DE10325986B3

DE10325986B3 - Verfahren zum Randzonenhärten eines einteiligen Werkstücks

Info

Publication number: DE10325986B3
Application number: DE10325986A
Authority: DE
Inventors: Gustav Dipl.-Ing. Hanisch; Reinhard Lubrig
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-06-07
Filing date: 2003-06-07
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-06-08
Also published as: WO2004108972A1

Abstract

Das Verfahren dient zum Randzonenhärten eines einteiligen Werkstücks (10) mittels einer Wärmebehandlung. Hierbei ist vorgesehen, dass das Werkstück (10) einem ersten Anlasshärteprozess (A) unterzogen wird, unter Ausbildung eines ersten Randzonenhärtegrads, und dass anschließend mindestens ein Werkstückteilbereich (14) einem zweiten Anlasshärteprozess (B) unterzogen wird, unter Ausbildung eines zweiten, unterschiedlichen Randzonenhärtegrads.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Randzonenhärten eines einteiligen Werkstücks mittels einer Wärmebehandlung, wobei das Werkstück einem ersten Anlasshärteprozess unterzogen wird, unter Ausbildung eines ersten Randzonenhärtegrads, und wobei anschließend mindestens ein Werkstückteilbereich einem zweiten Anlasshärteprozess unterzogen wird, unter Ausbildung eines zweiten, unterschiedlichen Randzonenhärtegrads, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Verfahren zum Randzonenhärten von Werkstücken sind bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 198 36 247 C2 ein Verfahren zum Herstellen eines Nockens aus einem härtbaren Stahl. Der Nocken wird in einem zweistufigen Erwärmungsverfahren durch Induktionshärten randschichtgehärtet und anschließend abgeschreckt. Hierbei entsteht in der Randschicht des Nockens eine erwünschte Umwandlung in ein martensitisches Gefüge, das durch eine verhältnismäßig hohe Härte und eine entsprechend niedrige Zähigkeit gekennzeichnet ist. Nach dem Randschichthärten wird der Nocken in einem Ofen bei einer Temperatur unter 190 °C oder induktiv bei kurzfristig höheren Temperaturen thermisch entspannt.

Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der WO 03/025233 A1 bekannt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, das eine in Bezug auf die Beanspruchung des Werkstücks angepasste Wärmebehandlung beinhaltet.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anlasshärteprozess ein Selbstanlasshärteprozess mit Restwärmeausnutzung ist, dass der zweite Anlasshärteprozess eine Aufheizphase auf eine werkstoffabhängige Härtetemperatur, eine Verzögerungsphase mit einer Abkühlung auf eine Übergangstemperatur, eine Abkühlphase bis auf eine werkstoffabhängige Anlasstemperatur und eine Anlassphase bis auf Raumtemperatur enthält, dass die Abkühlphase eine erzwungene Abschreckkühlphase auf eine Restwärmetemperatur ist und die Anlassphase eine nicht erzwungene Abkühlphase unter Raumtemperatur ist, dass die Härtetemperatur oberhalb der werkstoffabhängigen AC3-Temperatur liegt und die Restwärmetemperatur 200°C bis 300°C beträgt, dass die Dauer der Aufheizphase von der Raumtemperatur auf die Härtetemperatur 4 Sekunden bis 9 Sekunden, der Abschreckverzögerungsphase 0,5 Sekunden bis 1,0 Sekunden und der Abkühlphase auf die Restwärmetemperatur 2 Sekunden bis 6 Sekunden beträgt, und dass der erste Anlasshärteprozess eine Aufheizphase mit einer Dauer von 4 Sekunden bis 9 Sekunden, eine Abkühlphase mit einer Dauer von 2 Sekunden bis 6 Sekunden und eine Anlassphase mit einer Dauer von 1 Stunde bis 3 Stunden enthält. Dabei kann die Restwärmetemperatur insbesondere 260°C bis 280°C betragen.

