DE4132337C2

DE4132337C2 - Rotorwelle aus Stahl mit einem mittleren Wellenabschnitt, auf dem ein Rotor aus einer Leichtmetallegierung durch Schrumpfsitz befestigt ist und mit zwei Wellenendabschnitten und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE4132337C2
Application number: DE4132337A
Authority: DE
Inventors: Yoshihisa Miwa; Katsunori Hanakawa
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1990-09-29
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1994-10-13
Anticipated expiration: 2011-09-28
Also published as: DE4132337A1; JPH0533815A; US5226791A

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotorwelle aus Stahl nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung der Rotorwelle.

Die offengelegte japanische Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 1-93 338 zeigt einen Schraubenverdichter, der als Lader für eine Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Bei dieser Art eines Laders sind zwei Rotoren an jeweiligen Rotorwellen befestigt, und zwei in Eingriff miteinander stehende Gleichlaufzahnräder sind jeweils an den Antriebsenden der Rotorwellen befestigt. Ferner ist eine Riemenscheibe an einer der Rotorwellen befestigt und wird durch eine Motorkurbelwelle zwecks Verdichtung der Einlaßluft angetrieben.

Bei dem bekannten Verdichter bestehen die Rotorwellen aus Stahl, während die Rotoren im allgemeinen aus einer Leichtlegierung, beispielsweise einer Aluminiumlegierung, bestehen, um hohe Drehzahlen auszuhalten und eine Gewichtseinsparung zu erreichen.

Jedoch ist, da eine Aluminiumlegierung einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Stahl hat, eine Einheit, die einen Rotor aus Aluminiumlegierung fest auf einer Rotorwelle aus Stahl befestigt hat, insofern nachteilig, als der Unterschied in der Wärmeausdehnung bewirkt, daß beim Warmwerden der Teile der Rotor gegenüber der Rotorwelle lose wird, wodurch die Festhaltekraft des Rotors gegenüber der Rotorwelle verringert wird. Infolgedessen besteht die Gefahr, daß Fressen am Rotor auftritt oder daß sich die Verdichtungskraft des Verdichters verringert.

Um dieses Problem zu lösen, wird in Betracht gezogen, den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Rotorwelle näherungsweise gleich jenem der Aluminiumlegierung zu machen, um eine Lockerung zwischen dem Rotor und der Rotorwelle zu verhindern. Dazu ist die Rotorwelle so ausgeführt, daß sie infolge der Verwendung von Stahl mit austenitischer Struktur (beispielsweise zwischenstufenvergütetem Stahl, austenitischem rostfreien Stahl oder dergleichen) einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.

Jedoch können Stahllager, die die Rotorwelle tragen, keine große Wärmeausdehnung der Rotorwelle aufnehmen und der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen der Rotorwelle und den Lagern verursacht eine plastische Verformung in den Lagern, wenn diese warm werden.

Im Falle einer Rotorwelle aus Stahl mit austenitischem Aufbau wandelt sich der Austenit in Martensit um und die Rotorwelle erhärtet während ihrer Bearbeitung, wodurch sich ihre Bearbeitungsfähigkeit verringert, beispielsweise, wenn ein Gewindeschneiden an ihrem Ende oder ihren Enden durchgeführt wird.

In der JP 58-160 585 (A) (Patents Abstracts of Japan Section M, Vol. 7 [1983], Nr. 287 [M-264]) ist zwar eine Rotorwelle offenbart, auf der ein Rotor, bestehend aus einem Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten aufgesetzt ist, jedoch ist zum Ausgleich der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Rotor und Rotorwelle ein elastisches Element zwischen Rotor und Rotorwelle vorgesehen.

In der JP 63-272 986 (A) (Patents Abstracts of Japan Section M, Vol. 13 [1989], Nr. 76 [M-800]) ist eine Rotorwelle mit einem aufgeschobenen Rotor offenbart, jedoch wird nur ausgesagt, daß der Rotor aus einem legierten Stahl mit hohen Ni-Anteil besteht.

In der JP 63-219 890 (A) (Patents Abstracts of Japan Section M, Vol. 13 [1989], Nr. 10 [M-782]) wird zwar eine aus drei Teilen bestehende Rotorwelle gezeigt, die fest miteinander durch Schweißen verbunden sind, jedoch ist der Rotor nicht aufgeschrumpft und kann dementsprechend auch keinen Lösungsansatz für die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe geben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Rotorwelle zu schaffen, auf der ein Rotor aus einer Leichtmetallegierung durch Schrumpfsitz sicher befestigt ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Rotorwelle durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorzugsweise sind der mittlere Wellenabschnitt und die beiden Wellenendabschnitte einstückig ausgebildet.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Rotorwelle aus drei getrennten Abschnitten besteht.

Insbesondere ist es vorteilhaft, die drei getrennten Abschnitte durch Schweißen miteinander zu verbinden.

Vorteilhafterweise weist der mittlere Wellenabschnitt einen Gefügeaufbau mit Bainit und belassenen Austenit von 20 Vol.-% oder höher auf. Jeder der beiden Wellenendabschnitte weist vorteilhafterweise einen Gefügeaufbau mit Bainit, Ferrit und aus dem belassenen Austenit abgeschiedenen Zementit auf.

