MANUFACTURING METHOD FOR ELEMENTS OF FORCE, ESPECIALLY TORQUE TRANSMISSION

Abstract: A manufacturing method for elements transmitting force via one or more teeth, cams, recesses or the like, in particular torque-transmitting elements, e.g. gears, cams or the like, which are constructed with at least two different metallic materials which have a metallic bond, in particular due to hot working, a bar material being constructed with at least two different metallic materials, in which method a tubular casing of one material and a layer, e.g. a core, of a further metallic material radially adjoining this casing, preferably over the full surface, are subjected to hot working with at least a 1.3-fold, preferably at least a 2-fold, deformation, whereupon the hot-worked bar material is subjected to a heat treatment and is worked to shape, e.g. cut to length, etc., the teeth, recesses or the like of the force-transmitting, in particular torque-transmitting, elements being finally formed by the removal of stock in a further operation if need be before/after a heat and/or surface treatment, e.g. carburization, nitriding.

Description: Verfahren zur Herstellung von kraftübertragenden, insbesondere drehmomentübertragenden Elementen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von über einen/eine oder mehrere Zähne, Nocken, Aus nehmungen od. dgl. kraftübertragenden, insbesondere drehmomentübertragenden Elementen, Zahnrädern, Nocken od. dgl., die zumindest mit zwei verschiedenen Materialien aufgebaut sind. Aus der DE-PS 24 58 291 wird ein Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Zahnrades auf einer Welle beschrieben. Einer der Teile wird hiebei pulvermetallurgisch hergestellt, wohingegen das andere Formstück auf schmelzmetallurgischem Weg gewonnen wurde. Diese Teile werden sodann in einem Schmiedegesenk formschlüssig verbunden. In der GB-PS 1 265 137 wird ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern mit Achsen beschrieben, wobei ein Verbinden zwischen dem Zahnkranz und dem Schaft ebenfalls durch Ca- senkschmieden erfolgt und ein metallischer Verbund zwischen Zahnkranz und Schaft erfolgen soll. Als Materialien kommen hiebei unterschiedliche Werkstoff in Frage, beispielsweise wird die Kombination Stahl für den Zahnkranzring und Titan für den Körper empfohlen. Derartige Zahnräder weisen jedoch den Nachteil auf, dass einerseits nur ein sehr geringer Verbund zwischen den kraftübertragenden Elementen erreicht wird und dass durch das Gesenkschmieden eine vollkommen unterschiedliche Warmverformung stattfindet, wobei beispielsweise der innere Teil nur einer geringeren Warmverformung unterliegt, sodass dessen Festigkeit nur ausserordentiich gering ist. Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, ein Verfahren zur Herstellung von kraftübertragenden, insbesondere drehmomentübertragenden Elementen zu schaffen, das erlaubt, die unterschiedlichen metallurgischen Materialien sicher zu verbinden, wobei gleichzeitig eine Verbesserung der Eigenschaften durch Warmverformung derselben erzielt wird, und das eine möglichst hohe Freiheit bei einem gleichzeitig vereinfachten Arbeitsverlauf in der Herstellung der Zahnräder od. dgl. insbesondere bei der Wärmebehandlung, Aufkohlung, Nitrierung und dgl. erlaubt. Eine weitere Aufgabe des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, das es erlaubt, kraftübertragende Elemente zu erzeugen, die neben einer Achse, die zur Lagerung des Elementes dient, zwei weitere Strukturen z.B.Zahnkränze, Ausnehmungen od. dgl. besitzen, wobei die Kraftübertragung von einem Zahnkranz zum anderen Zahnkranz erfolgen soll, und eine unterschiedliche Beanspruchung der Zahnkränze und dgl. erfolgt, wodurch eine unterschiedliche Ausbildung von den einzelnen Zähnen, Ausnehmungen und dgl. bedingt wird. