-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, welches zumindest partiell aus dem Werkstoff ADI besteht.
-
ADI (= Austempered Ductile Iron), dt.: Ausferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit, ist in DIN EN 1564:2012-01 beschrieben. ADI wird heute als Alternative zu Stahlguss und auch Schmiedestahl bei hochbeanspruchten Komponenten verwendet, z.B. bei Innenverzahnungen oder Planetenträgern. ADI weist für einen Sphärogusswerkstoff relativ hohe Dehngrenzen und Zugfestigkeiten bei gleichzeitig hoher Duktilität auf, und bietet zugleich die Vorteile eines Gusswerkstoffes bezüglich der Formgebung.
-
Als Basis für ADI dient Gusseisen mit Kugelgraphit (= GJS, früher: GGG). Bei der Herstellung eines Bauteils aus ADI wird zunächst eine Gussform hergestellt, welche in der Regel mit einer Legierung ausgegossen wird, welche ungefähr derjenigen eines perlitischen Sphärogusses GJS-700-2 oder GJS-600-3 entspricht. Der weitere Prozessverlauf mit den Schritten A bis F ist beispielhaft in 1 dargestellt. Zunächst erfolgt eine spezielle Wärmebehandlung A–E; diese wird als Bainitisierung oder Ausferritisierung bezeichnet. Bei dieser Behandlung wird das Bauteil zunächst austenitisiert A–C, dann bis auf eine definierte Temperatur abgeschreckt C–D, um im weiteren Prozessverlauf längere Zeit isotherm auf dieser Temperatur zu verbleiben D–E. Nach einer bestimmten Prozesszeit wird das Bauteil dann gezielt bis auf Raumtemperatur abgekühlt E–F.
-
Die isotherme Umwandlung D–E erfolgt heute entweder in einem Ofen oder in einem Salzbad, wobei das Verhältnis von Bauteilvolumen zum Volumen des Salzbades extrem entscheidend ist, da ansonsten selbst mit einer aufwändigen Regelung nur schwerlich eine konstante Temperatur gehalten werden kann.
-
Somit gibt es neben der üblichen Beschränkung der Bauteilgrößen durch die Maße des Ofens eine weitere Beschränkung durch die Größe des Salzbades. Da in dem Salzbad Chemikalien genutzt werden, die wenig umweltverträglich sind, und ein großes Salzbad hohe Investitionskosten verursacht, sind die Abmessungen für Teile aus ADI heute ungefähr auf 2 m Durchmesser begrenzt. Dies ist gerade im Schwermaschinenbau, z.B. bei Planetenträgern und Hohlrädern für Großgetriebe, eine zu starke Limitierung, und daher wird dort ADI häufig nicht verwendet, obwohl ADI in vielen Fällen als Werkstoff besser geeignet wäre und Vorteile böte. Stattdessen wird für Großbauteile heute unter anderem GJS-700-2 oder Stahl verwendet.
-
Gleichzeitig sind die Prozesskosten für eine Erwärmung im Ofen, exakt getaktete Zuführung zum Salzbad, Chemikalien, Salzbadgröße, usw. so hoch, das ADI in vielen Fällen nicht wirtschaftlich ist. Zudem gibt es heute nur wenige Lieferanten, die ADI in hoher Qualität und auch in großen Bauteilabmessungen herstellen können. Dies erschwert ebenfalls eine kostengünstige Fertigung, und die weltweite schnelle Verfügbarkeit ist nicht gegeben.
-
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ADI deutlich kostengünstiger und umweltschonender hergestellt werden kann, auch für Großbauteile.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
-
Das Verfahren dient zur Herstellung eines Bauteils, welches zumindest partiell aus dem Werkstoff ADI besteht. Dabei wird dem Bauteil zur Ausbildung von ADI erforderliche Wärme mittels induktiven Heizens zugeführt.