Der mittlere Wellenabschnitt, und die beiden Wellenendabschnitte können aus verschiedenem Stahl bestehen, wobei der mittlere Wellenabschnitt aus einem aus austenitischem rostfreiem Stahl besteht und jeder der beiden Wellenendabschnitte aus einem Stahl besteht, der einen Gefügeaufbau mit Ferrit und Perlit aufweist.

Vorteilhafterweise besteht der mittlere Wellenabschnitt aus einem Stahl, der 0,7 bis 1,1 Gew.-% Kohlenstoff, 1,5 bis 2,5 Gew.-% Silizium und 0,5 bis 2,0 Gew.-% Mangan enthält und einen Gefügeaufbau mit Bainit und belassenem Austenit von mehr als 20 Volumenprozent aufweist und jeder der beiden Wellenendabschnitte aus einem Stahl besteht, der 0,6 Gew.-% Kohlenstoff oder weniger und 0,5 Gew.-% oder weniger Silizium enthält und einen Gefügeaufbau mit 10 Volumenprozent oder weniger von belassenem Austenit aufweist.

Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Rotorwelle, auf der ein Rotor zu einer Leichtmetall- Legierung befestigt ist, ist vorteilhafterweise durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
Herstellung eines mittleren Wellenabschnittes unter Verwendung eines Stahls, der 0,7 bis 1,1 Gew.-% Kohlenstoff, 1,5 bis 2,5 Gew.-% Silizium und 0,5 bis 2,0 Gew.-% Mangan enthält;
Herstellung von zwei Wellenendabschnitten unter Verwendung des Stahls, der 0,6 Gew.-% oder weniger Kohlenstoff und 0,5 Gew.-% oder weniger Silizium enthält;
Anschweißen der Wellenendabschnitte an die entgegengesetzten Enden des mittleren Wellenabschnittes zur Herstellung der Rotorwelle;
Zwischenstufenvergüten der gesamten Rotorwelle.

Vorteilhafterweise wird eine Rotorwelle, bei der der mittlere Wellenabschnitt einen Gefügeaufbau mit Bainit und belassenem Austenit von 20 Volumenprozent oder höher aufweist, und jeder der beiden Wellenendabschnitte einen Gefügeaufbau Bainit, Ferrit und aus dem belassenen Austenit ausgeschiedenen Fermentit aufweist, die unterschiedlichen Gefügeausbildungen der einstückigen Rotorwelle durch unterschiedliche Wärmebehandlung des mittleren Wellenabschnittes gegenüber den Wellenendabschnitten bewirkt.

Die vorstehend aufgeführten Gefügeausbildungen und der erfindungsgemäße Aufbau der Rotorwelle basieren auf folgenden Gründen.

Belassener Austenit ist notwendig, um die Festhaltekraft des Rotors gegenüber dem mittleren Wellenabschnitt aufrechtzuerhalten. Falls die Menge des belassenen Austenits im mittleren Wellenabschnitt geringer als 20 Vol.-% ist, kann eine ausreichende Festhaltekraft des Rotors gegenüber der Rotorwelle nicht erzielt werden.

Der Kohlenstoff wird benötigt, um die Härtbarkeit zu gewährleisten, um den belassenen Austenit stabil zu machen, und um die Bainitumwandlung zu verzögern. Ist die Menge des Kohlenstoffs im mittleren Wellenabschnitt geringer als 0,7 Gew.-%, so wird der belassene Austenit instabil und die Härtbarkeit wird ungenügend. Ist die Menge des Kohlenstoffes größer als 1,1 Gew.-%, so besteht die Möglichkeit, daß sich freier Kohlenstoff abscheidet. Vorzugsweise ist die Menge des Kohlenstoffes im Bereich von 0,7 bis 1,1 Gew.-%.

Silizium hat die Wirkung, ein Abscheiden von Karbid zum Zeitpunkt der Bainitumwandlung während einer isothermen Behandlung zu beschränken und ist ein erforderliches Element zur Erzeugung eines stabil belassenen Austenits. Falls die Menge des Siliziums im mittleren Wellenabschnitt geringer als 1,5 Gew.-% ist, so wird die Fähigkeit ungenügend, die Abscheidung des Karbids zu beschränken. Übersteigt die Menge des Siliziums 2,5 Gew.-%, so tritt eine Sättigungswirkung ein und es besteht die Möglichkeit, daß sich freier Kohlenstoff während der Wärmebehandlung abscheidet. Vorzugsweise liegt die Menge des Siliziums zwischen 1,5 und 2,5 Gew.-%.

Mangan hat die Wirkung, die Härtbarkeit zu erhöhen und den belassenen Austenit stabil zu machen. Ist die Menge des Mangans im mittleren Wellenabschnitt geringer als 0,5 Gew.-%, so hat die Welle eine nicht genügende Festigkeit und Härtbarkeit. Überschreitet die Menge des Mangans 2,0 Gew.-%, so tritt eine Sättigungswirkung ein und die Zähigkeit der Welle verringert sich. Vorzugsweise liegt die Menge des Mangans im Bereich von 0,5 bis 2,0 Gew.-%.

