that there is a maximum tooth load bearing capacity with a carbon content on the surface of a component of 0.6% and decreases with increasing carbon content. On the other hand, a tooth flank load capacity increases steadily with increasing marginal carbon content from 0.6% to 0.9%.

Dadurch ergibt sich für die bekannten Serienwärmebehandlungsverfahren von Chromnickel-Einsatzstählen der Nachteil, daß eine Einstellung einer maximalen bzw. optimalen Zahnflankentragfähigkeit zu einer Reduzierung der Zahnfußtragfähigkeit führt, da über ein Einsatzhärten ein Randkoh- lenstoffgehalt in der Randschicht des gesamten Bauteils im wesentlichen gleichmäßig eingestellt wird. Wenn der Kohlenstoffgehalt in der Randschicht eines Zahnrads derart einge- stellt wird, daß ein Maximum der Zahnfußtragfähigkeit vorliegt, geht dies wiederum zu Lasten der Zahnflankentragfähigkeit .This results in the disadvantage for the known series heat treatment processes of chromium-nickel case-hardening steels that setting a maximum or optimal tooth flank load-bearing capacity leads to a reduction in the tooth root load-bearing capacity, since case hardening sets an edge carbon content in the surface layer of the entire component essentially uniformly. If the carbon content in the outer layer of a gear is adjusted in such a way that there is a maximum tooth root load capacity, this in turn impairs the tooth flank load capacity.

Um diesen Nachteil bei hochbelasteten Verzahnungen zu beseitigen, ist dazu übergegangen worden, die Zahnflankentragfähigkeit über den Kohlenstoffgehalt in der Randzone zu maximieren und die Zahnfußtragfähigkeit von Verzahnungen durch ein nachträgliches Verfestigungsstrahlen im Bereich des Zahnfußes zu erhöhen. Nachteilig dabei ist jedoch, daß durch das dem Einsatzhärten nachgeschaltete Verfestigungsstrahlen des Zahnfußes von Verzahnungen erhebliche Mehrkosten in der Fertigung entstehen.In order to eliminate this disadvantage in the case of highly stressed toothings, the aim has been to maximize the tooth flank load capacity via the carbon content in the edge zone and to increase the tooth root load bearing capacity of toothings by subsequent hardening blasting in the area of the tooth root. The disadvantage here, however, is that the hardening blasting of the tooth base of gears, which follows the case hardening, causes considerable additional costs in production.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Erhöhen der in Abhängigkeit des Kohlenstoffgehalts stehenden dynamischen Belastbarkeit eines verzahnten Bauteils aus einsatzhärtbarem Stahl zur Verfügung zu stellen, welches ein nachträgliches Verfestigungsstrahlen erübrigt und eine preisgünstigere Produktion eines Bauteils oder die Erhöhung der dynamischen Belastbarkeit ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to provide a method for increasing the dynamic load capacity of a toothed component made of case-hardening steel, which is dependent on the carbon content, which eliminates the need for subsequent shot peening and enables cheaper production of a component or the increase in dynamic load capacity.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved with a method according to the features of claim 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erhöhen der in Abhängigkeit des Kohlenstoffgehalts stehenden dynamischen Belastbarkeit eines verzahnten Bauteils, beispielsweise eines Zahnrads aus einsatzhärtbarem Stahl, wobei zunächst der Verlauf des Kohlenstoffgehalts in der Randschicht des Bauteils derart eingestellt wird, daß der Kohlenstoffgehalt, ausgehend von der Oberfläche in Richtung des Kerns des Bauteils, zunächst zunimmt und ab einer bestimmten Schichttiefe kontinuierlich abnimmt, und bei dem anschließend ein Teil der Randschicht in Bereichen des Bauteils, insbesondere im Bereich der Zahnflanken, abgetragen wird, deren dynamische Belastbarkeit mit steigendem Kohlenstoff an der Oberfläche des Bauteils zunimmt, bietet den Vorteil, daß an der Oberfläche des Bauteils ein optimierter Randkohlenstoffgehalt vorliegt, der jeweils einen maximalen Wert der Tragfähigkeit des betreffenden Bauteilbereichs gewährleistet. Mit dem erfindungsgemäßen Einstellen des Kohlenstoffgehalts und dem anschließenden Hartbearbeiten bestimmter Bereiche des Bauteils kann auf ein die Tragfähigkeit erhöhendes Veredelungsverfahren, welches eine Zunahme der Fer- tigungskosten zur Folge hat, in vorteilhafter Weise verzichtet werden.The process according to the invention for increasing the dynamic load capacity of a toothed component, for example a gearwheel made of hardenable steel, which is dependent on the carbon content, the course of the carbon content in the surface layer of the component being set such that the carbon content, starting from the surface in the direction of the Core of the component, initially increases and decreases continuously from a certain layer depth, and in which a part of the surface layer is subsequently removed in areas of the component, in particular in the area of the tooth flanks, the dynamic resilience of which increases with increasing carbon on the surface of the component the advantage that there is an optimized edge carbon content on the surface of the component, which ensures a maximum value of the load-bearing capacity of the component area in question. With the setting of the carbon content according to the invention and the subsequent hard machining of certain areas of the component, a finishing process which increases the load-bearing capacity and which results in an increase in production costs can advantageously be dispensed with.

