DE102006045004A1 - Method for inductive hardening of a rotational symmetrical component comprises impinging the component with a pre-torsion in the direction which is opposite to the direction of the main torsion during heating - Google Patents

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Abstract

Method for inductive hardening of a rotational symmetrical component (1) comprises impinging the component with a pre-torsion (3) in the direction (5) which is opposite to the direction (7) of the main torsion (9) during heating.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum induktiven Härten näherungsweise rotationssymmetrischer Bauteile gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The The invention relates to a method for inductive hardening approximately rotationally symmetrical components according to the preamble of claim 1.

Der gegenwärtige Trend zur Leistungssteigerung von im Automobilbau eingesetzten Aggregaten wird vor allem realisiert durch den Einsatz höher- und höchstlegierter Werkstoffe sowie durch die größere Dimensionierung der verwendeten Bauteile. Dabei sind die Bauteilkosten direkt abhängig von der Menge und Qualität der verwendeten Legierungsbestandteile.Of the current Trend to increase the performance of units used in the automotive industry is mainly realized through the use of higher and highest alloyed materials as well through the larger sizing the components used. The component costs are directly dependent on the quantity and quality the used alloy components.

Um die Gestaltfestigkeit derart hoch beanspruchter Bauteile kostengünstiger zu erhöhen, ist aus der DE 103 23 737 A1 ein Verfahren zum Härten eines rotationssymmetrischen Bauteils bekannt, bei dem das Bauteil induktiv erwärmt und anschließend abgeschreckt wird. Durch einen speziellen Abschreckprozess werden dem Bauteil vor dessen Einbau Druckeigenspannungen aufgeprägt, die den hohen Zugspannungen, denen das Bauteil im späteren Betrieb ausgesetzt ist, entgegenwirken.To increase the structural strength of such highly stressed components cost-effective, is from the DE 103 23 737 A1 a method for hardening a rotationally symmetrical component is known in which the component is inductively heated and then quenched. By means of a special quenching process, compressive residual stresses are imposed on the component prior to its installation, which counteract the high tensile stresses to which the component is exposed during later operation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das induktive Härten insoweit zu verbessern, als dass auf eine kostengünstige Art und Weise die Gestaltfestigkeit des Bauteils weiter erhöht wird.Of the Invention is based on the object, the inductive hardening so far to improve, than that in a cost-effective manner the structural strength of the component further increased becomes.

Die Aufgabe wird gelöst durch sämtliche Merkmale des Patenanspruchs 1. Danach wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem während der Erwärmung das Bauteil mit einer Vor-Torsionsbelastung in der Richtung, welche der Haupt-Torsionsbelastung im späteren Einsatzfall entgegengesetzt ist, beaufschlagt wird. Auf diese Weise wird eine höhere Druckeigenspannung in das Bauteil eingebracht, so dass es im Falle des Betriebes im Vergleich zu einer reinen Wärmebehandlung höhere Lastwechsel und/oder höhere Einzellasten aufnehmen kann, bevor es versagt.The Task is solved through all features of the patent claim 1. Thereafter, a method is proposed in during that the warming the component with a pre-torsion load in the direction of which the main torsional load in later use is opposite, is applied. That way, one becomes higher compressive residual stress introduced into the component, so that in the case of operation in the Compared to a pure heat treatment higher Load changes and / or higher Can absorb individual loads before it fails.

Vorteilhafterweise wird zusätzlich zu der Vor-Torsionsbelastung während der Erwärmung eine Zugbelastung in Richtung der Bauteil-Längsachse auf das Bauteil aufgebracht. Diese dient der Minimierung des Verzugs des Bauteils während der Durchführung des Verfahrens (Anspruch 2).advantageously, will be added to the pre-torsion load while the warming a tensile load in the direction of the component longitudinal axis applied to the component. This serves to minimize the distortion of the component during the execution of the method (claim 2).