Die Gefügeausbildung der beiden Wellenendabschnitte basiert auf folgenden Gründen.

Falls die Menge des belassenen Austenits 10 Vol.-% überschreitet, so tritt bei Erwärmung der Rotorwelle unter Betriebsbedingungen eine plastische Verformung in den Lagern auf, dadurch, daß sich die Wellenendabschnitte stärker ausdehnen als die Lager.

Falls die Menge des Kohlenstoffs 0,6 Gew.-% überschreitet, enthalten die Wellenendabschnitte, die an den mittleren Wellenabschnitt angeschweißt wurden, viel Kohlenstoff, wodurch eine schlechte Schweißung verursacht wird und beispielsweise Härterisse auftreten. Da ferner während eines Zwischenstufenvergütens mehr als 10 Vol.-% belassener Austenit erzeugt werden, besteht bei Erwärmung der Rotorwelle die Möglichkeit des Auftretens einer plastischen Verformung in den Lagern, dadurch, daß sich die Wellenendabschnitte stärker aus dehnen als die Lager.

Falls die Menge des Siliziums in den Wellenendabschnitten 0,5 Gew.-% übersteigt, so wird während des Zwischenstufenvergütens mehr als 10 Vol.-% belassener Austenit erzeugt. Somit besteht die Gefahr des Auftretens einer plastischen Verformung in den Lagern, dadurch, daß sich die Wellenendabschnitte stärker aus dehnen als die Lager.

Erfindungsgemäß wird die Festhaltekraft des Rotors gegenüber der Rotorwelle nicht verringert, selbst wenn diese Teile warm werden, da der mittlere Wellenabschnitt der Rotorwelle zur Befestigung des Rotors auf ihr einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der nahe an jenem des Rotors liegt. Daher tritt in keinem Fall eine Lockerung zwischen dem Rotor und der Rotorwelle auf. Da ferner die beiden Wellenendabschnitte der Rotorwelle einen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, der geringer als jener des mittleren Wellenabschnittes ist, tritt bei Erwärmung der Welle unter Betriebsbedingungen keine plastische Verformung in den Lagern auf. Da ferner die Wellenendabschnitte keinen belassenen Austenit enthalten, wird eine Verschlechterung der Bearbeitungsfähigkeit, die durch eine Martensitverformung verursacht sein kann, verhindert.

Im folgenden ist zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung ein Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Rotorwelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer er findungsgemäßen Rotorwelle unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht eines erfindungsgemäßen mechanischen Schraubenverdichters;

Fig. 2 eine Vorderansicht einer Rotorwelle, die im Schraubenverdichter nach Fig. 1 aufgenommen wird;

Fig. 3 und 4 mikroskopische Aufnahmen, die jeweils den metallischen Gefügeaufbau einer Rotorbefestigung und eines der gegenüberliegenden Wellenendabschnitte der Rotorwelle gemäß Fig. 2 bei einem Versuchsbeispiel angeben;

Fig. 5 eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Menge des belassenen Austenits und dem Festsitz zwischen der Rotorwelle und einem auf ihr befestigten Rotor angeben; und

Fig. 6 und 7 mikroskopische Aufnahmen, ähnlich jenen der Fig. 3 und 4, bei einem weiteren Versuchsbeispiel.

Es wird nunmehr auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen Bezug genommen. In Fig. 1 ist eine Vorrichtung dargestellt, die einen Rotor und eine Rotorwelle aufnimmt, die miteinander befestigt sind und die vorliegende Erfindung darstellen. Die Vorrichtung nach Fig. 1 ist ein mechanischer Lader zur Verwendung beispielsweise in einem Kraftfahrzeug.

Der mechanische, in Fig. 1 gezeigte Lader, in dem zwei Rotorwellen (2, 3) aus Stahl in jeweiligen Lagern (4) aufgenommen und in einem Gehäuse (1) untergebracht sind. Die beiden Rotorwellen (2, 3) liegen parallel zueinander und an ihnen ist jeweils ein Rotor (5) und ein damit in Eingriff stehender Gegenrotor (6) starr befestigt. Beide Rotoren (5, 6) bestehen aus einer Aluminiumlegierung.

Ein Gleichlaufzahnrad (7), das an der Rotorwelle (2) befestigt ist, steht in Eingriff mit einem Gleichlaufzahnrad (8), das an einem Ende der Rotorwelle (3) befestigt ist. Die Rotorwelle (2) erstreckt sich durch das Steuerzahnrad (7) hindurch und über dieses hinaus und hat ein Ende, an dem ein Übersetzungszahnrad (9) befestigt ist. Dieses Übersetzungszahnrad (9) steht in Eingriff mit einem Übersetzungszahnrad (11), das an einem Ende einer Antriebswelle (12) befestigt ist, die in Lagern (13) aufgenommen wird. Das Übersetzungszahnrad (11) hat einen größeren Durchmesser als das Übersetzungszahnrad (9). Das Gehäuse (1) ist mit einer vorderen Abdeckung (10) versehen, in der die einander zugeordneten Übersetzungszahnräder (9, 11) aufgenommen werden und von der eines der Lager (13) gehalten wird. Eine Riemenscheibe (14) ist am anderen Ende der Antriebswelle (12) befestigt, so daß die Drehung der Antriebsscheibe (14) über eine Magnetkupplung (15) auf die Antriebswelle (12) übertragen werden kann.