Darüber hinaus ist durch die erhöhte Festigkeit des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Bauteils auch eine Gewichtsreduktion möglich, da für die gleiche Festigkeit weniger Materialeinsatz erforderlich ist.In addition, the increased strength of the component treated with the method according to the invention also enables a weight reduction, since less material is required for the same strength.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung ergeben sich aus der nach- folgenden Beschreibung, den Patentansprüchen und der Zeichnung.Further advantages and advantageous refinements of the subject matter according to the invention result from the following description, the patent claims and the drawing.

In der einzigen Figur der Zeichnung ist beispielhaft ein Verlauf 2 des Kohlenstoffgehalts in der Randschicht eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteils einem anderen Verlauf 1 mit einem aus der Praxis bekannten Einsatzhärteverfahren erzeugten Kohlenstoffgehalts eines anderen Bauteils gegenübergestellt.In the single figure of the drawing, a course 2 of the carbon content in the edge layer of a component produced by the method according to the invention is contrasted with another course 1 with a carbon content of another component which is known from case hardening processes.

Die zwei Verläufe 1, 2 des Kohlenstoffgehalts in der Randschicht eines Zahnrads sind von dessen Oberfläche zu einem Kern hin dargestellt. Dabei ist der Gehalt an Kohlenstoff (in Prozent) über dem Randabstand von der Oberfläche des Zahnrads (in Millimeter) aufgetragen.The two curves 1, 2 of the carbon content in the outer layer of a gearwheel are shown from the surface thereof towards a core. The carbon content (in percent) is plotted over the edge distance from the surface of the gear (in millimeters).

Der Verlauf 1 gibt einen Kohlenstoffgehalt C in der Randschicht des Zahnrads wieder, welches durch ein konventionelles Einsatzhärteverfahren hergestellt wurde. Dieser Verlauf 1 weist ein Maximum des Kohlenstoffgehalts C im unmittelbaren Bereich der Oberfläche des Zahnrads auf und der Kohlenstoffgehalt C nimmt mit zunehmendem Randabstand stetig und wenigstens annähernd linear ab.The course 1 shows a carbon content C in the outer layer of the gear, which was produced by a conventional case hardening process. This Course 1 has a maximum of the carbon content C in the immediate area of the surface of the gear and the carbon content C decreases steadily and at least approximately linearly with increasing edge distance.