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von über einen/eine oder mehrere Zähne, Nocken, Ausnehmungen od. dgl. kraftübertragenden, insbesondere drehmomentübertragenden Elementen, Zahnrädern, Nocken od. dgl., die zumindest mit zwei verschiedenen metallischen Materialien aufgebaut sind, welche einen metallischen Verbund, insbesondere durch Warmverformung aufweisen, besteht im wesentlichen darin, dass mit zumindest zwei unterschiedlichen metallischen Werkstoffen ein Stabmaterial aufgebaut wird, wobei eine rohrförmige Hülle aus einem Werk stoff und eine an diese radial vorzugsweise vollflächig, anschliessende Schicht, z.B. Kern aus einem weiteren Werkstoff, einer Warmver formung mit zumindest 1,3-fachen, vorzugsweisen zumindest 2-fachen Verformung unterworfen wird, worauf das warmverformte Stabmaterial einer Wärmebehandlung unterworfen, formgebend, z.B. abgelängt usw., verarbeitet wird, wobei die Zähne, Ausnehmungen od. dgl. der kraftübertragenden, insbesondere drehmomentübertragenden Elemente in einem weiteren Arbeitsvorgang, gegebenenfalls vor/nach einer Wärme- und/oder Oberflächenbehandlung z.B. Aufkohlung, Nitrieren, materialabtragend endgeformt werden. Dadurch, dass die kraftübertragenden, insbesondere drehmomentübertragenden Elemente aus einem Stabmaterial geformt werden, das einer Mindestwarmverformung unterlegen ist, liegt ein Material vor, das eine besonders hohe Festigkeit hat, wobei gleichzeitig die Faserrichtung der Kraftübertragungsrichtung besonders vorteilhaft Rechnung trägt. Weiters kann auch dadurch ein besonders günstiger Aufbau mit unterschiedlichen Materialien erreicht werden, da die Materialien in radialer Schichtfolge aufeinander angeordnet sind. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass in ein Hüllenrohr, insbesondere aus einem Einsatzstahl ein Stab oder Rohr aus Titan oder einer Titanbasislegierung angeordnet wird, worauf warmverformt, formgebend verarbeitet und materialabtragend endgeformt wird. Auf diese Art und Weise kann ein Zahnrad od. dgl. erhalten werden, das einerseits den besonders hohen Beanspruchungen der Kraftübertragung, wie sie beispielsweise bei der Kraftübertragung mit feinen Zähnen gegeben sind, gewachsen ist, wobei gleichzeitig eine besonders geringgewichtige Ausführungsform erhalten werden kann. Eine besonders vorteilhafte Kombination zwischen pulvermetallurgischem und schmelzmetallurgischem Verfahren, wobei gleichzeitig ein hervorragender den hohen mechanischen Beanspruchungen Rechnung tragender Verbund erhalten werden kann, besteht darin, dass in ein Hüllenrohr, z.B. aus Titan oder einer Titanbasislegierung, das gegebenenfalls in einer Kapsel angeordnet wird, ein pulverförmiger Werkstoff, insbesondere unter Aussparung eines zentralen Raumes eingebracht wird, gegebenenfalls verdichtet und an den Hüllenrohrenden bzw. Kapselrohrenden verschlossen wird, worauf oder bevor evakuiert wird, und das so verschlossene Rohr, z.B. in einer Schutzgasatmosphäre bei zumindest 7000C, jedoch unterhalb der Schmelzpunkte der metallischen Werkstoffe und bei einem Druck von zumindest 900 bar verpresst wird, worauf warmverformt formgebend verarbeitet und materialabtragend endgeformt wird, Soll ein kraftübertragendes Element erzeugt werden, bei dem zumindest teilweise die Kräfte über eine Ausnehmung, z.B. Innenverzahnung übertragen werden sollen, wobei eine besonders grosse Vielzahl von Werkstoffpaarungen gegeben sein soll, so kann in einem Hüllenrohr und/oder Kapsel ein Stab oder Rohr, insbesondere aus Titan oder einer Titanlegierung angeordnet werden, und in den Zwischenraum ein pulverförmiger Werkstoff eingebracht werden, wobei die Hüllenrohr- bzw. die Kapselrohrenden verschlossen werden, worauf oder bevor evakuiert wird, und das so verschlossene Rohr z.B. in einer Schutzgasatmosphäre bei zumindest 7000C jedoch unterhalb der Schmelzpunkte der metallischen Werkstoffe und bei einem Druck von zumindest 900 bar verpresst wird, warmverformt formgebend verarbeitet und materialabtragend endgeformt wird. Wird als pulverförmiger Werkstoff Titan oder eine Titan basislegierung verwendet, so kann insbesondere bei Eisen legierungen eine Bildung einer harten