DE112011103966T5

DE112011103966T5 - Verfahren zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit eines Gusseisenmaterials

Info

Publication number: DE112011103966T5
Application number: DE112011103966T
Authority: DE
Inventors: Yoshihiko Nozaki; Makoto Taguchi; Kazuhiro Hirakawa
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-08-29
Also published as: WO2012073631A1; JP2012117095A; US9464335B2; US20130263980A1

Abstract

Das Ziel dieser Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Verbesserung einer Ermüdungsfestigkeit anzugeben, das in der Lage ist, die Ermüdungsfestigkeit von Gusseisen, spezifisch sphärischem Graphit-Gusseisen auf den gleichen Wert wie bei einem Kohlenstoffstahl, mit dem Verkohlungen und Abschreckungen durchgeführt ist, zu verbessern. Diesbezüglich umfasst dieses Verfahren einen Schritt zur Durchführung einer ersten, zweiten und dritten Kugelstrahlbehandlung unter Verwendung von Kugeln mit einem bestimmten Durchmesser für jeden Schritt bei einem sphärischen Graphit-Gusseisen, mit dem eine Abschreck- und Temper-Wärmebehandlung oder Bainisierungs-Wärmebehandlung durchgeführt ist und die Zugfestigkeit auf 1200 MPa oder mehr eingestellt ist, wobei das sphärische Graphit-Gusseisen die folgenden Elemente in den folgenden Massenprozentsätzen enthält: C = 2,0 bis 4,0%, Si = 1,5 bis 4,5%, Mn = 2,0% oder weniger, P = 0,08% oder weniger, S = 0,03% oder weniger, Mg = 0,2 bis 0,1% und Cu = 1,8 bis 4,0%.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft eine Technologie zur Verbesserung einer Ermüdungsfestigkeit eines Gusseisenmaterials, insbesondere eines sphärischen Graphit-Gusseisens.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein konventionelles Automobilgetriebe wurde hergestellt durch Aufkohlen und Härten eines Stahlmaterials, nachdem das Stahlmaterial verzahnt wurde. Jedoch gab es ein Problem der Deformation eines Teils aufgrund einer Wärmebehandlungsspannung.
Im Gegensatz dazu kann sphärisches Graphit-Gusseisen leicht hergestellt werden. Jedoch hat es einen Nachteil, dass es nicht in einem Automobilgetriebe verwendet werden kann, weil es eine niedrige Ermüdungsfestigkeit hat. Demzufolge ist es gewünscht, dass ein Gusseisenmaterial, das nicht verkohlt und nicht gehärtet ist, eine Ermüdungsfestigkeit aufweist, die gleich ist wie die eines verkohlten und gehärteten Stahlmaterials.
Ein sphärisches Graphit-Gusseisen hat eine hohe mechanische Festigkeit in Gusseisen. Als Technologie zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit eines sphärischen Graphit-Gusseisens gibt es eine Bainisierungsbehandlung, die bei einem sphärischen Graphit-Gusseisen durchgeführt wird, umfassend, als Gewichtsverhältnis: 2,0 bis 4,0% C, 1,5 bis 4,5% Si, 2,0% oder weniger Mn, 0,08% oder weniger P, 0,03% oder weniger S, 0,02 bis 0,1% Mg und 1,8 bis 4,0% Cu.
Die Biege-Ermüdungs-Festigkeit bei 10⁷ Zyklen eines sphärischen Graphit-Gusseisens mit einer solchen Zusammensetzung ist in 13 gezeigt. Wie in einer Rotations-Biegetestkurve L von 13 gezeigt, in der eine Spannung (MPa) in einer vertikalen Achse und die Anzahl der Wiederholungen des Biegens in einer horizontalen Achse gezeigt ist, hat selbst ein Gusseisen mit hoher Zugfestigkeit, das eine Zugfestigkeit von 1400 MPa hat, nur eine Zugfestigkeit von etwa 200 MPa. Dieser numerische Wert ist vergleichbar mit dem eines geschmiedeten Gegenstandes, und die Festigkeit von 600 MPa oder mehr, die der gleiche Wert ist wie bei einem aufgekohlten und gehärteten Stahlmaterial, wird nicht erhalten.
Die Ermüdungsfestigkeit von „etwa 200 MPa” kann in einem Automobilgetriebe nicht verwendet werden.
Als anderer Stand der Technik wird eine Technologie vorgeschlagen, bei der ein sphärisches Graphit-Gusseisen gegossen wird, zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit davon, in dem ein Additiv zu einem geschmolzenen Metall aus einem schüppchenförmigen Graphit-Gusseisen gegeben wird (siehe Patentdokument 1).
Ein solcher Stand der Technik soll die Ermüdungsfestigkeit verbessern, indem ein Gussschritt verbessert wird, und kann jedoch nicht die Ermüdungsfestigkeit eines Materials verbessern, nachdem ein Gusseisenmaterial mechanisch bearbeitet ist.