In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Aufbringen der Vor-Torsionsbelastung frequenzmoduliert. So kann die Einbringung der Druckeigenspannungen vergleichmäßigt werden (Anspruch 3).In In an advantageous embodiment, the application of the pre-torsional load takes place frequency modulated. Thus, the introduction of the compressive residual stresses to be evened out (Claim 3).

Weiterhin kann das Aufbringen der Vor-Torsionsbelastung schrittweise abwechselnd mit einer höheren Belastung entgegen der Hauptbelastungsrichtung und einer niedrigeren Belastung in Hauptbelastungsrichtung durchgeführt werden. Diese aus der Walztechnik bekannte Vorgehensweise führt zu einer besseren Gefügeausbildung innerhalb des Bauteils sowie einem besseren Ausgleich von im Bauteil durch vorausgegangene Umformprozesse vorhandenen Eigenspannungen (Anspruch 4).Farther The application of the pre-torsional load can be stepped alternately with a higher one Load against the main load direction and a lower Load in the main load direction. These from the rolling technology known procedure leads to a better structure education within the component as well as a better compensation of in the component through previous forming processes existing residual stresses (claim 4).

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor. In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:Further Embodiments and advantages of the invention will become apparent from the other dependent claims and the description. In the drawings, the invention is based on an embodiment explained in more detail. It demonstrate:

1 einen Querschnitt durch ein hohlzylindrisches Bauteil während des Aufbringens einer Vor-Torsionsbelastung, 1 a cross section through a hollow cylindrical member during the application of a pre-torsion load,

2 den Querschnitt nach dem Entlasten des Bauteils, 2 the cross-section after unloading the component,

3 den Querschnitt im Einsatzfall unter Haupt-Torsionsbelastung, 3 the cross-section in the case of application under main torsional load,

4 eine Wöhlerlinie eines Bauteils ohne Vorbehandlung, 4 a Wöhlerlinie a component without pretreatment,

5 eine Wöhlerlinie eines Bauteils mit und ohne Vorbehandlung im Vergleich sowie 5 a Wöhlerlinie of a component with and without pretreatment in comparison as well

6 ein Bauteil während einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens. 6 a component during another embodiment of the method.

1 zeigt einen Querschnitt durch ein rotationssymmetrisches Bauteil 1. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein hohlzylindrisches Bauteil 1, der Querschnitt ist also kreisringförmig ausgebildet. Bei dem Bauteil 1 handelt es sich um ein hochbeanspruchtes Bauteil 1 im Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Achsbauteil wie eine Seitenwelle oder ein Getriebebauteil. Dieses ist im späteren Einsatzfall im Fahrzeug mit einer Haupt-Torsionsbelastung 7 in der in 1 gezeigten Richtung 9 beaufschlagt. Um dieser Belastung möglichst lange unbeschadet standhalten zu können, werden dem Bauteil 1 vor dessen Einbau gezielt Druckeigenspannungen aufgeprägt. 1 shows a cross section through a rotationally symmetrical component 1 , In this embodiment, it is a hollow cylindrical component 1 , The cross-section is thus formed annular. In the component 1 it is a highly stressed component 1 in the motor vehicle, for example, an axle component such as a side shaft or a transmission component. This is in the later application case in the vehicle with a main torsional load 7 in the in 1 shown direction 9 applied. In order to withstand this load as long as possible without damage, the component 1 prior to its installation deliberately applied residual compressive stresses.