Zwischenschichte, die für die mechanischen Festigkeiten nachteilig sein kann, vermieden werden, wobei gleichzeitig unerwünschte Diffu sionen zwischen den Werkstoffen verhindert werden können. Wird in einem Hüllenrohr aus einem metallischen Werkstoff ein weiterer metallischer Werkstoff schmelzflüssig einge bracht, insbesondere durch Elektroschlackeumschmelzen, worauf warmverformt, formgebend verarbeitet und material abtragend endgeformt wird,so kann das Stabmaterial besonders materialsparend erzeugt werden, wobei eine besonders hohe Reinheit und damit ein entsprechend hohes Eigen schaftsniveau des .schmelzflüssig eingebrachten Werkstoffes erreicht werden kann. Es hat sich auch als Vorteil erwiesen, wenn ein Schleuder gussrohr aus einem metallischen Material verwendet wird. Die abgelängten Stücke des stabförmigen Materials können auch gesenkgeschmiedet werden, wobei diese Fertigungsweise sich insbesondere für die Massenproduktion eignet. Zur metallischen Verbindung zwischen den metallischen Werkstoffen kann ein Haftvermittler, insbesondere aus Nickel verwendet werden, wobei diese Schicht gleichzeitig eine Diffusion der metallischen Werkstoffe ineinander ver hindern kann. Eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsge mässen Verfahrens besteht darin, dass ein Rohr und/oder Kernstab aus vorgepresstem Pulver verwendet wird, wobei dann ein pulvermetallurgischer Verbund zwischen den Stoffen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung zur Warmyer- formung verwendet werden kann. Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beispiele näher erläutert. Beispiel 1: Auf herkömmliche Art wurde ein Zahnrad mit einer Aussenverzahnung und exzentrischer Innenausnehmung hergestellt, wobei die Flächen der Innenausnehmung eine Einsatztiefe mit einer Aufkohlung von mindestens 1,2 mm aufweisen soll, während an der Aussenfläche für die Aussenverzahnung aufgrund der feinen Verzahnung lediglich eine Einsatztiefe von 0,3 mm zulässig ist und der Kohlenstoffpegel von 0,7 Cew.-% bei der Einsatzhärtung eingestellt werden soll. Es wird hiebei ein Einsatzstahl folgender Zusammensetzung in Gew.-% C:0,17, Ci: 0,3, Mn:1,2, Cm:0,9, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen verwendet. Es wird vorerst ein Stabstahl durch Drehen hergestellt, wobei mit Übermass gefertigt wird. Sodann wird der Stabstahl abgelängt und in der so erhaltenen Scheibe wird eine exzentrische Innenausnehmung mechanisch herausgearbeitet, wobei ebenfalls die Schleifzugabe zu berücksichtigen ist. Danach erfolgt die Aufkohlung auf ca. 1,5 mm Einsatztiefe mit anschliessendem Weichglühen, wonach an der Aussenoberfläche die Einsatzschichte zur Gänze abgedreht wird. Darauf werden die Zähne an der Aussenseite gefertigt und es erfolgt eine zweite 0 Aufkohlungsbehandlung bei 850 C und eine Einsatztiefe von 0,3 mm mit anschliessendem Härten und Anlassen auf 740 f/- 20 HV. Bei der erfindungsgemässen Herstellung des gleichen Zahnrades kann aus einem Rundverbund mit metallischer Bindung aus einem Stahl folgender Zusammensetzung in Gew.-% C:0,17, Si: 0,3, Mn: 1,2, Cr: 0,9, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen und C: 0,62, Si: 1,1, Mn: 1,1, Cr: 0,6 hergestellt werden, wobei ein Hohlzylinder mit einem Aussendurchmesser von 100 mm und einer Wandstärke von 24 mm aus dem zuerst angeführten Stahl mit einem entsprechenden zylindrischen Stab mit einem Durchmesser von 42 mm versehen wird. Nach der stirnseitigen dichten Verschweissung an beiden Enden wird der Zylinder auf einen Aussendurchmesser von 55 mm geschmiedet, wodurch sich eine 3,3-fache Verformung ergibt. Aus dem so erhaltenen Stabmaterial werden Scheiben abgelängt, aus welchen die Zahnräder sowohl mit der Innenausnehmung als auch mit der erforderlichen Aussenverzahnung fertiggestellt werden, worauf die Rohlinge einer- Endwärmebehandlung, also dem Aufkohlen auf 0,3 mm Tiefe bei 860 OC mit einem Kohlenstoffpegel von 0,7 Gew.