Dokumente des Standes der Technik
Patentdokument

Patentdokument 1: japanische nicht geprüfte Patentveröffentlichung 2005-8913

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Problem, das diese Erfindung lösen soll
Diese Erfindung wurde angesichts der Probleme des oben beschriebenen Standes der Technik vorgeschlagen und bezweckt die Angabe eines Verfahrens zur Verbesserung einer Ermüdungsfestigkeit, das die Ermüdungsfestigkeit eines Gusseisenmaterials, insbesondere eines sphärischen Gusseisens auf einen Wert verbessern kann, der gleich ist wie der eines Kohlenstoffstahls, der verkohlt und gehärtet ist.
Mittel zur Lösung des Problems
Ein Verfahren zur Verbesserung einer Ermüdungsfestigkeit eines Gusseisenmaterials dieser Erfindung umfasst folgende Schritte:
Durchführen einer ersten Kugelstrahlbehandlung mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und einer Teilchengröße (ϕ) von 0,5 bis 0,8 mm (Schritt 1),
Durchführen einer zweiten Kugelstrahlbehandlung mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und einer Teilchengröße (ϕ) von 0,1 bis 0,3 mm (Schritt 2), und
Durchführen einer dritten Kugelstrahlbehandlung mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und einer Teilchengröße (ϕ) von 0,1 mm oder weniger (Schritt 3)
für jedes sphärische Graphit-Gusseisen, mit dem eine Abschreck- und Wärmebehandlung oder Temper-Wärmebehandlung durchgeführt ist und die Zugfestigkeit auf 1200 MPa oder mehr eingestellt ist, wobei das sphärische Graphit-Gusseisen die folgenden Elemente in den folgenden Massenprozentsätzen enthält: C = 2,0–4,0%, Si = 1,5–4,5%, Mn = 2,0% oder weniger, P = 0,08% oder weniger, S = 0,03% oder weniger, Mg = 0,02–0,1% und Cu = 1,8–4,0% Cu.
Bei Anwendung dieser Erfindung ist es bevorzugt, dass nach Durchführung der ersten bis dritten Kugelstrahlbehandlung eine Kugelstrahlbehandlung durchgeführt wird mit Kugeln, die sich aus Zinn oder Molybdän zusammensetzen, zur Durchführung einer Metallschmierung.
Vorteilhafte Wirkungen dieser Erfindung
Als Ergebnis eines Experimentes, das durch den Erfinder durchgeführt wurde, kann, wenn die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung in Bezug auf ein sphärisches Graphit-Gusseisen durchgeführt wird, das, als Gewichtsverhältnis, umfasst: 2,0 bis 4,0% C, 1,5 bis 4,5% Si, 2,0% oder weniger Mn, 0,08% oder weniger P, 0,03% oder weniger S, 0,02 bis 0,1% Mg und 1,8 bis 4,0% Cu, wobei eine Abschreck- und Temper-Wärmebehandlung mit dem sphärischen Graphit-Gusseisen durchgeführt wird und wobei die Zugfestigkeit auf 1200 MPa oder mehr eingestellt ist, eine Ermüdungsfestigkeit von 350 MPa oder mehr erhalten werden, wobei die Festigkeit die Biegeermüdungsfestigkeit ist, die den gleichen Wert wie bei einem aufgekohlten und gehärteten Stahlmaterial hat.
Als Ergebnis eines Experimentes, das durch diese Erfinder durchgeführt wurde, kann, wenn die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung in Bezug auf ein sphärisches Graphit-Gusseisen durchgeführt ist, das, als Gewichtsverhältnis, umfasst: 2,0 bis 4,0% C, 1,5 bis 4,5% Si, 2,0% oder weniger Mn, 0,08% oder weniger P, 0,03% oder weniger S, 0,02 bis 0,1% Mg und 1,8 bis 4,0% Cu, wobei eine Bainisierungs-Wärmebehandlung mit dem sphärischen Graphit-Gusseisen durchgeführt wurde und die Zugfestigkeit auf 1200 MPa oder mehr eingestellt wurde, eine Ermüdungsfestigkeit von 350 MPa oder mehr erhalten werden, wobei die Festigkeit die Biege-Ermüdungs-Festigkeit ist, die den gleichen Wert hat wie ein aufgekohltes und gehärtetes Stahlmaterial.
Gemäß dieser Erfindung kann eine Druckrestspannungsverteilung etwa 600 MPa für einen Bereich von 100 μm von einer Oberfläche durch Durchführen der ersten bis dritten Kugelsteuerbehandlung verliehen werden, die Erzeugungen von feinen Rissen auf einer Oberfläche eines sphärischen Graphit-Gusseisens und die Entwicklung von Rissen werden verzögert und daher wird die Ermüdungsfestigkeit verbessert.
Gemäß dieser Erfindung kann durch Durchführen eines bestimmten Verarbeitungsverfahrens (beispielsweise ein Verzahnungsverfahren für ein Automobilgetriebe) bei einem sphärischen Gusseisen, das, als Gewichtsverhältnis, umfasst: 2,0 bis 4,0% C, 1,5 bis 4,5% Si, 2,0% oder weniger Mn, 0,08% oder weniger P, 0,03% oder weniger S, 0,02 bis 0,1% Mg und 1,8 bis 4,0% Cu, bei dem eine Abschreck- und Temper-Wärmebehandlung oder eine Bainisierungs-Wärmebehandlung durchgeführt ist und wobei die Zugfestigkeit auf 1200 MPa oder mehr eingestellt ist, und durch Durchführen der ersten bis dritten Kugelstrahlbehandlung mit dem sphärischen Graphit-Gusseisen die Biege-Ermüdungs-Festigkeit, die den gleichen Wert hat wie bei einem verkohlten und gehärteten Stahlmaterial, erhalten werden, ohne dass eine Aufkohlungs- und Härtungsbehandlung durchgeführt wird.