-
Der erfinderische Schritt liegt darin, das Verfahren der Induktion, welches heute bei Wärmebehandlungen nur beim Induktionshärten genutzt wird, auf das Ausferritisieren zu übertragen. Wesentlich ist hierbei, dass mittels angepasster Induktoren eine lokale Behandlung von Bauteile möglich wird. Durch die Nutzung des induktiven Heizens wird die für die Generierung von ADI notwendige Anlagentechnik deutlich günstiger als heute üblich: der Induktor und die Steuerung, gegebenenfalls Abschreckvorrichtungen, beim erfindungsgemäßen Verfahren stehen einem Ofen bzw. Salzbad beim heute üblichen Prozess gegenüber. Da beim bisherigen Prozess systembedingt stets das gesamte Bauteil wärmebehandelt wurde, konnten bei komplexen Geometrien, z.B. bei stark variierenden Wandstärken, Eigenspannungsprobleme auftreten. Bei großen Wandstärken und undefinierten Abkühlraten war mit den bisherigen Verfahren teilweise auch unklar, ob wirklich ein ADI-Gefüge im gesamten Bauteil hergestellt wurde. Durch die ausschließliche Behandlung der aus Funktionssicht relevanten Bauteilbereiche ist sichergestellt, dass in diesen Bereichen der gewünschte Werkstoffzustand vorliegt.
-
Durch die Idee, sowohl die Austenitisierung als auch die isotherme Umwandlung mittels Induktion durchzuführen, wird eine Möglichkeit geschaffen, ADI deutlich kostengünstiger und umweltschonender herzustellen.
-
Gerade bei großen Bauteilen, welche nur an lokalen Bereichen einer hohen Beanspruchung unterliegen, ist es sinnvoll, mittels Induktion nur lokal ein ADI-Gefüge zu erzeugen, z.B. die Zahnlücken von Innenverzahnungen oder die Achsbohrungen bei Planetenträgern.
-
Bei einer Wärmezufuhr über Induktion ist kein Ofen und auch kein Salzbad mehr notwendig, d.h. die bisherige Größenbeschränkung fällt weg; es ergeben sich deutlich geringere Investitionskosten und – durch den Wegfall des Salzbads – eine wesentliche Reduzierung der Umweltbelastung.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in einem ersten Verfahrensschritt das Bauteil zur Austentisierung durch einen Induktor zum induktiven Heizen lokal auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt. Der Prozessschritt zur Austentisierung des Bauteils läuft ähnlich wie beim klassischen Induktivhärten ab.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die elektrische Leistung und Frequenz des Induktors sowie der Abstand zwischen dem Induktor und dem Bauteil so gewählt, dass im Bauteil der gewünschte Temperatur-Zeit-Ort-Verlauf erreicht wird. Um die für die Prozessführung notwendigen Parameter zu ermitteln gibt es grundsätzlich zwei mögliche Ansätze. Erstens kann über eine Simulation des Prozesses ermittelt werden mit welchen Frequenzen und weiteren Einstellparametern die Induktion erfolgt, ob eine Fremdabschreckung notwendig ist, und wie die Induktion bei der isothermen Umwandlung zu parametrisieren ist. Dieses Vorgehen macht vor allem bei Einzelstücken oder Kleinserien großer Bauteile Sinn. Bei größeren Stückzahlen oder kleineren Bauteilen wäre auch eine versuchstechnische Ermittlung möglich, bei der die Parameter über Erfahrungswerte vorbelegt werden und dann anhand von Versuchsreihen die finalen Einstellparameter festgelegt werden. Aus Simulationen und/oder Versuchen lassen sich auch Einstellempfehlungen ableiten, welche auf den geometrischen Verhältnissen des betrachteten Bauteils beruhen.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in einem weiteren Verfahrensschritt zur Abschreckung des Bauteils auf eine vorgegebene Umwandlungstemperatur ein Abschreckmedium auf die Bauteiloberfläche aufgesprüht. Eine Fremdabschreckung mittels eines Abschreckmediums ist notwendig, wenn die Selbstabschreckung im Bauteil, z.B. geometriebedingt, nicht ausreichend schnell abläuft. Es könnte z.B. Wasser, Öl, Polymer oder auch ein Gas als Abschreckmedium verwendet werden. Über den Induktor kann eine zu schroffe Abschreckung durch angepasste induktive Nachwärmung vermieden werden.
