An der Oberfläche gehärteter Wellenzapfen. Wellenzapfen, insbesondere von Kurbel wellen, sind meist hochbeanspruchte Ma schinenteile, bei denen nicht nur Bruchsicher heit gegenüber statischen und dynamischen Beanspruchungen, sondern auch hoher Ab nutzungswiderstand gegenüber gleitender Reibung Bedingung ist.
Es ist also erforderlich, dass derartige Werkstücke einerseits eine gewisse Festig keit und Zähigkeit aufweisen, Eigenschaf ten, die sich durch das bekannte Vergüten, das heisst Härten mit nachfolgendem An lassen unter entsprechender Regelung der Anlasstemperatur in gewünschten Grenzen erzielen lassen. Anderseits muss das ganze Stück oder mindestens seine Oberflächen schicht grosse Härte besitzen, um hohen Wi derstand gegen Verschleiss zu bieten. Beide Eigenschaften, nämlich hohe Festigkeit bei guter Dehnung und hohe Oberflächenhärte lassen sich jedoch nach den bisher bekann ten Verfahren gleichzeitig nicht erreichen, da die Steigerung der einen Eigenschaft eine Verminderung der andern zur Folge hat.
In den meisten Fällen verzichtet man daher, die Erfordernisse der Bruchsicherheit voranstellend, auf die Herstellung einer be sonders harten Oberflächenschicht und ver wendet für hochbeanspruchte Kurbelwellen Stähle in vergütetem Zustand, deren Kohlen stoffgehalt im allgemeinen zwischen 0,2 und 0,45,% liegt. Da der Vergütungsprozess vor der mechanischen Bearbeitung des Stückes vorgenommen wird und das erzielte Ergeb nis durch Festigkeitsprüfungen (zum Bei spiel Kugeldruckversuche) an jedem Stück kontrolliert werden kann, bietet er einen wichtigen Vorteil gegenüber den andern, weiter unten beschriebenen Wärmebehand lungen.
Hierzu kommt noch der Umstand, dass bei fliessender Fertigung die Weiterver- arbeitung keine Unterbrechung durch zeit raubende Wärmebehandlung erfährt. In neuerer Zeit ist jedoch die Forderung nach hoher Verschleissfestigkeit als Folge der Entwicklung des Motorbaues zu hohen Um drehungszahlen und hohen Kompressions drücken (Dieselmotore) immer mehr in den Vordergrund getreten, und man ist in grö sserem Umfange zur Verwendung von Ein satzstählen übergegangen. Diese haben aber infolge ihres niedrigen Kohlenstoffgehaltes (weniger als 0,2%) geringere Festigkeiten, so dass mann einen Ausgleich durch grössere Dimensionierung schaffen muss.
Erhöhter Materialverbrauch und grösseres Gewicht, was besonders für Automobil- und Flugzeug kurbelwellen unzweckmässig ist, sind die nachteiligen Folgen.
Ähnlich liegen die Verhältnisse, wenn man die Oberflächenhärtung durch Ver- stickung erreicht.
Diesen Verfahren haftet nun aber ein besonderer Nachteil an, weil sie eine chemi sche Veränderung .der Oberflächenschicht be dingen: Die Zusammensetzung der Ober flächenschicht hat nicht mehr den Charak ter eines sogenannten Konstruktionsstahls, sondern den eines spröden Werkzeugstahls mit verändertem Ausdehnungskoeffizienten, wodurch grosser Ausschuss durch Spannungs risse verursacht wird.
Bei diesen Verfahren ist es weiterhin innerhalb wirtschaftlich tragbarer Zeitspan nen unmöglich, die Anreicherung des Koh lenstoffes in einer mehrere Millimeter dicken Schicht, oder des Stickstoffes in auch nur Millimeter Stärke durchzuführen, ohne dass hierbei stellenweise ein Überschreiten der zulässigen Konzentration (freier Zementit oder Braunit) sich ergäben. Es lassen sich also nur dünne Oberflächenschichten her stellen. Bei dem auf das Härteverfahren folgenden Fertigschleifen der Zapfen ist es jedoch häufig nicht nur erforderlich, den Zapfen als solchen zylindrisch masshaltig zu gestalten, sondern auch, insbesondere bei mehrfach gekröpften Kurbelwellen, eine etwa durch Verzug entstandene Exzentrizi tät oder Disparallelität auszugleichen.
