DE10323737A1

DE10323737A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Härten von Wellen

Info

Publication number: DE10323737A1
Application number: DE2003123737
Authority: DE
Inventors: Reinhard Lubrig; Bertram Dipl.-Ing. Seifert
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2003-05-24
Filing date: 2003-05-24
Publication date: 2004-12-09

Abstract

Eine Abschreckvorrichtung (1) zum Abschrecken einer Welle (5) aus Stahl nach einer Wärmebehandlung umfasst ein Abschreckbad (2), das mit Wasser oder einer wässrigen Lösung als Abschreckmedium (3) gefüllt ist und in dem die Welle (5) in einer solchen Weise vom Abschreckmedium (3) umströmt wird, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Abschreckmediums (3) am Ort der Welle (5) mindestens 12 m/s beträgt. Hierzu ist im Abschreckbad (2) eine Brausevorrichtung (8) vorgesehen, die eine Strömung (12) hoher Geschwindigkeit auf die Welle (5) hin richtet. Eine solche Ausgestaltung des Abschreckbads (2) mit hoher Strömungsgeschwindigkeit gewährleistet einerseits, dass prozesssicher eine martensitische Gefügestruktur in der Welle (5) erzeugt wird. Weiterhin wird sichergestellt, dass in der Welle (5) im Zuge der Abschreckung Druckeigenspannungen erzeugt werden, welche die Lebensdauer der Welle (5) unter Belastungen erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abschrecken einer Welle aus Stahl nach einer Wärmebehandlung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3, wie sie beispielsweise aus der DE 38 03 973 C1 als bekannt hervorgehen.

Es ist bekannt, zum Härten von Bauteilen aus Stahl diese nach der Wärmebehandlung in ein Abschreckflüssigkeitsbad zu tauchen, wodurch die eingetauchten Bauteile auf eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt werden. Eine Vorrichtung zum Abschrecken von langen zylindrischen Bauteilen, insbesondere Stahlflaschen, ist beispielsweise in der gattungsbildenden DE 38 03 973 C1 beschrieben. Die Bauteile werden dabei auf einer in das Abschreckbad hineinragenden Drehvorrichtung durch das Abschreckbad transportiert. Auf ihrem Weg durch das Abschreckbad werden die Bauteile an einer Brausevorrichtung entlanggeführt, die mehrere entlang der Zylinderachse der Bauteile angeordnete Austrittsöffnungen aufweist. Durch diese Austrittsöffnungen wird das Bauteil mit Abschreckflüssigkeit beströmt.

Die Werkstoffeigenschaften der so erhaltenen Bauteile, beispielsweise ihre Oberflächenhärte, Sprödigkeit etc. hängen im wesentlichen davon ab, welche Temperaturdifferenz zwischen der Bauteiloberfläche und dem Abschreckmedium in welcher Zeiteinheit erreicht wird. Diese Abschreck- bzw. Abkühlgeschwindigkeit hängt stark von dem zur Abschreckung verwendeten Medium (z.B. Wasser, Öl etc.) ab. Bei einem vorgegebenem Abschreckmedium kann die Abkühlgeschwindigkeit im Abschreckbad nur durch die Ausgangstemperatur und durch die gewählte Umwälzgeschwindigkeit des Abschreckmediums im Abschreckbad beeinflusst werden.

Es ist bekannt, dass bei einer Abschreckung im Wasserbad ein gutes Härteergebnis erzielt werden kann. Allerdings ist beim Abschrecken im Wasserbad der Temperaturgradient zwischen Oberfläche und Kern des zu härtenden Werkstücks sehr groß, so dass im Werkstück hohe Spannungen entstehen können. Diese Spannungen können zwar ein Verziehen des Werkstücks bewirken, andererseits kann es unter bestimmten Umständen aber durchaus erwünscht sein, Spannungen im Werkstück zu erzeugen. Dies ist beispielsweise der Fall bei Antriebswellen im Fahrzeugbau, die im Betrieb hohen lokalen Wechselbelastungen aufgrund von Torsionen und somit Zugspannungen ausgesetzt werden, welche zu einer erheblichen Reduktion der Bauteillebensdauer führen können. Um diesen Zugspannungen entgegenzuwirken, ist es vorteilhaft, die Wellen in einer solchen Weise zu härten, dass im Bereich der Außenflächen der Wellen Druckeigenspannungen erzeugt werden, welche den die im Betrieb auftretenden Zugeigenspannungen entgegenwirken und diese – zumindest teilweise – kompensieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein großserienfähiges Verfahren zum Härten von Wellen aus Stahl bereitzustellen, mit Hilfe dessen beim Abschrecken der Welle gezielt Druckeigenspannungen in der Welle erzeugt werden können. Weiterhin soll eine Abschreckvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitgestellt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst.

