DE102013012936B4

DE102013012936B4 - Vorrichtung zum induktiven Härten von länglichen metallischen Werkstücken unter Schutzgas

Info

Publication number: DE102013012936B4
Application number: DE102013012936.2A
Authority: DE
Inventors: Hansjürg Stiele; Daniel Kaltenbach
Original assignee: EFD Induction GmbH
Current assignee: EFD Induction GmbH
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2016-10-06
Anticipated expiration: 2033-08-03
Also published as: DE102013012936A1

Abstract

Vorrichtung zum induktiven Härten von stabförmigen metallischen Werkstücken (1) unter Schutzgas, mit einer Schutzgaskammer (2), mit einer Schutzgaszuführung zum Zuführen von Schutzgas während des Härtens sowie mit einem innerhalb der Schutzgaskammer (2) angeordneten Induktor (3), dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück (1) einerseits und der Schutzgaskammer (2) andererseits das Werkstück (1) während des Härtens durch die Schutzgaskammer (2) abgedichtet hindurchführbar ist, wobei die Schutzgaskammer (2) bei den Durchtrittsstellen für das Werkstück (1) flexible Dichtungen (4) aufweist, und dass das längliche Werkstück (1) sich während des Härtens um die eigene Mittelachse dreht, und dass als Schutzgaszuführung wenigstens ein Schutzgaselement (5, 5') vorgesehen ist, welches bezüglich der Schutzgaskammer (2) als separate Baueinheit innerhalb der Schutzgaskammer (2) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Härten von länglichen metallischen Werkstücken unter Schutzgas.
Das induktive Härten von metallischen Werkstücken kann grundsätzlich unter luftatmosphärischen Bedingungen erfolgen. Es ist aber auch möglich und bekannt, das induktive Härten von metallischen Werkstücken unter einer Schutzgasatmosphäre durchzuführen. Als Schutzgas werden Stickstoff, Argon sowie andere Gase verwendet. Der Vorteil des Induktionshärtens unter Schutzgas besteht darin, dass kein Zunder gebildet wird, welcher auf dem Werkstück haftet und nach dem Induktionshärten entfernt werden muß.
Die bekannten Vorrichtungen zum Induktionshärten unter Schutzgas weisen eine Schutzgaskammer auf. In dieser befindet sich der Induktor. Die Zuführung des Schutzgases erfolgt über entsprechende Öffnungen in der Schutzkammer. Über diese Öffnungen wird das Schutzgas ins Innere der Schutzgaskammer geleitet.
Der Nachteil besteht darin, dass zum Härten des Werkstücks zunächst die Schutzgaskammer geöffnet, anschließend das Werkstück darin positioniert, danach die Kammer wieder verschlossen und anschließend mit dem Schutzgas geflutet werden muß. Erst dann kann schließlich mit dem induktiven Härteprozeß begonnen werden. Insbesondere das Fluten der Kammer führt in Abhängigkeit von der Größe der Kammer zu langwierigen Nebenzeiten.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Induktionshärten von länglichen metallischen Werkstücken unter Schutzgas der eingangs angegebenen Art zu schaffen, mittels welcher der Härteprozeß beschleunigt werden kann.
Die technische Lösung ist gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1.
Dadurch ist eine Vorrichtung zum induktiven Härten von länglichen metallischen Werkstücken, beispielsweise Zahnstangen, unter Schutzgas geschaffen, mittels welcher der Härteprozess sehr schnell ohne nennenswerte Nebenzeiten durchgeführt werden kann. Es handelt sich dabei bei der Schutzgaskammer um ein halboffenes System, bei welchem für den Induktionsvorgang nicht jedes mal die Kammer geöffnet werden muß, um sie nach dem Plazieren des Werkstücks neu zu fluten. Vielmehr wird durch das erfindungsgemäße System in einem direkten Prozess das Werkstück durch die Schutzgaskammer hindurchgeführt. Dies bedeutet, dass die Kammer immer mit dem Schutzgas geflutet bleiben kann. Dies vermeidet Nebenzeiten zum Fluten der Kammer.
Vorzugsweise weist die Schutzgaskammer bei den Durchtrittsstellen für das Werkstück flexible Dichtungen auf. Dadurch lässt sich das Werkstück auf technisch einfache Weise durch die Kammer hindurchführen, ohne dass ein nennenswerter Verlust an Schutzgas auftritt.
Ferner dreht sich während des Härtens das längliche Werkstück um die eigene Mittelachse. Dadurch wird ein gleichmäßiges Härten des Werkstücks erzielt.
Weiterhin schaffen die erfindungsgemäßen Schutzgaselemente eine laminare Strömung des Schutzgases innerhalb der Schutzgaskammer. Dies hat eine optimale Wirkung des Schutzgases auf die Induktionshärtung. Konkret wird die Entstehung von Zunder optimal unterbunden. Die Grundidee der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Induktionshärten unter Schutzgas besteht darin, dass sich innerhalb der Schutzkammer wenigstens ein Schutzgaselement befindet, welches als bezüglich der Schutzgaskammer separate Baueinheit ausgebildet ist. Diese Baueinheit, über welche das Schutzgas zugeführt wird, kann dabei im Hinblick auf ein optimales Strömungsdesign so ausgebildet und konzipiert sein, dass dadurch die Strömung des Schutzgases im Hinblick auf die Position des zu härtenden Werkstückes sowie die Position des Induktors gezielt beeinflußt werden kann. Die Baueinheit bzw. die Baueinheiten können dabei von der Formgebung her beliebig ausgebildet sein. So ist es denkbar, dass es sich bei den Baueinheiten um leistenförmige oder stabförmige Gebilde handelt, aber auch um Ringe, Wendel, Zylinder etc. Entscheidend ist nur, dass diese Baueinheiten – egal in welcher Basisform – ein oder mehrere Austrittsöffnungen für das Schutzgas aufweisen. Der Vorteil besteht darin, dass bei einer vorgegebenen Konstellation von Werkstück und Induktor immer eine optimale Baueinheit für die Schutzgaszuführung gefunden werden kann. Dies bedeutet, dass für die Formgebung der Baueinheiten sowie für die Austritte für das Schutzgas keinerlei Beschränkungen bestehen.