-
Es ist möglich, dass mittels eines berührungslosen Temperatursensors die (Oberflächen-)Temperatur des behandelten Bauteilbereichs gemessen und als Regelgröße zur Regelung/Steuerung von Induktionsheizen und Abschrecken genutzt wird.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in einem weiteren Verfahrensschritt während der Abschreckung des Bauteils auf eine vorgegebene Umwandlungstemperatur dem Bauteil mittels des Induktors derart Wärme zugeführt, dass im zu behandelnden Bauteilbereich eine Unterschreitung der vorgegebenen Umwandlungstemperatur vermieden wird. Eine Unterschreitung der gewünschten Haltetemperatur kann mittels des Induktors vermieden werden; hierzu kann der gemessene Temperatur-Zeit-Verlauf am Bauteil für eine Regelung der Frequenz, der elektrischen Leistung oder auch des Abstandes zwischen Induktor und Bauteil oder einer entsprechenden Kombination verwendet werden. So kann ein stetiger Verlauf in die Haltetemperatur ohne Überschwingen auf zu tiefe Temperaturen erzielt werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in einem weiteren Verfahrensschritt zur isothermen Umwandlung dem Bauteil mittels des Induktors derart Wärme zugeführt, dass der zu behandelnde Bauteilbereich konstant auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten wird. Dabei muss über den Induktor eine Frequenz in das Bauteil eingekoppelt werden, bei der an der zu behandelnden Stelle genau die Temperatur erzeugt wird, die bei der isothermen Umwandlung gewünscht ist. Hierzu muss über den Induktor exakt die Energie eingebracht werden, welche durch Wärmeübertragung aus der betrachteten Bauteilbereich abgeführt wird. Nach dem Erreichen der Haltetemperatur muss über die Eingangsgrößen des Induktors der Energieverlust, welcher durch Wärmeübertragung entsteht, im zu behandelnden Bauteilbereich ausgeglichen werden. Hierzu bietet sich ebenfalls eine Messung der Temperatur und deren Nutzung als Regelgröße an.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in einem weiteren Verfahrensschritt zur freien Abkühlung des Bauteils auf Raumtemperatur das Bauteil abgekühlt, insbesondere durch freie Wärmeabgabe in das Bauteil und an die Umgebung. Nachdem die für die isotherme Umwandlung notwendige Prozesszeit verstrichen ist, kann das Bauteil ohne weitere gezielte Beeinflussung auf Raumtemperatur abkühlen.
-
Eine weitere Verkörperung der vorliegenden Erfindung ist ein Bauteil, welches zumindest partiell aus dem Werkstoff ADI besteht, wobei dem Bauteil zur Ausbildung von ADI erforderliche Wärme mittels induktiven Heizens zugeführt wurde.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert. Es zeigen die schematischen 2 bis 5 Verfahrensschritte zur Herstellung eines ADI-Bereichs in einem Bauteil.
-
2 zeigt ein Bauteil 1 aus einem Ausgangswerkstoff, der kein ADI ist, z.B. GJS-700-2 oder GJS-600-3. Ein Induktor 2 wird nahe der Oberfläche 10 des Bauteils 1 angeordnet. Ein Induktor ist ein Gerät, mit dem Metalle mithilfe induktiver Erwärmung erwärmt werden können. Durch induktive Erwärmung, erzeugt durch vom Magnetfeld des Induktors 1 in dem metallischen Bauteil 1 induzierte Wirbelströme, wird das Bauteil 1 lokal erhitzt, nämlich in einem oberflächennahen, zu behandelnder Bereich 11 des Bauteils 1. Dabei wird dem Induktor 1 so viel elektrische Energie zugeführt, dass im zu behandelnden Bereich 11 die Austenitisierungstemperatur erreicht wird.