Diese Druckeigenspannungen erhält das Bauteil 1, indem es vor dem Einbau während der Wärmebehandlung, welche durch ein induktives Härteverfahren erfolgt, gezielt vortordiert wird. Dabei wird auf das Bauteil eine Vor-Torsionsbelastung 3 in die der Richtung 7 entgegengesetzten Richtung 5 ausgeübt, wie in 1 gezeigt, die zu dem durch die Pfeile 15 verdeutlichten Schubspannungsverlauf im Bauteil 1 führt. Die Vor-Torsionsbelastung 3 besteht dabei aus einem Moment um die Längsachse 13 des Bauteils 1. Die dadurch hervorgerufenen Schubspannungen sind am Rand des Bauteils 1 am größten und nehmen zur Bauteilmitte hin linear ab. Der Verlauf der im Bauteil 1 tatsächlich auftretenden Zugspannungen 17 über den Querschnitt des Bauteils 1 sind im unteren Teil des Bauteils 1 dargestellt. Es ergibt sich eine Zugspannungsspitze 19 am äußersten Rand des Bauteils 1.These compressive residual stresses are given to the component 1 in that it is intentionally pre-sorted prior to installation during the heat treatment, which takes place by means of an inductive hardening process. In this case, a pre-torsion load on the component 3 in the direction of 7 opposite direction 5 exercised, as in 1 shown by the arrows 15 clarified shear stress curve in the component 1 leads. The pre-torsion load 3 consists of a moment about the longitudinal axis 13 of the component 1 , The resulting shear stresses are at the edge of the component 1 biggest and decrease linearly towards the center of the component. The course of the component 1 actually occurring tensile stresses 17 over the cross section of the component 1 are in the lower part of the component 1 shown. This results in a Zugspannungsspitze 19 at the extreme edge of the component 1 ,

2 zeigt den Verlauf der resultierenden Eigenspannungen 21 über den Querschnitt nach dem Entlasten des Bauteils 1. Durch das Entlasten werden die in 1 gezeigten Zugspannungen 17 teilweise in Druckeigenspannungen umgewandelt, so dass der Verlauf der Eigenspannungen 21 keine derart ausgeprägte Spitze 19 wie in 1 mehr aufweist. Die Spitze dieses Verlaufs ist deutlich geringer. 2 shows the course of the resulting residual stresses 21 over the cross section after unloading the component 1 , By relieving the in 1 shown tensile stresses 17 partially converted into residual compressive stresses, so that the course of the residual stresses 21 no such pronounced tip 19 as in 1 has more. The peak of this course is much lower.

3 zeigt das Verhalten des durch die Vor-Torsionsbelastung 3 vorbehandelten Bauteils 1 im Betriebsfall. In diesem Fall wirkt die Haupt-Torsionsbelastung 9 in der angedeuteten Richtung 7. Unter dieser Belastung 9 ergibt sich der dargestellte Verlauf der Belastungsspannung 23 über den Querschnitt des Bauteils 1. Das Bauteil 1 kann also im Betrieb höhere Lastwechsel und/oder höhere Einzellasten aufnehmen, bevor es versagt. Dies zeigen auch die beiden in den folgenden 4 und 5 dargestellten Wählerlinien. 3 shows the behavior of the pre-torsion load 3 pretreated component 1 during operation. In this case, the main torsional load acts 9 in the direction indicated 7 , Under this burden 9 results in the illustrated course of the load voltage 23 over the cross section of the component 1 , The component 1 So it can absorb higher load changes and / or higher single loads during operation before it fails. This is also shown by the two in the following 4 and 5 illustrated voter lines.

4 zeigt eine Wählerlinie 27 für ein Bauteil 1, welches keine Vorbehandlung im Sinne einer Vor-Torsionsbelastung 3 erfahren hat. Gezeigt ist in doppelt logarithmischer Form der Verlauf der Nennspannungsamplitude S über der ertragbaren Schwingspielzahl N. Bekanntermaßen resultiert die Wöhlerlinie 27 aus den Werten, die sich bei einer zyklischen Belastung eines Versuchskörpers ergeben. Das Diagramm ist dabei in drei Bereiche aufgeteilt: Den mit K gekennzeichneten Bereich der Kurzzeitfestigkeit, unterhalb von 104 Schwingspielen, den Bereich der Zeitfestigkeit Z zwischen 104 und 5 × 106 Schwingspielen sowie den Bereich der Dauerfestigkeit D oberhalb von 5 × 106 Schwingspielen. Die Zahlenwerte beziehen sich dabei auf einen ferritisch-perlitischen Stahl. 4 shows a voter line 27 for a component 1 , which does not require pretreatment in the sense of pre-torsion loading 3 has experienced. Shown is in double logarithmic form, the course of the nominal voltage amplitude S on the sustainable number of oscillatory cycles N. It is known that results in the Wöhler line 27 from the values resulting from cyclic loading of a test body. The diagram is divided into three areas: the area of short-term strength marked K, below 10 4 swinging games, the range of time-stability Z between 10 4 and 5 × 106 cycles, and the range of fatigue D above 5 × 10 6 swinging games. The numerical values refer to a ferritic-perlitic steel.