In einer alternativen Weiterbildung ist das Werkstück feststehend und die Schutzgaskammer beweglich. Dies bedeutet, dass die Schutzgaskammer über das feststehende längliche Werkstück geführt wird. Unter ”feststehend” ist dabei zu verstehen, dass sich das Werkstück nicht in Axialrichtung bewegt. Das ”feststehende” Werkstück kann sich sehr wohl um seine Mittelachse drehen. Selbstverständlich ist es gleichermaßen auch denkbar, dass die Schutzgaskammer feststehend ist und dass das Werkstück durch die Kammer hindurchbewegt wird.
Das Schutzgas kann beispielsweise mittels einer Konturdüse gezielt eingebracht werden. Dies bedeutet, dass eine vorgegebene Stelle gezielt mit Schutzgas beaufschlagt werden kann.
Alternativ ist es auch denkbar, dass das Schutzgas diffus zugeführt wird. Dies hängt vom gewünschten Einsatzzweck ab.
Es handelt es sich bei der Baueinheit für die Schutzgaszuführung um einen Düsenkörper. Darunter ist zu verstehen, dass dieser Düsenkörper vorzugsweise mehrere Düsenöffnungen aufweist, welche im weitesten Sinne punktförmig ausgebildet sind, so dass auf diese Weise ein ganz bestimmter Bereich mit Schutzgas beaufschlagt werden kann. Auch hier kann die Baueinheit für diesen Düsenkörper eine beliebige Form besitzen, beispielsweise als Ring, als Leiste etc.
Eine Alternative hierzu schlägt vor, dass es sich bei der Baueinheit für die Schutzgaszuführung um ein poröses Sintermaterial handelt. Das Sintermaterial ist dabei derart porös, dass das Schutzgas durch die poröse Struktur hindurchströmt und somit großflächig aus dem Sintermaterial der Baueinheit austritt. Auch hier sind wiederum die unterschiedlichsten Bauformen denkbar. Grundsätzlich handelt es sich bei diesem porösen Sintermaterial um Elemente, welche in der Sintertechnik hergestellt sind. Dies bedeutet, dass pulverförmiges Sintermaterial generativ durch einen Laser schichtweise verbacken wird. Dadurch können auch komplizierte Formen auf technisch einfache Weise hergestellt werden. Neben der technisch einfachen Herstellbarkeit haben diese Baueinheiten aus Sintermaterial weiterhin den Vorteil, dass diese eine relativ rauhe Oberfläche aufweisen. Dadurch entsteht durch eine entsprechende Verwirbelung auf der Oberfläche eine laminare Strömung, welche sich positiv auf die Wirkung des Schutzgases auswirkt.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum induktiven Härten eines länglichen metallischen Werkstückes in Form einer Zahnstange unter Schutzgas wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:
1 eine perspektivische Schnittdarstellung der Vorrichtung;
2a eine Schnittdarstellung durch die Vorrichtung entlang der Linie B-B in 2b;
2b eine Schnittdarstellung durch die Vorrichtung entlang der Linie A-A in 2a;
3a bis 3d mögliche Anordnung von Schutzgaselementen, welche aus einem Sintermaterial hergestellt sind;
4 eine Darstellung eines Schutzgaselements zum gezielten Einbringen von Schutzgas mittels einer Konturdüse;
5 eine schematische Darstellung der Gasverteilung in der Schutzgaskammer in verschiedenen Darstellungen;
6 schematische Gasverteilergänge in der Schutzgaskammer in verschiedenen Darstellungen.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung zum induktiven Härten eines metallischen Werkstücks 1 in Form einer Zahnstange weist eine Schutzgaskammer 2 auf. In dieser Schutzgaskammer 2 befindet sich zum einen ein Induktor 3 und zum anderen das Werkstück 1 in Form einer Zahnstange, welche durch die Schutzgaskammer 2 während des Induktionshärtens hindurchgeführt wird und sich dabei dreht. Dabei weist die Schutzgaskammer 2 bei den Durchtrittstellen flexible Dichtungen 4 auf.
Innerhalb der Schutzgaskammer 2 befinden sich Schutzgaselemente 5, 5'. Diese dienen der Zuführung von Schutzgas, um so während des induktiven Härtens auf der Oberfläche des Werkstücks 1 die Entstehung von Zunder zu vermeiden.
Es können dabei zwei unterschiedliche Typen von Schutzgaselementen 5, 5' vorgesehen sein. Immer handelt es sich bei diesen Schutzgaselementen 5, 5' um bezüglich der Schutzgaskammer 2 separate Baueinheiten, welche innerhalb der Schutzgaskammer 2 angeordnet sind.
Beim ersten Typ von Schutzgaselementen 5 handelt es sich um ein Gebilde mit Düsenöffnungen (sogenannte Konturdüse), mittels dem ein gezieltes Einbringen von Schutzgas möglich ist.
Beim zweiten Typ von Schutzgaselementen 5' handelt es sich um ein poröses Sintermaterial, durch welches das zugeführte Schutzgas großvolumig fließt und dabei an der Oberfläche des Sintermaterials aus diesem austritt. Auch hier wird somit das Härtegebiet mit einer Schutzgasatmosphäre versehen, um eine Zunderbildung während des induktiven Härtens zu unterbinden.
Die 3a bis 3d sowie 4 zeigen mögliche Anordnungen der Schutzgaselemente 5, 5'.
Bei den Ausführungsformen der 3a bis 3d wird von einem Schutzgaselement 5' aus Sintermaterial ausgegangen. Hier zeigt 3a ein Schutzgaselement 5' in Ringform. Die Ausführungsform in 3b zeigt wiederum ein Schutzgaselement 5' in Ringform, jedoch auf beiden Seiten des Induktors. Die Ausführungsform in 3c zeigt das Schutzgaselement 5' in Form von zwei leistenförmigen Gebilden beidseits des Induktors 3. Die Ausführungsform in 3d schließlich zeigt wiederum ein ringförmiges Schutzgaselement 5', welches den Induktor 3 koaxial umschließt.
Bei der Ausführungsform in 4 handelt es sich bei dem Schutzgaselement 5 um ein im weitesten Sinne rohrförmiges Gebilde mit einzeln ausgebildeten Düsen 6 bzw. Konturdüsen, mittels denen ein gezieltes Einbringen von Schutzgas möglich ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Düsen 6 in Richtung Inneres des Induktors 3 ausgerichtet, also dort, wo sich das Werkstück 1 während des Härtens befindet.
Die 5 und 6 schließlich zeigen die Schutzgaskammer 2 mit schematischen Darstellungen der Schutzgasverteilergänge.
Bezugszeichenliste