Das von einer (nicht dargestellten) Motorkurbelwelle auf die Riemenscheibe (14) übertragene Drehmoment wird über die Magnetkupplung (15) auf die Antriebswelle (12) übertragen, und über die Übersetzungszahnräder (11, 9) und die Gleichlaufzahnräder (7, 8) auf den Rotor (5) und den Gegenrotor (6).

Bei Drehung des Rotors (5) und des Gegenrotors (6) wird die in eine Ansaugöffnung (16) des Gehäuses (1) eingeführte Luft verdichtet und dann aus einer Auslaßöffnung (17) des Gehäuses (1) abgegeben.

Fig. 2 stellt die Rotorwelle (2, 3) dar, mit einer Rotorhalterung (18), auf der der Rotor (5, 6) sicher befestigt ist und mit gegenüberliegenden Wellenendabschnitten (19), die in jeweiligen Ladern (4) gelagert werden.

Bei dieser Ausführungsform wurde ein Stahl mit einer erfindungsgemäßen Menge von C (Kohlenstoff), Si (Silizium) und Mn (Mangan) als Werkstoff der Rotorwelle (2, 3) hergestellt. Nachdem der Stahl geschmiedet und gestreckt wurde, wurde er in einen Wellenwerkstoff mit einem Durchmesser von 27,5 mm und einer Länge von 300 mm geschnitten. Anschließend wurde der Werkstoff bei 890 bis 950°C über 120 Minuten austenitisiert und anschließend einer isothermischen Umwandlungsbehandlung bei 380°C während 120 Minuten unterworfen. Ferner wurden allein die gegenüberliegenden Enden (19) des Wellenwerkstoffes mit Ausnahme der Rotorhalterung (18) einer partiellen Temperbehandlung in einem Bleibad von 600 oder 620°C während 10 Minuten unterzogen.

Tabelle 1 zeigt sechs Versuchsbeispiele, die sich in der chemischen Zusammensetzung und den Wärmebehandlungsbedingungen unterscheiden.

Tabelle 1

Bei der in dieser Weise erhaltenen Rotorwelle (2, 3) hatte die Rotorhalterung bzw. der mittlere Wellenabschnitt (18) einen Gefügeaufbau aus Bainit und belassenem Austenit, während die gegenüberliegenden Wellenend abschnitte (19) einen Gefügeaufbau aus Bainit, Zementit und aus dem belassenen Austenit abgeschiedenem Ferrit hatten.

Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Messung des Härtewertes (Hv) und der Menge des belassenen Austenits V gamma (%) bezüglich der Rotorhalterung (18) und der gegenüberliegenden Wellenendabschnitte (19) der Rotorwelle (2, 3) in den obigen Vergleichsbeispielen.

Tabelle 2

Wird der belassene Austenit bei niedriger Temperatur abgeschieden, so wird er nach der Ausscheidung hart. Bei den obigen Versuchsbeispielen wurden jedoch, da die Abscheidung bei relativ hoher Temperatur erfolgte, die gegenüberliegenden Wellenendabschnitte (19) auf eine niedrige Härte beschränkt, und daher haben diese Abschnitte (19) eine gute Bearbeitbarkeit.

Nach Auswahl des obigen Versuchsbeispiels 5 als Musterbeispiel wurde der metallische Gefügeaufbau des Werkstoffes unter Verwendung eines metallurgischen Mikroskopes vergrößert.

Die Fig. 3 und 4 sind mikroskopische Fotografien, die (Vergrößerung: 400fach) jeweils den Gefügeaufbau der Rotorhalterung (18) bzw. eines gegenüberliegenden Wellenendabschnittes (19) zeigen.

In der Fotografie gemäß Fig. 3 entsprechen weiße Abschnitte dem belassenen Austenit. Aus diesen Fotografien kann entnommen werden, daß der belassene Austenit in Zementit und Ferrit in den gegenüberliegenden Wellenendabschnitten (19) abgeschieden wurde und verschwand.

Die Tabelle 3 zeigt zwei Versuchsbeispiele, bei denen die Temperbehandlung für die gegenüberliegenden Wellenendabschnitte (19) bei einer niedrigeren Temperatur als in den obigen Versuchsbeispielen 1 bis 6 durchgeführt wurde.

Tabelle 3

Die Tabelle 4 zeigt die gemessenen Werte des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Rotorhalterung (18) und der gegenüberliegenden Wellenendabschnitte (19) in allen vorstehenden Versuchsbeispielen 1 bis 8 gemäß den Tabellen 1 und 3. Aus der Tabelle 4 kann entnommen werden, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Rotorhalterung (18) hoch gehalten wurden, während jener der gegenüberliegenden Enden niedrig gehalten wurde.

Tabelle 4

Vorzugsweise sollte die Menge des belassenen Austenits in der Rotorhalterung (18) auf einen Wert eingestellt werden, der größer als 20 Vol.-% ist, damit die Festhaltekraft des Rotors (5, 6) aus Aluminiumlegierung aufrechterhalten wird. Dieser Wert (20 Vol.-%) wurde unter Berücksichtigung des Festsitzes zwischen dem Rotor (5, 6) und der Rotorwelle (2, 3) wie folgt bestimmt.