Weil es weiter nicht notwendig ist, eine Wärmebehandlung nach der Maschinierungsbehandlung durchzuführen, kann die Wärmebehandlungsspannung verhindert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Zeichnung, die einen Vorgang eines Verfahrens zur Verbesserung einer Ermüdungsfestigkeit dieser Erfindung zeigt.
2 ist eine Zeichnung, die Testergebnisse eines Zugfestigkeitstests von Testbeispielen zeigt.
3 ist ein Diagramm einer restlichen Spannung einer Tiefe von einer Materialoberfläche, die eine restliche Spannungsverteilung zeigt, wenn jede der ersten bis dritten Kugelstrahlbehandlungen durchgeführt wurde.
4 ist eine Zeichnung, die eine Verteilung der Druckeigenspannung nach Durchführen der ersten bis dritten Kugelstrahlbehandlung zeigt.
5 ist eine Zeichnung, die ein Teststück zeigt, das bei einem Biege-Ermüdungstest verwendet wird.
6 ist eine Zeichnung, die Testergebnisse von Rotations-Biege-Ermüdungstests beim experimentellen Beispiel 1 zeigt.
7 ist eine Zeichnung, die Ergebnisse des experimentellen Beispiels 2 als eine Tabelle zeigt.
8 ist eine Zeichnung, die Ergebnisse des experimentellen Beispiels 3 als eine Tabelle zeigt.
9 ist eine Zeichnung, die Ergebnisse des experimentellen Beispiels 4 als eine Tabelle zeigt.
10 ist eine Zeichnung, die Ergebnisse des experimentellen Beispiels 5 als eine Tabelle zeigt.
11 ist eine Zeichnung, die Ergebnisse des experimentellen Beispiels 6 als eine Tabelle zeigt.
12 ist eine Zeichnung, die Ergebnisse des experimentellen Beispiels 7 als eine Tabelle zeigt.
13 ist eine Ermüdungsfestigkeits-Kurve eines sphärischen Graphit-Gusseisens.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung beschrieben.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 ein Arbeitsvorgang in einem erläuterten Ausführungsbeispiel beschrieben.
In 1 wird ein sphärisches Graphit-Gusseisen, das umfasst: 2,0 bis 4,0% C, 1,5 bis 4,5% Si, 2,0% oder weniger Mn, 0,08% oder weniger P, 0,03% oder weniger S, 0,02 bis 0,1% Mg und 1,8 bis 4,0% Cu, als Gewichtsverhältnis, einer Abschreck- und Temper-Wärmebehandlung oder Bainisierungs-Wärmebehandlung unterworfen, unter Erhalt einer Zugfestigkeit von 1200 MPa oder mehr (Schritt S0).
Dann wird eine Kugelstrahlbehandlung mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und einer Teilchengröße ϕ von 0,5 bis 0,8 mm durchgeführt (Schritt S1: Schritt zur Durchführung einer ersten Kugelstrahlbehandlung: erster Schritt).
Dann wird eine Kugelstrahlbehandlung mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und einer Teilchengröße ϕ von 0,1 bis 0,3 mm durchgeführt (Schritt S2: Schritt zur Durchführung einer zweiten Kugelstrahlbehandlung: zweiter Schritt).
Dann wird eine Kugelstrahlbehandlung mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und einer Teilchengröße ϕ von 0,1 mm oder weniger durchgeführt (Schritt S3: Schritt zur Durchführung einer dritten Kugelstrahlbehandlung: dritter Schritt).
Danach wird mit Zinn- oder Molybdänkugeln einer angemessenen Härte und Teilchengröße eine Kugelstrahlbehandlung durchgeführt (Schritt S4: Schritt zur Durchführung einer vierten Kugelstrahlbehandlung: vierter Schritt).
Gemäß Schritt S4 kann auf einer Oberfläche eines Arbeitsstückes, bei dem die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung durchgeführt wurde, eine Metallschmierung erzielt werden.
Zusätzlich kann der Schritt S4 weggelassen werden.
Gemäß diesem Schritt S4 wird eine Wirkung vorteilhafterweise verliehen, dass eine Oberfläche, die durch die dritte Kugelstrahlbehandlung abgeflacht wird, weiter Metall-geschmiert wird.
Der Schritt S4 ist kein unverzichtbarer Schritt und kann weggelassen werden, um die Schritte und eine notwendige Zeitperiode des Gesamtverfahrens zu reduzieren.
Von einer Testprobe, mit der die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung (1. bis 3. Schritt) durchgeführt wurde, wurde eine Probe für einen Ermüdungstest, gezeigt in 3, hergestellt.