1: Werkstück
2: Schutzgaskammer
3: Induktor
4: Dichtung
5, 5': Schutzgaselemente
6: Düse

Claims

Vorrichtung zum induktiven Härten von stabförmigen metallischen Werkstücken (1) unter Schutzgas, mit einer Schutzgaskammer (2), mit einer Schutzgaszuführung zum Zuführen von Schutzgas während des Härtens sowie mit einem innerhalb der Schutzgaskammer (2) angeordneten Induktor (3), dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück (1) einerseits und der Schutzgaskammer (2) andererseits das Werkstück (1) während des Härtens durch die Schutzgaskammer (2) abgedichtet hindurchführbar ist, wobei die Schutzgaskammer (2) bei den Durchtrittsstellen für das Werkstück (1) flexible Dichtungen (4) aufweist, und dass das längliche Werkstück (1) sich während des Härtens um die eigene Mittelachse dreht, und dass als Schutzgaszuführung wenigstens ein Schutzgaselement (5, 5') vorgesehen ist, welches bezüglich der Schutzgaskammer (2) als separate Baueinheit innerhalb der Schutzgaskammer (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) feststehend und die Schutzgaskammer (2) beweglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Schutzgaselement (5, 5') ausströmende Schutzgas den gewünschten Schutzgasbereich gezielt beaufschlagt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Schutzgaselement (5, 5') ausströmende Schutzgas diffus in den Innenraum der Schutzgaskammer (2) einströmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schutzgaselement (5, 5') um einen Düsenkörper handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schutzgaselement (5') um ein poröses Sintermaterial handelt.