Die in den Versuchsbeispielen 1 und 5 gemäß Tabelle 1 erhaltenen Werkstoffe und jene gemäß den Versuchsbeispielen 9 und 10 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 gemäß Tabelle 5 wurden als typische Beispiele verwendet. Bei Bearbeitung eines jeden dieser Werkstoffe zu einer Welle mit einem Durchmesser von 20 mm wurde das Verhältnis zwischen der Größe des belassenen Austenits (Vol.-%) und des Übermaßes relativ zum Wellendurchmesser (Delta D: ein Unterschied zwischen dem Rotordurchmesser und dem Wellendurchmesser) bei einer Heiztemperatur von 200°C gemessen.

Es ist anzumerken, daß die Tabelle 6 die Menge des belassenen Austenits angibt und den Wärmeausdehnungskoeffizienten in den Versuchsbeispielen 9 und 10 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2.

Tabelle 5

Tabelle 6

Bei den vorstehenden Messungen, d. h. den Versuchsbeispielen 1 und 5 gemäß Tabelle 1 und den Versuchsbeispielen 1, 2, 9 und 10 gemäß Tabelle 5 hatte jeder der in den Versuchen verwendeten Rotoren einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 17,5×10^-6/°C.

Ferner betrug die Toleranz des Übermaßes (Delta D) bei Raumtemperatur 0,14 bis 0,20%, bezogen auf die Fertigungstoleranz, die unvermeidliche Größenänderungen während der Bearbeitung der Wellenabschnitte berücksichtigt.

Fig. 5 stellt die Ergebnisse der Messungen dar. In dieser Figur entsprechen die Geraden A und B der unteren Grenze (0,14%) und der oberen Grenze (0,20%) jeweils der Toleranz des Übermaßes (Delta D).

Wie aus den Daten der vorstehenden Versuchsbeispiele und Vergleichsbeispiele hervorgeht, besteht eine Korrelation zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Menge des belassenen Austenits. Übersteigt die Menge des belassenen Austenits 20 Vol.-%, so überschreitet der Wärmeausdehnungskoeffizient 14,0×10^-6/°C.

Im Falle der Versuchsbeispiele 1, 5, 9 und 10, die über 20 Vol.-% belassenen Austenit enthalten, verringerte sich das Verhältnis des Übermaßes relativ zum Wellendurchmesser nicht unter 0%, selbst wenn die Toleranz des Übermaßes (Delta D) ein Wert an der unteren Grenze (0,14%: auf der geraden Linie A) war, womit die Festhaltekraft des Rotors (5, 6) gegenüber der Rotorwelle (2, 3) ausreichend aufrechterhalten wurde, selbst nachdem diese Teile warm geworden sind.

Andererseits war in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 (s. Tabellen 5 und 6), die belassenen Austenit von weniger als 20 Vol.-% enthalten, die Größe der Wärmeausdehnung der Rotorwelle geringer als jene des Rotors, und das zwischen diesen Teilen vorhandene Übermaß (Delta D) konnte zu dem Zeitpunkt, zu dem sie warm geworden waren, nicht ausreichend beibehalten werden. Infolgedessen wurde das Verhältnis des Übermaßes relativ zum Wellendurchmesser kleiner als 0% an der Seite der unteren Grenze (A) in der Toleranz des Übermaßes (Delta D) und daher ging die Festhaltekraft des Rotors verloren. Aus diesem Umstand kann entnommen werden, daß eine Größe belassenen Austenits über 20 Vol.-% erforderlich ist.

Als Ergebnis der Auswertung bezüglich der Anlage zwischen den Rotorwellen und den Rotoren aus Aluminiumlegierung entsprechend den vorstehend aufgeführten Beispielen wurde keine Lockerung der Anlage und keine plastische Verformung in den Lagern (4) gefunden, und daher konnte das angestrebte Ziel bei einem Lader mit derartigen Rotoren und Rotorwellen erzielt werden.

Ferner konnten sowohl die Bearbeitbarkeit der gegenüberliegenden Wellenendabschnitte (19), die von den Lagern aufgenommen werden, vergrößert werden sowie durch die geringe Härte durch Zersetzen des belassenen Austenits eine bessere Produktivität erreicht werden, da der Verschleiß an den Werkzeugen vermindert wird.

Gemäß den Versuchsbeispielen 1 bis 6 wurde die Bearbeitbarkeit weiter vergrößert, da die gegenüberliegenden Wellenendabschnitte (19) auf eine geringe Härte beschränkt werden können.

Andererseits erhöht sich gemäß den Versuchsbeispielen 7 und 8, da die gegenüberliegenden Wellenendabschnitte (19) ihre Härte erhöhen, auch ihre Tragkraft.

Es ist dabei anzumerken, daß die Rotorwellen in obigen Beispielen aus Stahl bestehen, und daß sie auch aus Gußeisen gemacht werden könnten.