Unterhalb der im Diagramm durch die horizontale Linie bezeichnete Dauerfestigkeit SD kann das Bauteil 1 prinzipiell beliebig viele Schwingspiele ertragen. Belastungen oberhalb der Dauerfestigkeit bewirken ein Versagen des Bauteils nach einer bestimmten Anzahl von Schwingspielen. Die Wöhlerlinie dient somit zur Vorhersage der ertragbaren Schwingspiele eines Bauteils unter Betriebsbelastung im Rahmen statistischer Genauigkeit.Below the fatigue strength S D indicated in the diagram by the horizontal line, the component 1 basically any number of oscillatory games endure. Loads above fatigue strength cause the component to fail after a certain number of oscillatory cycles. The Wöhlerlinie thus serves to predict the sustainable oscillatory cycles of a component under operating load within statistical accuracy.

5 zeigt nun die Wöhlerlinie eines Bauteils mit (Linie 25) und ohne (Linie 27, entspricht der Wöhlerlinie aus 4) Vorbehandlung nach der oben beschriebenen Vorgehensweise, im Vergleich mit der Wöhlerlinie 29 eines Bauteils aus einem höherfesten Werkstoff. 5 now shows the Wöhler line of a component with (line 25 ) and without (line 27 , corresponds to the Wöhler line 4 ) Pretreatment according to the procedure described above, in comparison with the Wöhler line 29 a component made of a high-strength material.

Am Verlauf der Wählerlinien 25, 27, 29 ist zu erkennen, dass aufgrund der Erhöhung der Druckeigenspannungen im Bauteil 1 durch das Aufbringen der Vor-Torsionsbelastung 3 das Bauteil 1 einerseits höher beansprucht werden kann, bevor es plastifiziert, sich also die Fließgrenze des Bauteils 1 erhöht. Andererseits wird die Betriebsfestigkeit des Bauteils 1 erhöht bis auf eine Festigkeit, die der eines Bauteils aus einem höherfesten und somit auch teureren Werkstoff entspricht. Die Dauerfestigkeit des Bauteils 1 wird um einen Betrag Δlog S gesteigert im Vergleich zum nicht vorbehandelten Bauteil.On the course of the voter lines 25 . 27 . 29 can be seen that due to the increase in residual compressive stresses in the component 1 by applying the pre-torsional load 3 the component 1 On the one hand can be claimed higher before it plasticized, so the yield point of the component 1 elevated. On the other hand, the durability of the component 1 increased to a strength equivalent to that of a component made of a higher-strength and therefore more expensive material. The fatigue strength of the component 1 is increased by an amount Δlog S compared to the non-pretreated component.

Durch das Verfahren werden im Bauteil 1 Beanspruchungs-Reserven geschaffen, damit dieses im Einsatzfall einer höheren Anzahl von Lastwechseln standhalten kann.By the procedure become in the component 1 Load reserves created so that it can withstand a higher number of load changes in the application.

Wie schon oben erwähnt, wird die Vor-Torsionsbelastung 3 gleichzeitig mit der induktiven Wärmebehandlung auf das Bauteil 1 aufgebracht, d.h. es handelt sich um ein thermomechanisches Verfahren zum Erhöhen der Gestaltfestigkeit des Bauteils 1, bei dem gezielt Druckeigenspannungen im Bauteil 1 aufgebaut werden. Das verformte Gefüge ist dem Gefüge des unbehandelten Bauteils dadurch überlegen, dass es gerichtete Martensit-Nadeln aufweist.As mentioned above, the pre-torsional load 3 simultaneously with the inductive heat treatment on the component 1 applied, ie it is a thermomechanical process for increasing the structural strength of the component 1 , in which targeted internal compressive stresses in the component 1 being constructed. The deformed structure is superior to the structure of the untreated component in that it has directional martensite needles.