Der Verlauf 2 des Kohlenstoffgehalts C in der Randzone eines Zahnrads ist mittels des modifizierten Einsatzhärteverfahrens mit Randabkohlung eingestellt und derart ausgebildet, daß der Kohlenstoffgehalt, ausgehend von der Ober- fläche des Zahnrads, in Richtung des Kerns zunächst zunimmt und ab einer bestimmten Schichttiefe, im vorliegenden Fall beispielhaft bei einem Randabstand von etwa 0,15 mm, ein Maximum von 0,7 % Kohlenstoff aufweist. Ausgehend von diesem Maximum nimmt der Kohlenstoffgehalt in Richtung des Kerns des Zahnrads kontinuierlich ab. Die sogenannte Randabkohlung wird durch ein starkes Absenken des Kohlenstoffgehalts der Atmosphäre des Aufkohlungsmittels in der letzten Stufe des Einsatzhärteverfahrens, beispielsweise während des Haltens auf Härtetemperatur, eingestellt bzw. er- zeugt.The course 2 of the carbon content C in the edge zone of a gearwheel is adjusted by means of the modified case hardening process with edge decarburization and is designed in such a way that the carbon content, starting from the surface of the gearwheel, initially increases in the direction of the core and from a certain layer depth in the present case Example with an edge distance of about 0.15 mm, a maximum of 0.7% carbon. Starting from this maximum, the carbon content decreases continuously in the direction of the core of the gear. The so-called edge decarburization is set or generated by sharply lowering the carbon content in the atmosphere of the carburizing agent in the last stage of the case hardening process, for example while maintaining the hardening temperature.

Im folgenden wird das erfindungsgemäß modifizierte Einsatzhärteverfahren beispielhaft näher beschrieben.The case hardening process modified according to the invention is described in more detail below by way of example.

Das Zahnrad aus einsatzhärtbarem Stahl, beispielsweise 18 CrNiMo 88, ist während des gesamten Einsatzhärtens in einem Wärmeofen von einem gasförmigen Aufkohlungsmittel umgeben, dessen Kohlenstoffgehalt während der einzelnen Phasen des Einsatzhärteverfahrens verändert wird.The case hardening steel gear, for example 18 CrNiMo 88, is surrounded by a gaseous carburizing agent during the entire case hardening in a heating furnace, the carbon content of which is changed during the individual phases of the case hardening process.

Das Einsatzhärteverfahren umfaßt die an sich bekannten Phasen, nämlich eine Aufheizphase, eine Aufkohlphase, eine Abkühlphase und eine Haltephase auf Härtetemperatur des Bauteils, wobei diese aufeinanderfolgenden Phasen jeweils über eine bestimmte Zeitdauer bei vorgegebenen Temperaturen und verschiedenem Kohlenstoffgehalt der Gas-Atmosphäre durchgeführt werden.The case hardening process comprises the phases known per se, namely a heating phase, a carburizing phase, a cooling phase and a holding phase at the hardening temperature of the Component, wherein these successive phases are each carried out over a certain period of time at predetermined temperatures and different carbon content of the gas atmosphere.

So ist es gängige Praxis, daß der Kohlenstoffgehalt zunächst während der Aufheizphase kleiner ist als während der sich daran anschließenden Aufkohlphase . Der Kohlenstoffgehalt kann in der Aufheizphase beispielsweise 0,4 % betragen.It is common practice that the carbon content is initially lower during the heating phase than during the subsequent carburizing phase. The carbon content can be, for example, 0.4% in the heating phase.

Die sich daran anschließende Aufkohlphase ist bekannterweise und bevorzugt in vier Abschnitte bzw. Stufen unterteilt, wobei der Kohlenstoffgehalt in den ersten drei Stufen von 0,4 % schrittweise auf 0,6 % und schließlich auf einen Wert von 1,1 % angehoben wird, und wobei die Zeitspanne, in der ein Kohlenstoffgehalt von 1,1 % eingestellt wird, das fünfzehnfache der Zeitspanne, in der ein Kohlen¬ stoffgehalt von 0,6 % eingestellt wird, betragen kann. In einem letzten zeitlichen, kurzen Abschnitt der Aufkohlphase wird dieser wieder auf einen Wert von 1,0 % reduziert. Die Temperaturen der Aufheizphase und der Aufkohlphase liegen bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel in etwa bei 930 °C.The subsequent carburizing phase is known and preferably divided into four sections or stages, the carbon content in the first three stages being gradually increased from 0.4% to 0.6% and finally to a value of 1.1%, and wherein in which a carbon content of 1.1% is set the period of time, can fifteen times the period in which a coal ¬ matter content of 0.6% is set, respectively. In a last short period of time in the carburizing phase, this is reduced again to a value of 1.0%. The temperatures of the heating phase and the carburizing phase are approximately 930 ° C. in the exemplary embodiment described.