Eine weitere Lösung besteht darin, daß in obigen Beispielen, obgleich eine Reihe von Wärmebehandlungen an Rotorwellen mit einteiligem Aufbau vorgenommen werden, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten ihrer Rotorhalterungen zu erhöhen und jenen ihrer entgegengesetzten Wellenendabschnitten niedrig zu halten, ein Paar Wellenstümpfe aus einem gegenüber der Rotorhalterung unterschiedlichen Werkstoff mit den gegenüberliegenden Enden der Rotorhalterung zur Ausbildung einer Rotorwelle verbunden werden können. Auch in diesem Falle ist es möglich, die Rotorhalterung und die Wellenstümpfe unterschiedlich bezüglich ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten auszubilden, indem die gesamte Rotorwelle Wärmebehandlungen unterzogen wird.

Die Erfindung wird ferner anschließend unter Bezugnahme auf eine Rotorwelle beschrieben, die einen mittleren Wellenabschnitt hat, auf der ein Rotor durch Schrumpfsitz sicher befestigt ist und an deren gegenüberliegenden Enden zwei Wellenendabschnitte zur Drehung mit ihr verschweißt sind.

In Fig. 2 entsprechen die Bezugszeichen (18, 19) jeweils dem mittleren Wellenabschnitt und den zwei Wellenendabschnitten.

Insbesondere wurde der mittlere Wellenabschnitt aus Stahl mit 0,7 bis 1,1 Gew.-% C, mit 1,5 bis 2,5 Gew.-% Si und mit 0,5 bis 2,0 Gew.-% Mn hergestellt, wohingegen die zwei Wellenendabschnitte aus Stahl mit 0,6 Gew.-% oder weniger C und mit 0,5 Gew.-% oder weniger Si gefertigt wurden. Nachdem die Abschnitte miteinander verbunden wurden, wurden sie einer Zwischenstufenvergütungsbehandlung unterworfen.

Im Versuchsbeispiel 11 wurden zwei Arten Stahl (A) und (B) mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung gemäß Tabelle 7 einleitend als Werkstoffe einer Rotorwelle (2, 3) hergestellt. Der Werkstoff (A) wurde in ein Wellenmaterial mit einem Durchmesser von 27,5 mm und 150 mm Länge geschnitten und der Werkstoff (B) wurde mit ihm mittels Reibschweißen verbunden, wobei nach Befestigung des Werkstoffes (A) eine Reibung bewirkt wurde, indem der Werkstoff (B) mit 2500 U/min gedreht wurde und auf ihn während 3 Sekunden ein Druck von 80 N/mm² (8 kgf/mm²) ausgeübt wurde, und nach Aufhören der Drehung ferner weiterhin ein Druck von 150 N/mm² (15 kgf/mm²) ausgeübt wurde. Anschließend wurde die auf diese Weise erhaltene Rotorwelle bei 920°C während 120 Minuten völlig austenitisiert und wurde dann bei 380°C während 120 Minuten einer isothermischen Umwandlungsbehandlung unterzogen.

Tabelle 7

Tabelle 8 zeigt den Aufbau, die Härte und die Menge des belassenen Austenits des mittleren Wellenabschnitts (18) und der zwei Wellenendabschnitte (19), die in der vorstehend beschriebenen Weise erhalten wurden.

Tabelle 8

Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, verursachte eine Zwischenstufenvergütungsbehandlung (austempering), daß der mittlere Wellenabschnitt (18) einen Gefügeaufbau aus Bainit und belassenem Austenit hatte, da der mittlere Wellenabschnitt (18) einen hohen Anteil an C und Si aufwies. Da hingegen jeder der zwei Wellenendabschnitte (19) einen niedrigen Anteil an C und Si hatte, verschwand der belassene Austenit und es wurde eine Perlitstruktur erzeugt.

In diesem Fall betrug der Wärmeausdehnungskoeffizient (R.T. etwa 200°C) des mittleren Wellenabschnittes (18) 17,4×10^-6/°C.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß die zwei Wellenendabschnitte (19) in ihrer Härte im Vergleich mit dem mittleren Wellenabschnitt (18) niedrig gehalten wurden, und der Wärmeausdehnungskoeffizient des mittleren Wellenabschnittes (18) wurde auf einem hohen Wert gehalten.

Die Fig. 6 und 7 sind mikroskopische Fotografien (Vergrößerung: 400fach) jeweils der Metallstruktur des mittleren Wellenabschnittes (18) und eines der zwei Wellenendabschnitte (19).

Im Foto gemäß Fig. 6 entsprechen die weißen Abschnitte und die nadelförmigen grauen Abschnitte jeweils dem belassenen Austenit und Bainit. Im Foto nach Fig. 7 entsprechen die schwarzen und weißen Abschnitte jeweils Perlit (Ferrit+Zementit) und Ferrit.

Tabelle 9 zeigt vier zusätzliche Versuchsbeispiele 12 bis 15, bei denen sich der mittlere Wellenabschnitt (18) in seiner chemischen Zusammensetzung und den Wärmebehandlungsbedingungen unterscheidet. Tabelle 10 zeigt die Ergebnisse der Messung der Härte, der Menge des belassenen Austenits, und des Wärmeausdehnungskoeffizienten (R.T. etwa 200°C) des mittleren Wellenabschnittes (18).