Durch die gleichzeitige induktive Wärmebehandlung können zum einen die Kräfte oder Momente, die zum Aufbau von Druckeigenspannungen erforderlich sind, gesenkt werden. Zum anderen wird durch das Abschrecken nach dem induktiven Erwärmen des Bauteils 1 der Eigenspannungszustand des Bauteils 1 mit den gewünschten Druckeigenspannungen eingefroren.By the simultaneous inductive heat treatment, on the one hand, the forces or moments that are required to build up compressive residual stresses can be reduced. On the other hand, by quenching the inductive heating of the component 1 the residual stress state of the component 1 frozen with the desired residual compressive stresses.

In einer in 6 dargestellten weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird auf das Bauteil 1 während der Wärmebehandlung zusätzlich zu der Vor-Torsionsbelastung 3 eine Zugbelastung 11 in Richtung der Längsachse 13 des Bauteils 1 aufgebracht. Auf diese Weise wird der Verzug des Bauteils 1 bei der Durchführung der thermomechanischen Behandlung minimiert.In an in 6 illustrated further embodiment of the method is applied to the component 1 during the heat treatment in addition to the pre-torsional stress 3 a tensile load 11 in the direction of the longitudinal axis 13 of the component 1 applied. In this way, the delay of the component 1 minimized in performing the thermomechanical treatment.

Neben dem oben beschriebenen einmaligen Aufbringen einer Vor-Torsionsbelastung 3 kann diese auf zwei weitere Arten aufgebracht werden:
Zum einen ist es günstig, während der Wärmebehandlung eine frequenzmodulierte Vor-Torsionsbelastung 3 auf das Bauteil 1 aufzubringen. Dies bedeutet, dass ein periodisches Torsionsmoment mit sich ändernder Frequenz auf das Bauteil 1 aufgebracht wird. Eine solche Vor-Torsionsbelastung 3 führt zu einer Vergleichmäßigung der Einbringung des Druckspannungszustands, welche zu der Ausbildung eines besseren Bauteilgefüges führt, da die im Bauteil 1 vor der thermomechanischen Behandlung vorhandenen unerwünschten Eigenspannungen besser eliminiert werden. Diese Eigenspannungen sind vor allem Zugspannungen und resultieren aus Umformprozessen, die der Wärmebehandlung vorausgehen, beispielsweise einem Ziehprozess.In addition to the one-time application of a pre-torsional load described above 3 this can be applied in two other ways:
On the one hand, it is favorable, during the heat treatment, a frequency-modulated pre-torsional load 3 on the component 1 applied. This means that a periodic torsional moment with changing frequency on the component 1 is applied. Such a pre-torsional load 3 leads to a homogenization of the introduction of the compressive stress state, which leads to the formation of a better component structure, as in the component 1 in front the thermomechanical treatment existing undesirable residual stresses are better eliminated. These residual stresses are primarily tensile stresses and result from forming processes that precede heat treatment, such as a drawing process.

Andererseits kann die Vor-Torsionsbelastung 3 ähnlich wie bei dem aus der Walztechnik bekannten Pilgerschrittverfahren schrittweise auf das Bauteil 1 aufgebracht werden. Dabei wird zunächst ein höheres Torsionsmoment in der Richtung 5 der Vor-Torsionsbelastung 3 aufgebracht, danach ein kleineres Torsionsmoment in der entgegengesetzten Richtung 7, dann wieder ein größeres Moment in Richtung 5, und so weiter. Auch dies führt zu einer Vergleichmäßigung der Druckeigenspannungen im Bauteil 1.On the other hand, the pre-torsional load 3 similar to the pilgrim stepping process known from rolling technology, stepwise onto the component 1 be applied. At first, a higher torsional moment in the direction 5 the pre-torsion load 3 applied, then a smaller torsional moment in the opposite direction 7 , then a bigger moment in the direction 5 , and so on. This also leads to a homogenization of the residual compressive stresses in the component 1 ,

Die Vor-Torsionsbelastung 3 kann weiterhin in Abhängigkeit von der sich während der induktiven Wärmebehandlung ändernden Temperatur gesteuert werden.The pre-torsion load 3 may be further controlled depending on the temperature changing during the inductive heat treatment.