Danach wird die auf eine Temperatur oberhalb des Austenit-Phasenübergangs erhitzte Welle in ein Abschreckbad getaucht, in welchem eine oder mehrere Unterwasser-Brausevorrichtungen vorgesehen sind, welche am Eintauchort der Welle eine kompakte Unterwasserströmung mit Fließgeschwindigkeit > 12 m/s erzeugen.

Indem die Welle im Abschreckbad um ihre Symmetrieachse gedreht wird, kann eine besonders gleichmäßige Abschreckung über den gesamten Umfang der Welle hinweg erreicht werden.

Zweckmäßigerweise wird die Welle im Abschreckbad in direkter Nachbarschaft der Austrittsöffnungen der Unterwasser-Brausevorrichtungen positioniert, so dass der Abstand der Austrittsöffnungen der Brausevorrichtungen zur Symmetrieachse der Welle etwa das 1,5-fache bis 2,5-fache des Wellendurchmessers beträgt. Auf diese Weise kann ein Auffächern der Strömung vermieden und eine besonders effektive Abkühlung der Welle bewirkt werden. Es erfolgt eine frühzeitiger und örtlich sehr gleichmäßiger Übergang von der Dampfhaut- in die Konvektionsphase, wodurch an der Oberfläche eine frühe Erreichung der Martensit-Starttemperatur erreicht wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Austrittsöffnungen der Brausevorrichtung in vier parallelen Reihen angeordnet, die etwa 5 mm bis 10 mm voneinander beabstandet sind. Jede der Reihen weist mehrere Austrittsöffnungen auf, deren Abstand zwischen 5 mm und 10 mm beträgt. Der Durchmesser der Austrittsöffnungen liegt zweckmäßigerweise zwischen 1,5 mm und 3 mm.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert; dabei zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Abschreckvorrichtung;
2 eine schematische Schnittansicht auf die Abschreckvorrichtung gemäß der Linie II-II in 1.
1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Abschreckvorrichtung 1 mit einem Abschreckbad 2, das bis zu einem Pegel 4 mit einem flüssigen Abschreckmedium 3 gefüllt ist. Das Abschreckmedium 3 ist Wasser oder eine wässrige Lösung, insbe sondere Wasser mit gelösten Salzen oder Wasser mit Polymeren. Im Abschreckbad 2 ist eine Welle 5 aus einem Stahl eingetaucht, welche im Abschreckbad 2 um ihre Symmetrieachse 6 gedreht wird (Pfeil 7) .
Das Abschreckbad 2 weist eine Brausevorrichtung 8 auf, mit Hilfe derer Abschreckmedium 3 auf die Welle 5 geleitet wird. Die Brausevorrichtung 8 umfasst eine Brausekammer 9 mit mehreren (im vorliegenden Falle vier) parallel zueinander ausgerichteten Reihen 10 von Austrittsöffnungen 11. Über eine (in 1 nicht gezeigte) Medienzuführung wird Abschreckmedium 3 unter hohem Druck in die Brausekammer 8 eingeleitet; dieses Abschreckmedium 3 tritt durch die Austrittsöffnungen 11 in das Abschreckbad 2 ein und erzeugt dort eine (in 1 durch Pfeile angedeutete) Strömung 12, deren Geschwindigkeit in der Umgebung der Brausekammer 9 mehr als 12 m/s beträgt.
Im vorliegenden Beispiel sind die Austrittsöffnungen 11 durch Bohrungen einer ebenen Lochplatte 13 gebildet; der Durchmesser 14 der Bohrungen 11 beträgt zwischen 1,5 mm und 2,5 mm, während der Abstand 15,15' benachbarter Bohrungen 11 zwischen 5 mm und 10 mm beträgt (siehe 2). Die Lochplatte 13 ist in einer solchen Weise gegenüber der Symmetrieachse 6 der Welle 5 angeordnet, dass die Lochreihen 10 näherungsweise parallel zur Symmetrieachse 6 der Welle 5 liegen und der Welle 5 unmittelbar gegenüberliegen. Der Abstand 16 zwischen der Lochplatte 13 und der Symmetrieachse 6 der Welle 5 beträgt das 1,5- bis 2,5-fache des Wellendurchmessers 17. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine Hohlwelle 5 mit Durchmesser 17 von 33 mm und Wanddicke 18 von 5 mm, die in einem Abstand 16 von 60 mm gegenüber den Austrittsöffnungen 11 der Lochplatte 13 angeordnet ist. Der Abstand zwischen den Lochreihen 10 beträgt 5 mm, und der Abstand benachbarter Löcher 11 in einer Lochreihe beträgt 10 mm. Die Löcher 11 benachbarter Lochreihen 10 sind – wie aus 2 ersichtlich – versetzt zueinander angeordnet.
Um die Welle 5 zu härten, wird die Welle 5 zunächst erhitzt, um sie in einen austenitischen Gefügezustand zu bringen. Anschließend wird die Welle 5 das Abschreckbad 2 eingetaucht, wobei eine schnelle Abkühlung der Welle 5 erfolgt, durch die ein martensitisches Gefüge in der Welle 5 erzeugt wird. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abschreckbads 2 mit der auf die Welle 5 hingerichteten Brausevorrichtung 8 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit gewährleistet einerseits, dass prozesssicher eine martensitische Gefügestruktur in der Welle 5 erzeugt wird. Weiterhin wird sichergestellt, dass in der Welle 5 im Zuge der Abschreckung Druckeigenspannungen erzeugt werden, welche die Lebensdauer der Welle 5 unter Belastungen erhöhen.
Das erfindungsgemäße Abschreckverfahren kann sowohl für Hohlwellen 5 als auch für Vollwellen eingesetzt werden. Die Wellen 5 können vor dem Abschrecken in einem Ofen oder induktiv erwärmt worden sein. Weiterhin können die Wellen 5 als Ganzes erhitzt worden sein, oder aber nur lokal erhitzt worden sein.