Gemäß einem erläuterten Ausführungsbeispiel umfasst eine Form eines Teststückes, das vollständig durch Bezugszeichen 12 gezeigt ist, beispielsweise eine runde Stange 3 mit einem Außendurchmesser von 12 mm, wobei eine Aussparung 5 in einer Querschnittsform mit V-Charakter, die sich um eine vollständige Peripherie in einer Umgebungsrichtung erstreckt, gebildet ist. An einem Boden 5a einer Aussparung 5 ist ein Durchmesser einer runden Stange 3 8 mm. Hier hat ein Teststück 12, das in den 5(a) und 5(b) gezeigt ist, eine Form, die gleich ist wie die eines allgemeinen Teststückes.
Mit einem solchen Teststück 13 wurde ein Rotations-Biegeermüdungstest durchgeführt.
Wie unten im experimentellen Beispiel 1 erwähnt ist, hat die Ermüdungsfestigkeit eines sphärischen Graphit-Gusseisens, mit dem die Kugelstrahlbehandlungen der Schritte S1 bis S3 gemäß 1 durchgeführt wurde, eine Biegeermüdungsfestigkeit (beispielsweise etwa 350 MPa), die gleich ist wie die eines verkohlten und gehärteten Stahlmaterials.
Die Erfinder haben Experimente (experimentelles Beispiel 1 bis experimentelles Beispiel 6) wie unten gezeigt mit einem sphärischen Graphit-Gusseisen durchgeführt, der umfasst: 2,0 bis 4,0% C, 1,5 bis 4,5% Si, 2,0% oder weniger Mn, 0,08% oder weniger P, 0,03% oder weniger S, 0,02 bis 0,1% Mg und 1,8 bis 4,0% Cu, als Gewichtsverhältnis.
[Experimentelles Beispiel 1]
Durch Durchführen der Abschreck- und Temper-Wärmebehandlung mit dem oben erwähnten sphärischen Graphit-Gusseisen wird die Zugfestigkeit auf 1200 MPa oder mehr eingestellt.
Die Ergebnisse eines Zugtests mit einer Testprobe, bei der die Abschreck- und Temper-Wärmebehandlung bei einem sphärischen Graphit-Gusseisen durchgeführt wurde (abgeschrecktes und Temper-wärmebehandeltes sphärisches Graphit-Gusseisen), sind mit einer charakteristischen Kurve FCD in 2 gezeigt.
In 2 zeigt eine vertikale Achse eine Zugspannung (MPa) und eine horizontale Achse eine Zugverformung (ε). Drei Arten von Teststücken, Nr. 1 bis Nr. 3, haben alle die maximale Zugspannung von 1200 MPa oder mehr. Eine charakteristische Kurve FCA, die als Referenz gezeigt ist, zeigt Zugspannungs-(MPa)-Zugverformungs-(ε)-Eigensohaften in einem Gusseisen, und die maximale Zugspannung war 272,4 MPa.
Mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und einer Teilchengröße (ϕ) von 0,5 bis 0,8 mm wurde eine erste Kugelstrahlbehandlung durchgeführt. Ergebnisse der ersten Kugelstrahlbehandlung sind als restliche Spannungsverteilungskurve A in 3 gezeigt (restliche Spannungsverteilungskurve nach der ersten Kugelstrahlbehandlung: charakteristische Kurve mit der Darstellung „☐”).
Gemäß einer restlichen Spannungsverteilungskurve A hat bis zur Tiefe von 150 μm von einer Teststückoberfläche (0 μm) eine restliche Spannung nahezu einen gleichmäßigen numerischen Wert von –800 (MPA), während er leicht sich erhöht.
In den 3 und 4 zeigt eine vertikale Achse einen numerischen Wert der restlichen Spannung. In den 3 und 4 ist dann, wenn ein numerischer Wert der Druckeigenspannung hoch ist, dies in einem unteren Teil gezeigt (auf einer Seite, bei der ein negativer Absolutwert groß ist). Mit einem Teststück, das sich von dem Teststück unterscheidet, von dem eine restliche Spannungsverteilungskurve A in 3 erhalten wurde, wurde eine zweite Kugelstrahlbehandlung mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und einer Kugelteilchengröße (ϕ) von 0,1 bis 0,3 mm durchgeführt. Ergebnisse davon sind in 3 als restliche Spannungsverteilungskurve B gezeigt (restliche Spannungsverteilungskurve nach der zweiten Kugelstrahlbehandlung: charakteristische Kurve mit dem Zeichen „O”).
In der restlichen Spannungsverteilungskurve B erhöht sich in einer Fläche (Bereich) bis zu einer Tiefe von 50 μm von einer Teststückoberfläche (0 μm) eine Druckrestspannung schnell und in einer Fläche in einer Tiefe von 50 μm oder mehr erhöht sich eine Druckrestspannung langsam.
Bei einem Teststück, das sich weiterhin von dem Teststück, mit dem eine restliche Spannungsverteilungskurve A gemäß 3 erhalten wurde, oder das sich von dem Teststück unterscheidet, von dem eine restliche Spannungsverteilungskurve B gemäß 3 erhalten wurde, wurde eine dritte Kugelstrahlbehandlung mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und einer Kugelteilchengröße (ϕ) von 0,1 mm oder weniger durchgeführt. Die Ergebnisse davon sind in 3 als restliche Spannungsverteilungskurve C gezeigt (restliche Spannungsverteilungskurve nach der dritten Kugelstrahlbehandlung: charakteristische Kurve mit dem Zeichen „♢”.