-% mit anschliessender Härtung unterzogen wurden. Der Kernwerkstoff wies nach erfolgter Anlassbehandlung eine Härte von 740 +/- 20 HV auf und die Verschleissschichte in der exzentrischen Innenform betrug zumindest 3 mm. Wie aus diesem Vergleichsbeispiel hervorgeht, kann nach dem erfindungsgemässen Verfahren die Bearbeitung der Zahnräder in einem Arbeitsgang erfolgen, wobei keine mehrfacheEinsatzhärtung erforderlich ist, die mechanische Bearbeitung in einem Arbeitsschritt erfolgen kann und durch geeignete Werkstoffwahl kann die Aufkohlungszeit geringer gehalten werden. Beispiel 2: Es sollte ein Zahnrad hergestellt werden, das einen Aussenring aus Nitrierstahl und einen Körper aus Titan aufweist. In einem rohrförmigen Zylinder mit einem Aussendurchmesser von 180 mm und einem Innendurchmesser von 130 mm und einer Länge von 900 mm aus einem Nitrierstahl folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-% C:n,34, Cr: 1,2, Mo: 0,2, Al:0,95 wurde ein Stab aus Reintitan mit engem Spiel eingebracht. Dieser Körper wurde sodann mit einem Blechmantel, der eine 0 Dicke von 2 mm aufwies, gasdicht umschlossen, worauf bei 950 C und 1000 bar drei Stunden lang heissisostatisch verpresst wurde. Sodann wurde die Temperatur im Ofen auf 780 OC gesenkt und eine Stunde gehalten, worauf im Ofen bis auf 0 550 C abgekühlt wurde, wonach die weitere Abkühlung in Luft bei Aussentemperatur erfolgte. Der so erhaltene Verbund wurde durch Schmieden einer 2-fachen Verformung unterworfen. Das so erhaltene Stabmaterial wurde in 35 mm dicke Scheiben aufgeteilt, die wie folgt vergütet wurden: Abschrecken aus 9000C in Öl und Anlassen bei 570 0C für eine Zeitdauer von acht Stunden. Aus den so erhaltenen Scheiben wurden Zahnräder mit einer Aussenverzahnung und einer entsprechenden Innenausnehmung hergestellt. Die so mechanisch gefertigten Zahnräder.wurden einer Gasnitrierung bei510Or 40 Stunden lang unterworfen ho- bei das Titan durch eine entsprechende Paste abgedeckt wurde. Das so erhaltene Zahnrad wies eine Nitriertiefe von 0,35 mm auf. Beispiel 3: In eine metallische Kapsel mit einem Aussendurchmesser von 90 mm,einer Wandstärke von 2 mm und einer Gesamthöhe von 900 mm wurde ein Zylinder mit einem Durchmesser von 60 mm und einer Länge von 900 mm aus einer Titanbasislegierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-S: C:max. 0,08, Al: 6,0, V: 4,0, Rest Titan und herstellungsbedingte Verunreinigungen zentrisch eingesetzt. Der Zwischenraum wurde mit einem Metallpulver folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-% C: 2,23, Cr: 13,0, Mo: 1,0, V: 3,8, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen gefüllt. Das eingebrachte Pulver wurde verdichtet, worauf evakuiert und die Kapsel gasdicht verschlossen wurde. Es wurde sodann drei Stunden bei 1000 bar und 10500C heissisostatisch verpresst. Der so erhaltene Körper wurde auf einer Langschmiedemaschine warmverformt, wobei der Aussendurchmesser von 90 mm auf 70 mm reduziert wurde, was einem Verformungsgrad von ca. 1,65 entspricht. Der so erhaltene Verbundkörper wurde auf 7000C zwei Stunden lang erhitzt, wonach in Luft abgekühlt wurde. Sodann erfolgte die mechanische Bearbeitung,worauf das so mechanisch gefertigte Zahnrad folgender Wärmebehandlung unterworfen wurde: 1 Stunde lang auf 9500 erhitzt, in Öl abgekühlt 0 und sodann 2 Stunden auf 500 C erwärmt wurde. Das so er- haltene Zahnrad wies eine verschleissfeste Aussenzone auf, an die ein zäher und leichter Ir.llenbereichanschliesst, wobei eine zusätzliche Nitrierung z.B. zur Erhöhung der Gleiteigenschaften beim Aussenwerkstoff durchgeführt werden kann. Beispiel 4: Ein Stabmaterial, das gemäss Beispiel 2 erhalten wurde und aus einem Nitrierstahl besteht, in welchem ein Titanstab eingeschlossen ist, wurde von seiner äusseren Stahlkapsel durch Zerspanen befreit, worauf Scheiben abgelängt 0 wurden. Diese Scheiben wurden sodann auf 920 C erhitzt und in einem Schmiedegesenk gesenkgeschmiedet, wobei ein Stirnrad für ein LKW-Getriebe erhalten wurde, das einen Zahnkranz aus Nitrierstahl aufwies. Der