Claims

Verfahren zum Abschrecken einer Welle aus Stahl nach einer Wärmebehandlung, – wobei die Welle in ein Abschreckbad mit Wasser oder einer wässrigen Lösung als Abschreckmedium eingetaucht wird, – und wobei die Welle im Abschreckbad vom Abschreckmedium umströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Abschreckmediums (3) am Ort der Welle (5) mindestens 12 m/s beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (5) im Abschreckbad (2) um ihre Symmetrieachse (6) gedreht wird.
Abschreckvorrichtung zum Abschrecken einer Welle aus Stahl nach einer Wärmebehandlung, – mit einem Abschreckbad mit Wasser oder einer wässrigen Lösung als Abschreckmedium, – und einer Brausevorrichtung, mittels derer eine Strömung des Abschreckmediums im Abschreckbad erzeugbar ist, – wobei die Brausevorrichtung mehrere Austrittsöffnungen aufweist, die näherungsweise parallel zur Symmetrieachse der eingetauchten Welle ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Abschreckmediums (2) am Ort der Welle (5) mindestens 12 m/s beträgt.
Abschreckvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (11) der Brausevorrichtung (8) in einem Abstand (16) zur Symmetrieachse (6) der Welle (5) angeordnet sind, welcher zwischen dem 1,5-fachen und dem 2,5-fachen des Wellendurchmessers (17) liegt.
Abschreckvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (11) der Brausevorrichtung (8) koplanar in einem periodischen Raster angeordnet sind, – wobei der Abstand (15, 15') benachbarter Austrittsöffnungen (11) zwischen 5 mm und 10 mm beträgt, – und wobei der Durchmesser (14) der Austrittsöffnungen (11) zwischen 1,5 mm und 3 mm liegt.
Abschreckvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (11) der Brausevorrichtung (8) in vier parallelen Reihen (10) angeordnet sind, welche näherungsweise parallel zur Symmetrieachse (6) der Welle verlaufen, (5) – wobei der Abstand benachbarter Reihen (10) zwischen 5 mm und 10 mm beträgt, – und wobei der Abstand benachbarter Austrittsöffnungen (11) in jeder Reihe (10) zwischen 5 mm und 10 mm beträgt.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zum Abschrecken einer Antriebswelle für ein Kraftfahrzeug verwendet wird.