Diese Varianten sind selbstverständlich auch auf die zusätzliche Zugbelastung aus 6 anwendbar.These variants are of course also based on the additional tensile load 6 applicable.

Das Verfahren ist nicht beschränkt auf die dargestellten Ausführungsbeispiele.The Procedure is not limited to the illustrated embodiments.

Die in den 1 bis 3 gezeigten Spannungsverläufe haben beispielsweise nur erklärenden Charakter und geben die während der Durchführung des Verfahrens und später im Betriebsfall tatsächlich im Bauteil 1 vorhandenen Eigenspannungen nur unzureichend wieder.The in the 1 to 3 For example, voltage waveforms shown are explanatory only and actually give the component during the performance of the method and later during operation 1 existing residual stresses only inadequate again.

Weiterhin ist das Verfahren neben dem gezeigten hohlzylindrischen Bauteil 1 auch auf andere näherungsweise rotationssymmetrische, höchstbelastete Bauteile anwendbar.Furthermore, the method is in addition to the hollow cylindrical component shown 1 also applicable to other approximately rotationally symmetric, highly loaded components.

Claims (5)

Verfahren zum induktiven Härten eines näherungsweise rotationssymmetrischen Bauteils (1), bei dem das Bauteil (1) induktiv erwärmt und anschließend abgeschreckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Erwärmung das Bauteil (1) mit einer Vor-Torsionsbelastung (3) in der Richtung (5), welche der Richtung (7) der Haupt-Torsionsbelastung (9) im Einsatzfall entgegengesetzt ist, beaufschlagt wird.Method for inductive hardening of an approximately rotationally symmetrical component ( 1 ), in which the component ( 1 ) is inductively heated and then quenched, characterized in that during the heating of the component ( 1 ) with a pre-torsion load ( 3 ) in that direction ( 5 ), which of the direction ( 7 ) of the main torsional load ( 9 ) is opposite in case of application, is acted upon. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Vor-Torsionsbelastung (3) während der Erwärmung eine Zugbelastung (11) in Richtung der Bauteil-Längsachse (13) auf das Bauteil (1) aufgebracht wird.Method according to claim 1, characterized in that in addition to the pre-torsional load ( 3 ) during heating a tensile load ( 11 ) in the direction of the component longitudinal axis ( 13 ) on the component ( 1 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Vor-Torsionsbelastung (3) frequenzmoduliert erfolgt.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the application of the pre-torsional load ( 3 ) is frequency modulated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Vor-Torsionsbelastung (3) schrittweise abwechselnd mit einer höheren Belastung entgegen der Hauptbelastungsrichtung (7) und einer niedrigeren Belastung in Hauptbelastungsrichtung (7) durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the application of the pre-torsional load ( 3 ) gradually alternating with a higher load against the main load direction ( 7 ) and a lower load in the main load direction ( 7 ) is carried out. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Härten eines hohlzylindrischen Bauteils (1) verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the method for hardening a hollow cylindrical component ( 1 ) is used.
DE102006045004A 2006-09-23 2006-09-23 Method for inductive hardening of a rotational symmetrical component comprises impinging the component with a pre-torsion in the direction which is opposite to the direction of the main torsion during heating Withdrawn DE102006045004A1 (en)

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DE102013006792A1 (en) * 2013-04-19 2014-10-23 Volkswagen Aktiengesellschaft After-treatment of a shaft intended for the transmission of torques

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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