so erhaltene Schmiederohling wurde analog Beispiel 2 einer Vergütung unterzogen, wonach eine spanabhebende mechanische Endformgebung durchgeführt wurde. Das mechanisch vollständig 0 bearbeitete Zahnrad wurde bei 510 C 30 Stunden lang gas- nitriert, wobei sich eine Stickstoffdiffusion bis auf 0,3 mm einstellte. Das Titan wurde durch eine Schutzpaste abgedeckt. Nach der durchgeführten Gasnitrierung war das Zahnrad einsatzbereit. Es besteht sodann auch die Möglichkeit, dass ein Stabmaterial aufgebaut wird, welches aus mehr als zwei Materialien besteht. Weiters kann sowohl der Aussenzylinder als auch der Innenstab oder der Innenzylinder auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt werden, sei es als grüne Presslinge oder bereits vollständig verdichteter Körper.

Claims: A method of producing members, gearwheels, cams or the like, [for] transmitting power or torque by way of one or more teeth, cams, recesses or the like and made up at least of two different metallic materials which have a metallic bond, a bar material being made up of at least two different metallic materials, while a tubular covering of one material and at least one layer radially adjacent thereto are subjected to a thermal deformation with an at least 1·3-fold deformation, after which the thermally deformed bar material is subjected to a heat treatment, and is shaped by cutting into lengths or division, after which the teeth or recesses of the power-or torque-transmitting members are finally shaped by the removal of material in a further operating process before/after a heat and/or surface treatment. A method according to Claim 1, characterized in that a bar or tube of titanium or a titanium-based alloy is placed in a covering tube of steel, after which treatment is performed by shaping with heat deformation and final shaping is performed by the removal of material. A method according to Claim 1, characterized in that a powdered material is introduced and where appropriate compressed, in particular by hollowing out a central space, into a covering tube of titanium or a titanium-based alloy, which where appropriate is placed in a capsule, and the ends of the covering tube or the capsule tube are closed off, evacuation takes place subsequently or beforehand, and the tube closed off in this way is compressed in a gas atmosphere at a temperature of at least 700°, but below the melting points of the metallic materials, and at a pressure of at least 900 bar, after which shaping is performed with heat deformation and final shaping is performed by the removal of material. A method according to Claim 1 or 3, characterized in that a bar or tube of titanium or a titanium-based alloy is placed in a covering tube and/or capsule tube and a powdered material is introduced into the interspace, and the ends of the covering tube or the capsule tube are closed off, evacuation takes place subsequently or beforehand, and the tube closed off in this way is compressed in a gas atmosphere at a temperature of at least 700°C, but below the melting points of the metallic materials, and at a pressure of at least 900 bar, after which shaping is performed with heat deformation and final shaping is performed by the removal of material. A method according to Claim 3 or 4, characterized in that a powdered material of titanium or a titanium-based alloy is used. A method according to any one of Claims 1 to 5, characterized in that the pieces cut into lengths are drop-forged. A method according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that a coupling agent, in particular of nickel, is used for the metallic bond. A method according to any one of Claims 1 to 7, characterized in that at least one tube and/or core bar of pre-pressed powder is used.

Inventors: GSTETTNER, MANFRED ING., HRIBERNIK, BRUNO, DIPL. -ING., KOHNHAUSER, ALEXANDER
Applicants: BOEHLER GESELLSCHAFT M.B.H.
Application year: 1985
Main classification: B23P15
IPC codes: B23P15, B22F7, C23C24