-
Das Bauteil 1 wird vom Induktor 2 lokal auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt. Hierbei sind elektrische Leistung, Frequenz und Abstand zwischen Induktor 2 und Bauteil 1 so zu wählen, dass der gewünschte Temperatur-Zeit-Ort-Verlauf erreicht wird.
-
3 zeigt dasselbe Bauteil 1 wie in 2. Nachdem der Bereich 11 auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt und dort über einen vorgegebenen Zeitraum gehalten wurde, wird der Bereich 11 auf eine vorgegebene Umwandlungstemperatur abgeschreckt.
-
Das kann entweder durch Selbstabschreckung, d.h. die Ableitung von Wärme in den kalten Kern des Bauteils, oder durch ein eigens appliziertes Abschreckmedium 4 erfolgen. Das Abschrecken mittels eines zusätzlichen Abschreckmediums ist notwendig, wenn die Selbstabschreckung im Bauteil nicht ausreichend schnell abläuft. Es könnte z.B. Wasser, Öl, Polymer oder auch ein Gas als Abschreckmedium verwendet werden. Dabei kann zur Abschreckung des Bauteils auf eine vorgegebene Umwandlungstemperatur ein Abschreckmedium auf die Bauteiloberfläche aufgesprüht werden. Dazu kann am Induktor eine Düse angeordnet sein, der über eine Leitung das Abschreckmedium 4 zugeführt wird. Optional kann durch einen insbesondere am Induktor angeordneten Temperatursensor 3 die Temperatur des Bereichs 11 gemessen werden und als Regelgröße für die Einstellung von Induktionswärme und Zufuhr des Abschreckmediums verwendet werden.
-
Über den Induktor kann eine zu schroffe Abschreckung durch angepasste induktive Nachwärmung vermieden werden. Dazu wird dem Induktor elektrische Energie zugeführt derart, dass eine Unterschreitung der Solltemperatur vermieden wird.
-
4 zeigt dasselbe Bauteil 1 wie in 2 und 3. Nach dem Erreichen der Haltetemperatur muss über die Eingangsgrößen des Induktors 2 der Energieverlust, welcher durch Wärmeabfuhr 5 in das Innere des Bauteils 1 und Wärmeverlust an die Umgebung entsteht, im zu behandelnden Bauteilbereich 11 ausgeglichen werden. Hierzu bietet sich ebenfalls eine Messung der Temperatur und deren Nutzung als Regelgröße an, wie in der Erläuterung zu 3 beschrieben. Dem Induktor 2 wird so viel elektrische Energie zugeführt, dass im zu behandelnden Bauteilbereich 11 eine vorgegebene Temperatur konstant bleibt.
-
Eine Unterschreitung der gewünschten Haltetemperatur kann ebenfalls über den Induktor vermieden werden. Hierzu kann der gemessene Temperatur-Zeit-Verlauf am Bauteil für eine Regelung der Frequenz, der elektrischen Leistung oder auch des Abstandes zwischen Induktor und Bauteil oder einer entsprechenden Kombination verwendet werden. So kann ein stetiger Verlauf in die Haltetemperatur ohne Überschwingen auf zu tiefe Temperaturen erzielt werden.
-
5 zeigt dasselbe Bauteil 1 wie in 2 bis 4. Nachdem die für die isotherme Umwandlung notwendige Prozesszeit verstrichen ist, kann das Bauteil 1 ohne weitere gezielte Beeinflussung auf Raumtemperatur abkühlen. Dies erfolgt zum Einen über eine Wärmeabfuhr 5 in das Bauteil und über eine Wärmeabfuhr 6 durch Konvektion an die umgebende Luft.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- DIN EN 1564:2012-01 [0002]