Während der sich an die Aufkohlphase anschließenden Abkühlphase entspricht der Kohlenstoffgehalt dem des letz¬ ten Abschnittes bzw. der letzten Periode der Aufkohlphase.During the subsequent cooling phase to the Aufkohlphase corresponds to the carbon content of the letz ¬ th section or the last period of Aufkohlphase.

Die Haltephase, während der das Zahnrad auf Härtetemperatur gehalten wird, unterteilt sich wiederum in mehrere Abschnitte bzw. Stufen, wobei der Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre des gasförmigen Aufkohlungsmittels in einem ers- ten Abschnitt auf einen Wert von 0,4 % eingestellt wird. In einem zweiten Abschnitt der Haltephase wird der Kohlenstoffgehalt des Aufkohlungsmittels auf 0,3 % abgesenkt, wobei der zweite Abschnitt der Haltphase einen längeren Zeitraum als der erste Abschnitt der Haltephase umfaßt, und z. B. nahezu doppelt so lang wie der erste Abschnitt dauern kann. Die Temperatur der Abkühlphase und der Haltephase entspricht in etwa 860 °C.The holding phase, during which the gear is kept at hardening temperature, is in turn divided into several sections or stages, the carbon content of the atmosphere of the gaseous carburizing agent being in a first section is set to a value of 0.4%. In a second section of the holding phase, the carbon content of the carburizing agent is reduced to 0.3%, the second section of the holding phase comprising a longer period than the first section of the holding phase, and e.g. B. can take almost twice as long as the first section. The temperature of the cooling phase and the holding phase corresponds to approximately 860 ° C.

Hierbei ist anzumerken, daß die einzeln, zahlenmäßig angeführten Prozeßparameter des Einsatzhärteverfahrens und die Dauer der einzelnen Phasen in Abhängigkeit des jeweils verwendeten Ofentyps stehen und dementsprechend variieren, wobei die Tendenzen bei der Verwendung verschiedener Ofen- typen gleichbleiben.It should be noted here that the individual, numerical process parameters of the case hardening process and the duration of the individual phases are dependent on the furnace type used and vary accordingly, the tendencies remaining the same when using different furnace types.

Nach der Haltephase wird das Zahnrad in Öl direkt gehärtet und anschließend bei etwa 170 °C für 90 Minuten angelassen .After the holding phase, the gear wheel is hardened in oil and then tempered at about 170 ° C for 90 minutes.

Nach dem Einsatzhärten wird das verzahnte Bauteil, beispielsweise ein Zahnrad, im Bereich der Zahnflanken hart bearbeitet, wobei der Materialabtrag der Randzone etwa dem Bereich der Randabkohlung entspricht. Als Bearbeitungsver- fahren ist hierbei bevorzugt ein Schleifverfahren vorgesehen, welches in der Praxis bisher zur Verbesserung der Ober lächengüte der Zahnflanken vorgesehen ist. Der Bereich des Zahnfußes wird in der Regel nicht nachträglich bearbeitet. Das heißt, das aus dem Stand der Technik bekannte kos- tenintensive Verfestigungsstrahlen kann vermieden werden und somit fallen im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren keine zusätzlichen Kosten für das Verfestigungsstrahlen an. Mit dem vorbeschriebenen Einsatzhärteverfahren wird der Verlauf 2 des Kohlenstoffgehalt im gesamten Randbereich des Zahnrads eingestellt. Das bedeutet, daß sowohl im Bereich der Zahnflanke als auch im Bereich des Zahnfußes an der Oberfläche ein Kohlenstoffgehalt von etwa 0,5 % bis 0,6 % vorliegt. Bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,6 % an der Oberfläche eines Zahnrads erreicht eine Zahnfußtragfähigkeit ihren maximalen Wert. Ein höherer Kohlenstoffgehalt bei Stählen, insbesondere CrNi-Stählen, hat eine Abnahme der Zahnfußtragfähigkeit zur Folge. Damit ist mit demAfter case hardening, the toothed component, for example a toothed wheel, is hard machined in the area of the tooth flanks, the material removal of the edge zone roughly corresponding to the area of the edge decarburization. A grinding method is preferably provided as the machining method, which has been provided in practice to improve the surface quality of the tooth flanks. The area of the tooth base is usually not subsequently processed. This means that the cost-intensive shot peening known from the prior art can be avoided, and therefore no additional costs for shot peening are incurred in comparison with conventional production methods. The course 2 of the carbon content is set in the entire edge region of the gearwheel using the case-hardening method described above. This means that both in the area of the tooth flank and in the area of the tooth root on the surface there is a carbon content of about 0.5% to 0.6%. With a carbon content of 0.6% on the surface of a toothed wheel, a tooth root bearing capacity reaches its maximum value. A higher carbon content in steels, in particular CrNi steels, results in a decrease in the tooth root load-bearing capacity. So with that