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist es auch bei diesen Versuchsbeispielen vorteilhaft, den belassenen Austenit in dem mittleren Wellenabschnitt (18) auf einen Wert über 20 Vol.-% festzulegen, um die Festhaltekraft des Rotors aufrecht zu erhalten.

Es ist ferner vorzuziehen, den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wellenendabschnitte (19) auf einen Wert festzulegen, der niedriger als 13,5×10^-6/°C ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß, falls der Wärmeausdehnungskoeffizient der zwei Wellenendabschnitte (19) diesen Wert überschreitet, eine plastische Verformung in den Lagern auftreten kann, wenn die Rotorwelle unter Betriebs bedingungen sich erwärmt.

Tabelle 9

Tabelle 10

Die Tabellen 11 und 12 zeigen Vergleichsbeispiele 3 und 4, bei denen der Gefügeaufbau in dem mittleren Wellenabschnitt (18) außerhalb des vorgeschriebenen Bereiches nach dem Unteranspruch 8 liegt und Vergleichsbeispiele 5 und 6, bei denen der Gefügeaufbau in den zwei Wellenendabschnitten (19) außerhalb des genannten Bereiches liegt.

Tabelle 11

Tabelle 12

Bei diesem Vergleichsbeispiel 3 ist die Menge des belassenen Austenits klein, da der Anteil an C niedrig ist. Entsprechend verringert sich die Festhaltekraft des Rotors (2, 3) gegenüber dem mittleren Wellenabschnitt (18), wenn diese Teile warm sind.

Im Vergleichsbeispiel 4 kann, da der Anteil an Si niedrig ist, die Zwischenstufenvergütungsbehandlung keinen belassenen Austenit erzeugen, womit die Festhaltekraft des Rotors (2, 3) gegenüber dem mittleren Wellenabschnitt (18) verringert wird, wenn diese Teile warm sind.

Im Vergleichsbeispiel 5 überschreitet die Menge des belassenen Austenits 10 Vol.-%, da der Anteil an Si hoch ist. Infolgedessen verursacht der Unterschied der Wärmeausdehnung zwischen den zwei Wellenendabschnitten (19) und den Lagern (4), wenn diese Teile warm sind, jeweils eine plastische Verformung in den Lagern (4).

Ferner entsteht beim Vergleichsbeispiel 6 wegen des hohen Anteils an C dahingehend die Gefahr, daß Härterisse auftreten können, wenn der mittlere Wellenabschnitt (18) und die zwei Wellenendabschnitte (19) miteinander verschweißt werden.

Bei der Schrumpfverbindung des Rotors aus Aluminiumlegierung und der Rotorwelle entsprechend den vorstehenden Versuchsbeispielen 12 bis 15 ist weder eine Lockerung noch ein Festfressen des mittleren Wellenabschnittes (18) eingetreten. Ferner trat bei erwärmter Rotorwelle keine plastische Verformung in den Lagern (4) auf, und es konnte die gewünschte Verdichtungskraft bei dem Schraubenverdichter mit einem derartigen Rotor erzielt werden.

Darüber hinaus konnten die zwei Wellenendabschnitte (19) bezüglich der Bearbeitbarkeit verbessert werden.

Es ist dabei anzumerken, daß bei den vorstehenden Versuchsbeispielen ein Reibschweißen als Verfahren zum Verschweißen des mittleren Wellenabschnitts und der Wellenendabschnitte verwendet wurde, daß aber ein Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder dergleichen auch eingesetzt werden kann.

Es ist ferner anzumerken, daß bei den vorstehenden Versuchsbeispielen, obgleich eine Wärmebehandlung der gesamten Rotorwelle ausgeführt wurde, nachdem der mittlere Wellenabschnitt (18) und die zwei Wellenendabschnitte (19) miteinander verbunden worden sind, die Wärmebehandlung durch Verwendung eines austenitischen rostfreien Stahls für die erste Welle (18) entfallen kann.

Ein weiteres Beispiel wird anschließend erläutert.

Tabelle 13 zeigt das Versuchsbeispiel 16, bei dem ein austenitischer rostfreier Stahl (JIS:SUS 304) und ein Kohlenstoffstahl (JIS:S43C) für die Rotorwelle (2, 3) bereitgestellt wurden. Der austenitische rostfreie Stahl (C) wurde zu einer Welle mit einem Durchmesser von 27,5 mm und einer Länge von 150 mm beschnitten und der Werkstoff (D) wurde an ihr mittels Reibschweißen angeschweißt, wobei nach Befestigung des Werkstoffes (C) eine Reibung verursacht wurde, indem der Werkstoff (D) mit 1500 U/min in Drehung versetzt wurde und während drei Sekunden ein Druck von 160 N/mm² (16 kgf/mm²) ausgeübt wurde, und nach Beendigung der Drehung weiterhin ein Druck von etwa 320 N/mm² (32 kgf/mm²) darauf ausgeübt wurde. Anschließend wurde die in dieser Weise erhaltene Rotorwelle endgültig zu einer gewünschten Form bearbeitet.