Ist dann die gehärtete Oberflächenschicht an sich schon verhältnismässig dünn, so tritt sehr leicht der Fall ein, dass beim Schleifen die gehärtete Schicht stellenweise unzulässig ge schwächt oder gar entfernt wird, wodurch das ganze Werkstück unbrauchbar würde. Um derartigen Ausschuss zu vermeiden, müs sen daher bei Anwendung dieser Verfahren nach dem Härten und vor dem Schleifen die Wellen sorgsam ausgerichtet werden - ein Vorgang, der nicht nur umständlich ist und besondere Gewandtheit erfordert, sondern auch unvermeidliche Spannungen in Werk stücken zurücklässt.
- Solche Spannungen wirken sich besonders nachteilig dadurch aus, dass sie sich zu den durch die verschie dene Zusammensetzung von Mantel und Kern bedingten Spannungen addieren und hier durch die bei im Einsatz behandelten Stük- ken bekannte Abblätterung begünstigen. Die Spannungen lassen sich auch nicht etwa durch nachträgliches Glühen oder Anlassen entfernen, ohne dass gleichzeitig die Härte der Einsatzschicht vermindert würde. Die ungenügende Dicke der Einsatzschicht hat weiterhin die nachteilige Folge, dass bei hohen Flächenpressungen ein stellenweises Eindrucken in den Kern eintreten kann, wo durch das Werkstück selbst oder unter Um ständen die ganze Maschine zerstört werden könnte.
Ein anderer Nachteil dieser Verfahren ist schliesslich auch noch darin begründet, dass die damit verbundene, langwierige Wärmebehandlung sich nicht in die Serien fertigung einpassen lässt, sondern eine Unter brechung des Herstellungsganges des. Einzel werkstückes und eine Ansammlung einer grö sseren Anzahl Stücke erforderlich macht. Hierdurch wird die Gesamtmenge der gleich zeitig im Herstellungsgang befindlichen Werkstücke erheblich vermehrt.
Ein anderes Verfahren, das ebenfalls dazu führt, an der Oberfläche des Zapfens eine grössere Härte als im Kern zu erzielen, be steht in der Verwendung eines lufthärtenden Stahls für die Wellen. Hierbei werden. ledig lich die Wellenzapfen, beispielsweise mittelst Gebläsebrennens, auf Härtetemperatur ge bracht, um sodann mehr oder weniger schnell abzukühlen, und zwar an der Oberfläche schneller als im Kern, so dass die Härte nach der Achse hin abnimmt.
Mit diesem Verfahren, das die Verwendung eines teu reren Werkstoffes mit geringerer Dämp fungsfähigkeit gegenüber Schwingungsbean spruchung bedingt, lassen sich aber die er strebenswerten Eigenschaften an der Ober fläche und im Kern nur unvollkommen er reichen, die Oberfläche wird doch nicht so hart und der Kern doch nicht so zähe, wie es erwünscht wäre. Zudem lässt sich die er reichte Kernfestigkeit nicht nachprüfen.
Man hat zwar vorgeschlagen, im Einsatz aufgekohlte Werkstücke aus Stahl von hö herer Festigkeit in einem Härtebad nur ober flächlich zu erhitzen und dann das Werk stück abzuschrecken, bevor die Erwärmung bis in den Kern fortgeschritten wäre. Dieses Verfahren ist jedoch umständlich, auf Kur belwellen nicht anwendbar, sofern man die Kurbelwangen nicht mithärten will, und für Fliessfertigung ebensowenig geeignet wie das übliche Einsatzhärten.
Zur Härtung der Kränze von Eisenbahn rädern hat man ein Verfahren vorgeschlagen, das darauf beruht, den zu härtenden Ober flächenstreifen durch einmaliges Überfahren mit einem Schweissbrenner auf Härtetempera tur zu erhitzen und sofort wieder abzu löschen, bevor die Erhitzung in tiefere Zonen des Werkstückes fortschreitet. In ähnlicher Weise ist in Vorschlag gebracht worden, die Köpfe von Eisenbahnschienen zu härten, wo bei Schlitzbrenner Verwendung finden kön nen.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis., dass zum Beispiel dieses Verfah ren bei geeigneter Bemessung der Temperatur des Schweissbrenners und des Zeitraumes, während dessen die zu häitende Oberfläche mit dem Brenner überfahren wird, die Mög lichkeit bietet, eine Oberflächenschicht von beliebiger Stärke, beispielsweise 3 bis 8 mm, zu härten, ohne dass einerseits das Material verbrannt oder anderseits die Festigkeits- eigenschaften der tiefer liegenden Zonen, also des Kernes, ungünstig beeinflusst wür den.