Einsatzhärteverfahren mit Randabkohlung für die Zahnfußtragfähigkeit ein maximaler Wert erreicht.Case hardening process with edge decarburization reaches a maximum value for tooth root load capacity.

Die Zahnflankentragfähigkeit weist ihren maximalen Wert bei einem Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von 0,6 % bis 0,9 % auf, wobei die Zahnflankentragfähigkeit, ausgehend von einem Kohlenstoffgehalt von 0,6 %, mit steigendem Kohlenstoffanteil in der Randzone stetig zunimmt. Das bedeutet, daß vor dem Materialabtrag eine Zahnflankentragfä- higkeit bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,6 % im Bereich der Oberfläche der Zahnflanke einen Wert unterhalb eines Maximums aufweist. Durch den Materialabtrag wird die Rand¬ schicht derart abgetragen, daß Schichtbereiche der Randschicht der Zahnflanke die Oberfläche des Zahnrads ausbil- den, welche einen höheren Kohlenstoffgehalt aufweisen als oberflächennahe Bereiche des Zahnfußes. Damit wird die Zahnflankentragfähigkeit des herkömmlichen Einsatzhärtens wieder erreicht. Eine maximale Zahnfußtragfähigkeit wird durch das Schleifen der Zahnflanke nicht beeinflußt.The tooth flank load capacity has its maximum value at a carbon content in a range from 0.6% to 0.9%, the tooth flank load capacity, starting from a carbon content of 0.6%, increasing steadily with increasing carbon content in the peripheral zone. This means that before the material removal, a tooth flank load capacity with a carbon content of 0.6% in the area of the surface of the tooth flank has a value below a maximum. By the material the edge ¬ is removed such that layer areas training of the surface layer of the tooth flank of the gear wheel the surface layer to which a higher carbon content than have near-surface regions of the tooth root. The tooth flank load-bearing capacity of conventional case hardening is thus achieved again. Maximum tooth root load capacity is not affected by grinding the tooth flank.

Somit liegen nach dem erfindungsgemäß modifizierten Einsatzhärten, welches ein Direkthärten mit Randabkohlung darstellt, und der sich daran anschließenden Hartbearbei- tung der Zahnflanke optimierte Randkohlenstoffgehalte vor, die jeweils eine maximale Tragfähigkeit der Zahnflanke und des Zahnfußes bewirken.Thus, after the case hardening modified according to the invention, which is direct hardening with edge decarburization, and the subsequent hard machining optimized edge carbon contents, which each ensure maximum load-bearing capacity of the tooth flank and the tooth base.

Nach dem vorbeschriebenen modifizierten Einsatzhärteverfahren mit Randabkohlung in der letzten Stufe der Einsatzhärtung werden deutlich höhere Werte der dynamischen Bruchkräfte erreicht als nach konventionellen Einsatzhärteverfahren. Neben einer Anhebung der Dauerfestigkeit wird durch die Randabkohlung auch der Verlauf der Zeitfestigkeit von Zahnrädern zu höheren Schwingspielzahlen verschoben.According to the above-described modified case hardening process with edge decarburization in the last stage of case hardening, significantly higher values of the dynamic breaking forces are achieved than with conventional case hardening processes. In addition to increasing the fatigue strength, the decarburization also shifts the course of the fatigue strength of gearwheels to a higher number of cycles.

Mit dem modifizierten Direkteinsatzhärteverfahren mit Randabkohlung wird auch die Schwingfestigkeit bei schwel- lender Biegebeanspruchung und die dynamische Bruchkraft bei schlagartiger Beanspruchung im Vergleich zu Zahnrädern, die nach bekannten Serien-Wärmebehandlungsverfahren gehärtet werden, verbessert.The modified direct case hardening process with edge decarburization also improves the fatigue strength in the event of swelling bending stress and the dynamic breaking force in the event of sudden stress compared to gearwheels that are hardened according to known series heat treatment processes.