In einer restlichen Spannungsverteilungskurve C erhöht sich in einer Fläche bis zu einer Tiefe von 25 μm von einer Teststückoberfläche (0 μm) eine Druckrestspannung schnell, und in einer Fläche, die tiefer von einer Oberfläche als eine Tiefe von 25 μm ist, erhöht sich eine Druckrestspannung langsam.
Eine restliche Spannungsverteilung davon ist in 4 gezeigt, die ein Ergebnis zeigt, wenn die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung mit dem gleichen Teststück durchgeführt worden ist.
In 4 wird eine restliche Spannungsverteilung eines Teststückes vor der ersten bis dritten Kugelstrahlbehandlung durchgeführt und ist mit einer restlichen Spannungsverteilungskurve G dargestellt.
Auf der anderen Seite ist eine restliche Spannungsverteilung eines Teststückes nach Durchführen der ersten bis dritten Kugelstrahlbehandlung mit einer restlichen Spannungsverteilungskurve Sa gezeigt.
Wie von 4 ersichtlich ist, ist im Vergleich zu einer restlichen Spannung eines Teststückes vor der ersten bis dritten Kugelstrahlbehandlung eine restliche Spannungsverteilung eines Teststücks nach der ersten bis dritten Kugelstrahlbehandlung erhöht. Ein Abstand (Unterschied) zwischen einer restlichen Spannungsverteilungskurve G und einer restlichen Spannungsverteilungskurve Sa entspricht einem Inkrement einer Druckrestspannung aufgrund der ersten bis dritten Kugelstrahlbehandlung.
Unter Bezugnahme auf 4 ist ersichtlich, dass ein Teststück, bei dem die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung durchgeführt worden ist, eine erhöhte Druckrestspannung vollständig in einer Fläche von einer Oberfläche bis 150 μm im Inneren im Vergleich zu einer Druckeigenspannung eines Teststückes aufweist, bei dem die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung nicht durchgeführt worden ist. In 4 entspricht ein Abstand (Unterschied) zwischen einer restlichen Spannungsverteilungskurve G und einer restlichen Spannungsverteilungskurve Sa einem Inkrement der Druckrestspannung.
Eine restliche Spannung ist 1000 MPa bei einer Oberfläche 0 μm und etwa 700 MPa in einer Fläche von 25 μm bis 100 μm. Ebenso in einer Fläche (Bereich), die mehr im Inneren liegt als 100 μm, hat ein Teststück, bei dem die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung durchgeführt worden ist, eine erhöhte Druckrestspannung im Vergleich zu der Druckrestspannung eines Teststücks, bei dem die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung nicht durchgeführt worden ist.
Beim experimentellen Beispiel 1 wurden die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung bei dem gleichen Teststück durchgeführt, ein Ermüdungsteststück, dargestellt in den 5(a) und 5(b), wurde aus dem Material (Teststück) hergestellt, und der Rotations-Biege-Ermüdungstest (JIS Z 2274) wurde damit durchgeführt. Die Ergebnisse eines solchen Ermüdungstests sind in 6 zeigt. In 6 zeigt eine vertikale Achse eine Biegespannung (σ: MPa) und eine horizontale Achse die Anzahl der Wiederholungen (N) an.
Ein Zeichen H in 6 zeigt eine charakteristische Kurve der Biegeermüdungsfestigkeit eines Teststücks, mit dem die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung im experimentellen Beispiel 1 durchgeführt wurde.
Es wurde in 6 festgestellt, dass ein Teststück gemäß dem experimentellen Beispiel 1 eine Biege-Ermüdungsfestigkeit hat, die gleich ist wie bei einem aufgekohlten und abgeschreckten Stahl (etwa 350 MPa).
Eine Biege-Ermüdungskurve J in 6 zeigt eine Biege-Ermüdungskurve eines Gusseisens mit hoher Zugfestigkeit FCDI 1400 MPa, bei dem eine Kugelstrahlbehandlung nicht durchgeführt wurde. Diese Biege-Ermüdungskurve J ist auch in 13 gezeigt.
Beim experimentellen Beispiel 1 wurde aufgrund der Ergebnisse gemäß 6 festgestellt, dass die Biege-Ermüdungsfestigkeit, die im Allgemeinen gleich ist wie die (etwa 350 MPa) eines aufgekohlten und gehärteten Stahlmaterials mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, erhalten werden kann, indem eine Abschreck- und Temper-Wärmebehandlung bei dem sphärischen Graphit-Gusseisen durchgeführt wird, umfassend 2,0 bis 4,0% C, 1,5 bis 4,5% Si, 2,0% oder weniger Mn, 0,08% oder weniger P, 0,03% oder weniger S, 0,02 bis 0,1% Mg und 1,8 bis 4,0% Cu, als Gewichtsverhältnis, um so eine Zugfestigkeit von 1200 MPa oder mehr zu verleihen, und indem dann die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung durchgeführt wird.