Dementsprechend wird erfindungsgemäss durch Erhitzung, zum Beispiel nach Art obigen Verfahrens, ein an der Oberfläche ge härteter Wellenzapfen, insbesondere Kurbel wellenzapfen, geschaffen, der im Kern und an der Oberfläche aus einem Werkstoff glei cher chemischer Zusammensetzung besteht und an der Oberfläche einen Mantel gleich mässig hoher Härte, sowie durch die Härte behandlung der Oberfläche unbeeinflusst ge bliebenen Kern besitzt.
Weiterhin gründet sich die Erfindung auf der Erkenntnis, dass gerade diejenigen Vergütungsstähle, die sich als die bestgeeig neten für Kurbelwellen bewährt haben, in schroff abgeschrecktem Zustand die für die Oberfläche erwünschte Härte, nämlich gleiche Härte aufweisen, die sich beispielsweise für gehärtete Wälzlagerringe als zweckmässigste herausgestellt hat, ohne dass die für diese ge bräuchlichen höheren Gehalte an Kohlenstoff und Chrom erforderlich sind, die man bei Wälzlagerringen benötigt, weil man diese der Rissgefahr wegen nicht so schroff abschrek- ken kann.
Bei der Härtung der Wellenzapfen gemäss der vorliegenden Erfindung kommt es also darauf an, die Bedingungen dafür zu schaf fen, dass zwar die Oberfläche des Zapfens so heiss wird, dass durch die nachfolgende Kühlung Härtung herbeigeführt wird, aber der Kern unbeeinflusst, das heisst kalt bleibt.
Zu diesem Zweck bedient man sich bei spielsweise auf eine ähnliche Art wie bei der Härtung von Schienenköpfen eines Schweiss brenners mit Schlitzdüse. Mit diesem wird der Wellenzapfen, dem durch Wärmebehand lung die gewünschten Kernfestigkeitseigen- schaften, verliehen wurden, nur an der Ober fläche während einer einmaligen Umdrehung auf die Härtetemperatur erhitzt und im un mittelbaren Anschluss an den Erhitzungsvor- gang durch Abschrecken gehärtet. Das<B>Ab-</B> schrecken erfolgt, bevor die Erwärmung in tiefere Zonen fortgeschritten ist.
Selbstver- ständlich wäre es genau so gut möglich, den Brenner gegen den Zapfen zu drehen oder die Erhitzung auf andere Weise, etwa elek trisch, vorzunehmen. Die Kühlung erfolgt entweder durch die umgebende Luft allein, oder durch Strahlen gegebenenfalls künstlich gekühlter Luft, die alsbald hinter dem Bren ner gegen den Zapfen geblasen wird, oder durch Flüssigkeitsstrahlen, oder durch ein flüssiges Bad usw.
Diese Herstellungsweise und das entste hende Erzeugnis bieten die folgenden Vor teile, die sich durch kein bisher bekannt ge wordenes Verfahren gleichzeitig erreichen lassen: 1. Die Möglichkeit, die Auswahl der zur Verwendung kommenden Stähle nur mit Rücksicht auf die zu erwartenden Beanspru chungen zu treffen, das heisst sowohl hoch legierte als auch unlegierte oder nur niedrig legierte Vergütungsstähle zu verwenden; 2. Den Kern so zu vergüten, wie es sich für derartige Werkstücke am besten bewährt, hat; 3. Die Möglichkeit, durch Festigkeitsprü fungen nach der Vergütungsbehandlung die Kernfestigkeit des Fertigerzeugnisses zu kontrollieren; 4. Einen gehärteten Aussenmantel von derjenigen Festigkeit und Härte herzustellen, wie sie sich für verschleissfeste Lager be währt haben; 5.