Die Rotorwelle bei diesem Versuchsbeispiel wurde erzeugt, indem der mittlere Wellenabschnitt (18) aus dem Werkstoff (C) und die zwei Wellenendabschnitte (19) aus dem Werkstoff (D) miteinander verbunden wurden.

Tabelle 13

Tabelle 14 zeigt den Aufbau, die Härte und den Wärmeausdehnungskoeffizienten des mittleren Wellenabschnittes (18), auf dem mittels Schrumpfverbindung ein Rotor befestigt wird, und die zwei Wellenendabschnitte (19), die durch die jeweiligen Lager aufgenommen werden sollen.

Tabelle 14

Wie in dieser Tabelle gezeigt ist, hatte der mittlere Wellenabschnitt (18) des Rotorschaftes (2, 3) das austenitische Gefüge und einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Nähe des Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Rotors aus Leichtmetall-Legierung. Andererseits zeigten die zwei Wellenendabschnitte (19) einen Gefügeaufbau mit sowohl Ferrit und Perlit und waren im Vergleich zum mittleren Wellenabschnitt (18) auf einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten beschränkt.

Bei der Schrumpfverbindung von der Rotorwelle entsprechend dem Versuchsbeispiel 16 mit einem Rotor aus einer Leichtmetall-Legierung konnte die gewünschte Verdichtungskraft in einem Schraubenverdichter ohne Auftreten einer Lockerung zwischen Rotor und Rotorwelle, eines Festfressens des Rotors und einer Verformung in den Lagern erzielt werden.

Darüber hinaus war es relativ einfach, da die Härte nicht hoch war, Stiftaufnahmelöcher für die Befestigung des Rotors endzubearbeiten und die Rotorwelle zu bearbeiten.

Claims

1. Rotorwelle (2, 3) aus Stahl mit

- einem mittleren Wellenabschnitt (18), auf dem ein Rotor (5, 6) aus einer Leichtmetall-Legierung durch Schrumpfsitz befestigt ist, und
- mit zwei Wellenendabschnitten (19),

dadurch gekennzeichnet,

- daß der mittlere Wellenabschnitt (18) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der nahe an jenem des Rotors (5, 6) liegt, und
- daß jeder der beiden Wellenendabschnitte (19) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der geringer als jener des mittleren Wellenabschnittes (18) ist.

2. Rotorwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Wellenabschnitt (18) und die Wellenendabschnitte (19) einstückig ausgebildet sind.

3. Rotorwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle aus drei getrennten Abschnitten (18, 19) besteht.

4. Rotorwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die drei getrennten Abschnitte (18, 19) durch Schweißen miteinander verbunden sind.

5. Rotorwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Wellenabschnitt (18) einen Gefügeaufbau mit Bainit und belassenen Austenit von 20 Vol.-% oder höher aufweist.

6. Rotorwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Wellenendabschnitte (19) einen Gefügeaufbau mit Bainit, Ferrit und aus dem belassenen Austenit abgeschiedenen Zementit aufweist.

7. Rotorwelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Wellenabschnitt (18) und die beiden Wellenendabschnitte (19) aus verschiedenem Stahl bestehen, und daß der mittlere Wellenabschnitt (18) aus einem austenitischen rostfreien Stahl besteht und jeder der beiden Wellenendabschnitte (19) aus einem Stahl besteht, der einen Gefügeaufbau mit Ferrit und Perlit aufweist.

8. Rotorwelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Wellenabschnitt (18) aus einem Stahl besteht, der 0,7 bis 1,1 Gew.-% Kohlenstoff, 1,5 bis 2,5 Gew.-% Silizium und 0,5 bis 2,0 Gew.-% Mangan enthält und einen Gefügeaufbau mit Bainit und belassenen Austenit von mehr als 20 Vol.-% aufweist, und daß jeder der beiden Wellenendabschnitte (19) aus einem Stahl besteht, der 0,6 Gew.-% Kohlenstoff oder weniger und 0,5 Gew.-% oder weniger Silizium enthält und einen Gefügeaufbau mit 10 Vol.-% oder weniger von belassenem Austenit aufweist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle (2, 3) nach Anspruch 3 oder 4, auf der ein Rotor (5, 6) aus einer Leichtmetall-Legierung befestigt ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Herstellung eines mittleren Wellenabschnittes (18) unter Verwendung eines Stahls, der 0,7 bis 1,1 Gew.-% Kohlenstoff, 1,5 bis 2,5 Gew.-% Silizium und 0,5 bis 2,0 Gew.-% Mangan enthält;
Herstellung von zwei Wellenendabschnitten (19) unter Verwendung eines Stahls, der 0,6 Gew.-% oder weniger Kohlenstoff und 0,5 Gew.-% oder weniger Silizium enthält;
Anschweißen der Wellenendabschnitte (19) an die entgegengesetzten Enden des mittleren Wellenabschnittes (18) zur Herstellung der Rotorwelle (2, 3); und
Zwischenstufenvergüten der gesamten Rotorwelle (2, 3).

10. Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle (2, 3) nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Gefügeausbildungen der einstückigen Rotorwelle durch unterschiedliche Wärmebehandlung des mittleren Wellenabschnittes (18) gegenüber den Wellenendabschnitten (19) bewirkt werden.