Von einer Druckrestspannungs-Verteilung, dargestellt in 3, wurde festgestellt, dass dann wenn die erste Kugelstrahlbehandlung weggelassen wird, eine Druckrestspannung in einer Fläche, die um 25 μm oder mehr von einer Oberfläche tiefer ist, vermindert wird, und wenn die zweite Kugelstrahlbehandlung weggelassen wird, eine Druckrestspannung in einer Fläche bis 25 μm von einer Oberfläche vermindert ist.
[Experimentelles Beispiel 2]
Beim experimentellen Beispiel 2 wurde ein Testmaterial verwendet, das erhalten wurde durch Durchführen einer Bainisierungs-Wärmebehandlung mit dem sphärischen Graphit-Gusseisen, unter Erhalt einer Zugfestigkeit von 1200 MPa oder mehr.
In Bezug auf solche Testmaterialien wurde auf gleiche Weise wie bei dem experimentellen Beispiel 1 eine erste Kugelstrahlbehandlung mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und mit einer Kugelteilchengröße (ϕ) von 0,5 bis 0,8 mm bei einem Testmaterial durchgeführt,
eine zweite Kugelstrahlbehandlung wurde mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und mit einer Kugelteilchengröße (ϕ) von 0,1 bis 0,3 mm beim anderen Testmaterial durchgeführt, und
eine dritte Kugelstrahlbehandlung wurde mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und einer Kugelteilchengröße (ϕ) von 0,1 mm oder weniger beim noch anderen Testmaterial durchgeführt.
Die Ergebnisse des oben erwähnten experimentellen Beispiels 2 sind gleich wie sie in 3 beim Beispiel 1 gezeigt sind.
Unter Bezugnahme auf das gleiche Testmaterial wurde die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung durchgeführt und eine Druckrestspannungsverteilung bei dem Teststück wurde untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung waren gleich wie bei 4 von Beispiel 1.
Mit einem Testmaterial, bei dem die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung durchgeführt worden war, wurde ein Ermüdungsteststück, das gleich war wie beim Beispiel 1, hergestellt und ein Rotations-Biegeermüdungstest wurde durchgeführt.
Die Ergebnisse eines solchen Ermüdungstests sind in 7 gezeigt. In 7 zeigt eine vertikale Achse eine Biegespannung (σ) und eine horizontale Achse zeigt die Anzahl der Wiederholungen (N).
In 7 zeigt eine Ermüdungskurve K eine Biege-Ermüdungsfestigkeit eines Teststückes, die beim experimentellen Beispiel 2 durchgeführt wurde.
Wie aufgrund der Ergebnisse des experimentellen Beispiels 2 ersichtlich ist, wurde festgestellt, dass dann, wenn eine Bainisierungsbehandlung in Bezug auf sphärisches Graphit-Gusseisen durchgeführt wird, das als Massenprozentsatz umfasst: C = 2,0 bis 4,0%, Si = 1,5 bis 4,5%, Mn = 2,0% oder weniger, P = 0,08% oder weniger, S = 0,03% oder weniger, Mg = 0,2 bis 0,1% und Cu = 1,8 bis 4,0% unter Erhalt einer Zugfestigkeit von 1200 MPa oder mehr, und wenn die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung durchgeführt wird, eine Biege-Ermüdungsfestigkeit, die gleich ist wie (etwa 350 MPa) die eines aufgekohlten und abgeschreckten Stahlmaterials, erhalten werden kann.
[Experimentelles Beispiel 3]
Wenn eine erste Kugelstrahlbehandlung in Bezug auf ein Teststück, das beim experimentellen Beispiel 1 verwendet wurde, durchgeführt wird (sphärisches Graphit-Gusseisen, umfassend 2,0 bis 4,0% C, 1,5 bis 4,5% Si, 2,0% oder weniger Mn, 0,08% oder weniger P, 0,03% oder weniger S, 0,02 bis 0,1% Mg und 1,8 bis 4,0% Cu, als Gewichtsverhältnis, mit dem eine Abschreck- und Temper-Wärmebehandlung durchgeführt wurde), wurde ein Ermüdungstest der Biege-Ermüdungsfestigkeit bei den Teststücken durchgeführt, hergestellt auf gleiche Weise wie beim experimentellen Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass Kugeln mit einer Teilchengröße von mehr als 0,8 mm (Teilchengröße: 0,9 mm, 1,0 mm und 1,1 mm) verwendet wurden.
In 8 sind Ergebnisse des Ermüdungstests gezeigt, wenn eine erste Kugelstrahlbehandlung mit Kugeln mit einer Teilchengröße von 0,8 mm, 0,9 mm, 1,0 mm oder 1,1 mm durchgeführt wurde. In 8 zeigt „O”, dass die Ermüdungsfestigkeit, die den gleichen Wert von 350 MPa hatte, erhalten wurde, und „X” zeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit nicht etwa 350 MPa erreichte.
Obwohl in einem Fall, bei dem eine Kugelteilchengröße 0,8 mm ist, die eine Ermüdungsfestigkeit, die gleich war wie (etwa 600 MPa) eines aufgekohlten und gehärteten Stahlmaterials, erhalten wurde („O” in 8), war in einem anderen Fall, bei dem die Kugelteilchengröße 0,9 mm, 1,0 mm oder 1,1 mm war, war die Biege-Ermüdungsfestigkeit 350 MPa oder weniger („X” in 6).