Die Möglichkeit, die Dicke des gehär teten Mantels den auftretenden Beanspru chungen anzupassen; 6. Die Möglichkeit, infolge des dickeren Härtemantels durch Fertigschleifen ohne vor heriges Richten die gewünschten Endabmes- sungen zu erreichen; 7. Die Möglichkeit, den Härteprozess am einzelnen Stück und in einer Zeit durchzu führen, die dem Rhythmus der Fliessferti gung angepasst ist; B. Wesentliche Verringerung der zwi schen gehärtetem Mantel und nicht gehär tetem Kern vorhandenen Spannungen gegen über Bekanntem infolge der gleichen chemi- sehen Zusammensetzung von Kern und Mantel; 9.
Grössere Zähigkeit und Dämpfungs fähigkeit, das heisst verminderte Rissgefahr der gehärteten Schicht gegenüber solchen, deren Härte auf Änderung der chemischen Zusammensetzung beruht; 10. Geringer Verzug des ganzen Stückes, da während der Härtebehandlung nur jeweils ein verschwindend kleiner Teil erwärmt zu werden braucht.
Eine beispielsweise Anordnung für das Herstellungsverfahren gibt Fig. 1 schema tisch wieder. Hierin bedeutet: D den zu härtenden, sich langsam dre henden Zapfen, E den zur Erhitzung dienenden Brenner, und F eine Düse, durch die das Kühlmittel auf den Zapfen zur Wirkung gebracht wird. Fig. 2 veranschaulicht als Beispiel den Verlauf der Härte über den Querschnitt eines Zapfens nach Kurve A, Kurve B den jenigen eines nach dem bekannten Einsatz härteverfahren hergestellten, und Kurve C den eines aus lufthärtendem Chrom-Nickel- Stahl hergestellten Zapfens. Als Abszisse ist der Abstand von der Zapfenoberfläche, als Ordinate die Rockwellhärte bezw. die Zugfestigkeit in kg/mm2 angegeben.
Kurve A zeigt, dass in dem Aussenmantel des Zapfens in Stärke von etwa 7 mm die Härte 60 Rockwellgraden entspricht, das heisst, dass dieser die gleiche Festigkeit auf weist, die für Wälzlagerringe üblich ist, wäh rend der Kern gleichmässig eine Härte von etwa 27 Rockwellgraden bezw. 95 kg/mm2 Zugfestigkeit besitzt, entsprechend der Fe stigkeit eines richtig vergüteten Kurbel wellenstahls für hohe Beanspruchungen.
Dem gegenüber zeigt die Kurve B einen zwar sehr harten Mantel, der jedoch bedeu tend dünner ist, nur etwa 1,5 mm, während die Festigkeit des Kernes infolge des nie drigen Kohlenstoffgehaltes wesentlich unter derjenigen der Kurve A liegt. Ähnlich der Kurve B ist der Härteverlauf eines. durch Verstickung oberflächengehärteten Zapfens, wobei die Aussenschicht zwar eine noch höhere Härte, jedoch eine noch geringere Dicke als die beim Einsatzhärten erreichbare besitzt.
Die Kurve C zeigt, dass ein Zapfen aus lufthärtendem Chrom-Nickel-Stahl nur verhältnismässig geringe Unterschiede in der Härte von Mantel und Kern aufweist. Er hat an der Oberfläche gegenüber A und B erheblich geringere Verschleissfestigkeit, im Kern aber grössere Sprödigkeit.
Die in den Kurven als Beispiel angege benen Festigkeitszahlen lassen sich natürlich in allen drei Fällen durch die Zusammen setzung des verwendeten Stahls beeinflussen. Der Typus der Härteverteilung bleibt jedoch der gleiche.
Fig. 3 veranschaulicht den Querschnitt eines Zapfens.
a bedeutet den gehärteten Mantel, b den vergüteten Kern.
Die Erfindung ist nicht ausschliesslich beschränkt auf die Herstellung von Kurbel wellenzapfen, sondern kann sinngemäss auch für Wellenzapfen ähnlicher Beanspruchung benutzt werden, wobei die Wahl des Werk stoffes davon abhängig ist, wie gross die Ver schleissfestigkeit des Mantels und der Wi derstand gegen statische und dynamische Beanspruchung des Kernes sein muss.
Versuche mit Führungszapfen auch aus nicht vergütetem geschmiedeten Stahl und aus Stahlguss haben gezeigt, dass die Schwierig keiten der gleichzeitigen Erreichung guter Festigkeitseigenschaften und hohen Ver schleisswiderstandes in überraschend guter Weise durch das oben beschriebene Verfah ren beseitigt werden können.