Wenngleich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Erhöhung der Zahnfußtragfähigkeit bei verzahnten Bauteilen, insbesondere bei Zahnrädern, geeignet ist, so ist die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt. Das vorbeschriebene Härteverfahren mit anschließender Hartbear- beitung ist auch für Wellen für Lenkungen von Nutzkraftwagen sowie für beliebige andere Bauteile, welche einer hohen dynamischen Beanspruchung ausgesetzt sind und eine harte, verschleißfeste Randschicht auf einem ausreichend zähen Kern aufweisen müssen, geeignet. BezugszeichenAlthough the method according to the invention is particularly suitable for increasing the tooth root load-bearing capacity in toothed components, in particular in the case of gear wheels, the invention is not restricted to this application. The above-described hardening process with subsequent hard machining is also suitable for shafts for steering commercial vehicles as well as for any other components that are exposed to high dynamic loads and must have a hard, wear-resistant surface layer on a sufficiently tough core. reference numeral

Verlauf des Kohlenstoffgehalts in einer Randschicht bei einem konventionellen Einsatzhärteverfahren Verlauf des Kohlenstoffgehalts in einer Randschicht bei einem modifizierten, erfindungsgemäßen Einsatzhärteverfahren mit Randabkohlung Course of the carbon content in an edge layer in a conventional case hardening process Course of the carbon content in an edge layer in a modified case hardening method according to the invention with edge decarburization

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims 1. Verfahren zum Erhöhen der in Abhängigkeit des Koh- lenstoffgehalts stehenden dynamischen Belastbarkeit eines verzahnten Bauteils aus einsatzhärtbarem Stahl, wobei zunächst der Verlauf (2) des Kohlenstoffgehalts in der Randschicht des Bauteils derart eingestellt wird, daß der Kohlenstoffgehalt, ausgehend von der Oberfläche in Richtung des Kerns, des Bauteils zunächst zunimmt und ab einer bestimmten Schichttiefe kontinuierlich abnimmt, und daß anschließend ein Teil der Randschicht in Bereichen des Bauteils, insbesondere im Bereich der Zahnflanken, abgetragen wird, derart, daß an der Oberfläche des Bauteils der Maxi- malwert des Kohlenstoffgehalts vorliegt.1. A method for increasing the dynamic load capacity of a toothed component made of case-hardening steel as a function of the carbon content, the course (2) of the carbon content in the surface layer of the component being set in such a way that the carbon content starts from the surface in the direction of of the core, of the component initially increases and decreases continuously from a certain layer depth, and that part of the edge layer is subsequently removed in areas of the component, in particular in the area of the tooth flanks, such that the maximum value of the carbon content on the surface of the component is present. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Verlauf (2) des Kohlenstoffgehalts in der Randschicht des Bauteils mittels Aufkohlen erzeugt wird.2. The method according to claim 1, characterized g e k e n n z e i c h n e t that the course (2) of the carbon content in the edge layer of the component is generated by carburizing. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Bauteil während des Aufkohlens von einem gasförmigen Aufkohlungsmittel umgeben und der Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre veränderbar ist.3. The method according to claim 2, characterized in that the component is surrounded by a gaseous carburizing agent during the carburizing and the carbon content of the atmosphere is changeable. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre gegen Ende des Aufkohlens, beispielsweise wäh- rend einer sich an eine Abkühlphase anschließenden Halte¬ phase auf Härtetemperatur des Bauteils, wesentlich kleiner eingestellt ist als während des Aufkohlens. 4. The method according to claim 3, characterized in that the carbon content of the atmosphere towards the end of carburizing, for example during a cooling phase subsequent to the holding phase ¬ at the hardening temperature of the component, is set significantly lower than during carburizing. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der abzutragende Teil der Randschicht auf der Zahnflanke mittels mechanischer Bearbeitung abgetragen wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the part of the surface layer to be removed is removed on the tooth flank by means of mechanical processing.
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