Von 8 wurde festgestellt, dass bei der ersten Kugelstrahlbehandlung eine Kugelteilchengröße auf 0,8 mm oder weniger eingestellt werden sollte.
Wenn die Kugelteilchengröße größer als 0,8 mm bei der ersten Kugelstrahlbehandlung ist, wird überlegt, dass Kugeln nicht durch einen Luftfluss gefördert werden, wenn Kugeln abgestrahlt werden, und daher können ausreichende Aufschläge nicht auf das Teststück ausgeübt werden.
[Experimentelles Beispiel 4]
Auf ähnliche Weise wie beim experimentellen Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass Kugeln mit einer Teilchengröße von 0,5 mm oder kleiner (Teilchengröße: 0,5 mm, 0,4 mm, 0,3 mm) in einer ersten Kugelstrahlbehandlung verwendet wurden, wurde der Ermüdungstest in Bezug auf die Biege-Ermüdungsfestigkeit durchgeführt.
In 9 zeigt „O”, dass die Ermüdungsfestigkeit, die den gleichen Wert von etwa 350 MPa hatte, erhalten wurde und „X” zeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit nicht etwa 350 MPa erreichte.
Wie in 9 gezeigt ist, konnte dann, wenn eine Kugelteilchengröße 0,5 mm hat, die Ermüdungsfestigkeit, die den gleichen Wert wie (etwa 350 MPa) von verkohltem und gehärtetem Stahlmaterial hat, erhalten werden („O” in 9), jedoch, wenn in einem anderen Fall eine Kugelteilchengröße 0,4 mm oder 0,3 mm ist, war die Biege-Ermüdungsfestigkeit 350 MPa oder kleiner („X” in 9).
Von 9 wurde festgestellt, dass bei der ersten Kugelstrahlbehandlung eine Kugelteilchengröße auf 0,5 mm oder größer eingestellt werden sollte.
Es wird überlegt, dass dann, wenn die Kugelteilchengröße kleiner als 0,5 mm bei der ersten Kugelstrahlbehandlung ist, die Kompressionsspannung im Inneren des Stahlmaterials kleiner wird, obwohl die Kompressionsspannung auf einer Oberflächenseite eines Stahlmaterials größer wird.
[Experimentelles Beispiel 5]
Auf ähnliche Weise wie beim experimentellen Beispiel 1 wurde der Ermüdungstest in Bezug auf die Biege-Ermüdungsfestigkeit durchgeführt, mit der Ausnahme, dass Kugeln mit einer Teilchengröße von 0,3 mm oder größer (Teilchengröße: 0,3 mm, 0,4 mm, 0,5 mm) bei einer zweiten Kugelstrahlbehandlung verwendet wurden.
In 10 bedeutet „O”, dass die Ermüdungsfestigkeit, die den gleichen Wert wie etwa 350 MPa hatte, erhalten wurde, und „X” zeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit nicht etwa 350 MPa erreicht.
Wie in 10 gezeigt ist, konnte dann, wenn eine Kugelteilchengröße 0,3 mm ist, die Ermüdungsfestigkeit, die den gleichen Wert hatte wie (etwa 350 MPa) eines verkohlten und gehärteten Stahlmaterials, erhalten werden („O” gemäß 8), wenn jedoch die Teilchengröße 0,4 mm oder 0,5 mm ist, war die Biege-Ermüdungsfestigkeit 350 MPa oder kleiner („X” gemäß 10).
Von den Ergebnissen gemäß 10 wurde festgestellt, dass bei der zweiten Kugelstrahlbehandlung eine Kugelteilchengröße auf 0,3 mm oder kleiner eingestellt werden sollte.
Obwohl die zweite Kugelstrahlbehandlung eine Behandlung ist zur Verbesserung der Druckrestspannung der äußersten Oberfläche (ein Bereich, bei dem ein Abstand von einer Oberfläche 50 μm ist) eines Gusseisen-Teststückes, wird angenommen, dass ein Peak der Druckrestspannung nicht auf der äußersten Oberfläche erzeugt wird und die Ermüdungsfestigkeit nicht verbessert wurde, wenn eine Kugelteilchengröße größer als 0,3 mm ist.
[Experimentelles Beispiel 6]
Auf ähnliche Weise wie beim experimentellen Beispiel 1 wurde der Ermüdungstest in Bezug auf die Biegeermüdungsfestigkeit durchgeführt, mit der Ausnahme, dass Kugeln mit einer Teilchengröße von 0,1 mm oder kleiner (Teilchengröße: 0,1 mm, 0,07 mm, 0,01 mm) in einer zweiten Kugelstrahlbehandlung verwendet wurden.
In 11 zeigt „O”, dass die Ermüdungsfestigkeit von etwa 350 MPa erhalten werden konnte, und „X” zeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit nicht etwa 350 MPa erreichte.
Wie in 11 gezeigt ist, konnte dann, wenn eine Kugelteilchengröße 0,1 mm ist, die Ermüdungsfestigkeit, die den gleichen Wert hatte wie (etwa 350 MPa) eines verkohlten und gehärteten Stahlmaterials, erhalten werden („O” gemäß 9), jedoch, wenn eine Teilchengröße 0,07 mm oder 0,01 mm ist, war die Biege-Ermüdungsfestigkeit 350 MPa oder kleiner („X” gemäß 11).
Von 11 wurde festgestellt, dass bei der zweiten Kugelstrahlbehandlung eine Kugelteilchengröße auf 0,1 mm oder größer eingestellt werden sollte.
Es wird angenommen, dass dann, wenn eine Teilchengröße von Kugeln, die bei der zweiten Kugelstrahlbehandlung verwendet werden, klein ist, eine Oberfläche von Gusseisen lediglich geglättet wird, die Druckrestspannung der äußersten Oberfläche eines Stahlmaterials nicht generiert wurde und die Ermüdungsfestigkeit nicht verbessert werden konnte.
[Experimentelles Beispiel 7]
Getriebe (Getriebe, bei denen die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung durchgeführt wurde) Z, die mit einem Testmaterial von experimentellem Beispiel 1 hergestellt waren, und Getriebe Y, die mit einem Testmaterial hergestellt waren, bei denen die dritte Kugelstrahlbehandlung nicht durchgeführt wurde, wurden hergestellt.
Bei den Getrieben (Getriebe, bei denen die erste bis dritte Kugelstrahlbehandlung durchgeführt wurde) Z, die mit einem Testmaterial von experimentellem Beispiel 1 hergestellt waren, waren die Gleiteigenschaften einer eingreifenden Oberfläche gut.
Im Gegensatz dazu war bei den Getrieben Y, die mit einem Testmaterial hergestellt waren, bei denen die dritte Kugelstrahlbehandlung nicht durchgeführt wurde, die Gleiteigenschaft einer eingreifenden Oberfläche abnormal.
Im größeren Detail waren gemäß 12 die Getriebe Z gut bezüglich der Kontakt- und Gleiteigenschaften zwischen eingreifenden Getriebeoberflächen und hatten einen guten bestimmten Dauerhaftigkeitstest (dargestellt durch „O” in 12).
Im Gegensatz dazu waren die Getriebe Y nicht gut bezüglich der Kontakt- und Gleiteigenschaften zwischen eingreifenden Getriebeoberflächen, erzeugten feine Risse auf einer Getriebeoberfläche und konnten nicht den vorbestimmten Dauerhaftigkeitstest klären (dargestellt durch „X” gemäß 12).
Von 12 wurde festgestellt, dass die dritte Kugelstrahlbehandlung nicht weggelassen werden sollte.
Gemäß der dritten Kugelstrahlbehandlung wird eine Oberfläche, die durch die erste und die zweite Kugelstrahlbehandlung aufgeraut ist, geglättet, und eine Irregularität einer Getriebeoberfläche wird kleiner; demzufolge verbleibt in einer feinen Irregularität Öl darin und entfaltet einen Schmiervorgang.
Es wird angenommen, dass das Testmaterial, bei dem die dritte Kugelstrahlbehandlung nicht angewandt wurde, keinen solchen Schmiervorgang entfalten konnte und dass die Gleitabnormalität auf einer eingreifenden Oberfläche erzeugt wurde.
Erläuterte Ausführungsbeispiele sind lediglich Beispiele und sollen nicht einen technischen Bereich dieser Erfindung beschränken.
Beispielsweise können die erläuterten Ausführungsbeispiele auf ein Teil eines Ventilbetriebssystems, eine Pleuelstange und verschiedene Arten von Pumpen zum Zuführen eines Getriebe-Hochdrucköls angewandt werden.
Bezugszeichenliste

5: Rundstangenbereich
6: R-Kurve
7: Bereich mit kleinem Radius
13: Biegeteststück Y
Y: Getriebe, hergestellt mit Material, erhalten durch Weglassen des dritten Schritts
Z: Getriebe, hergestellt mit Material nach dem Experiment 1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-8913 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS Z 2274 [0062]

Claims

Verfahren zur Verbesserung einer Ermüdungsfestigkeit eines Gusseisenmaterials in Bezug auf ein sphärisches Graphit-Gusseisen, umfassend 2,0 bis 4,0% C, 1,5 bis 4,5% Si, 2,0% oder weniger Mn, 0,08% oder weniger P, 0,03% oder weniger S, 0,02 bis 0,1% Mg und 1,8 bis 4,0% Cu, als Gewichtsverhältnis, und mit dem eine Abschreck- und Temper-Wärmebehandlung oder eine Bainisierungs-Wärmebehandlung durchgeführt ist, um eine Zugfestigkeit von 1200 MPa oder mehr zu erhalten, umfassend folgende Schritte: Durchführen einer ersten Kugelstrahlbehandlung mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und einer Teilchengröße (ϕ) von 0,5 bis 0,8 mm, Durchführen einer zweiten Kugelstrahlbehandlung mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und einer Teilchengröße (ϕ) von 0,1 bis 0,3 mm, und Durchführen einer dritten Kugelstrahlbehandlung mit Kugeln mit einer Härte von 600 Hv oder mehr und einer Teilchengröße (ϕ) von 0,1 mm oder weniger.