Das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Werkstück in verschiedenen Teilbereichen Betriebsbeanspruchungen unterschiedlicher Größe und/oder Art ausgesetzt wird. Insbesondere können Werkstück teilbereiche derart wärmebehandelt werden, dass sie eine verhältnismäßig hohe Oberflächenhärte aufweisen, während andere Werkstückteilbereiche mittels einer geeigneten Wärmebehandlung eine erhöhte Zähigkeit erhalten. Hierdurch ist es möglich, ein Werkstück zu schaffen, das bereichsdifferenziert betriebsoptimierte Materialeigenschaften aufweist, wobei das Werkstück gleichzeitig ein einteiliges Bauteil sein kann.

Mittels einer Restwärmeausnutzung lassen sich in dem entsprechenden Werkstückteilbereich Materialeigenschaften einstellen, die durch eine relativ hohe Zähigkeit und eine verhältnismäßig geringe Härte in der Randschicht gekennzeichnet sind. Bei einem Selbstanlasshärteprozess wird das Werkstück bzw. der Werkstückteilbereich nicht wie bei einem üblichen Härteprozess von einer materialabhängigen Härtetemperatur auf die Raumtemperatur mittels einer Abschreckbehandlung abgekühlt, sondern es erfolgt eine Abschreckbehandlung von der Härtetemperatur auf eine vorgegebene Restwärmetemperatur, von welcher das Werkstück bzw. der Werkstückteilbereich unter der Umgebungsluft, d. h. ohne eine Abschreckbehandlung, bis auf die Raumtemperatur abkühlen kann.

Dabei ist der zweite Anlasshärteprozess insbesondere ein Selbstanlasshärteprozess mit Restwärmeausnutzung, wobei zwischen dem Ende der Aufheizphase und dem Einsetzen der Abkühlphase bzw. Abschreckkühlphase eine Verzögerungsphase eingehalten wird, während welcher das Werkstück bzw. der Werkstückteilbereich von der Härtetemperatur auf eine Übergangstemperatur abkühlen kann. Die Übergangstemperatur ist jedoch nur geringfügig kleiner als die Härtetemperatur. Durch diesen zeitlichen Verzug des Beginns der Abkühlphase bzw. der Abschreckkühlphase wird ein erwünschter Ausgleich bzw. Verflachung des Temperaturgradienten zwischen der entsprechenden Oberfläche des Werkstückteilbereichs und dem zugehörigen Kern erzielt. Somit wird ein flacherer Übergang des Härtegrads von der Oberfläche des entsprechenden Werkstückteilbereichs zum zugehörigen Kern erreicht, was im Allgemeinen einer grundsätzlich nicht erwünschten Entstehung von Härterissen in diesem Werkstückteilbereich entgegenwirkt.

Bei der Restwärmetemperatur handelt es sich um eine Anlasstemperatur, von welcher das Werkstück bzw. der Werkstückteilbereich nach abgeschlossener Abschreckkühlphase an der Umgebungsluft weiter auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Bei einem traditionellen Anlassen eines Werkstücks werden dagegen Anlasstemperaturen von 180 °C eingestellt. Die nun vergleichsweise hohe Anlasstemperatur begünstigt Diffusionsvorgänge im entsprechenden Randbereich des Werkstücks, wodurch eine erwünschte Materialentspannung und die Ausbildung eines verhältnismäßig zähen Martensits gefördert wird.

Bei der Dauer der Aufheizphase von der Raumtemperatur auf die Härtetemperatur, der Abschreckverzögerungsphase und der Abkühlphase auf die Restwärmetemperatur beziehen sich die genannten Werte auf den zweiten Anlasshärteprozess, mittels welchem in Kombination mit dem ersten Anlasshärteprozess eine differenzierte Härteprozessführung an einem einteiligen Werkstück möglich ist. Die Festlegung der genauen Zeitwerte der einzelnen Phasen hängt vom Werkstückmaterial und der geometrischen Werkstückausgestaltung ab.

Mit Vorteil erfolgt der erste Anlasshärteprozess in einem ersten Werkstückteilbereich und der zweite Anlasshärteprozess in einem anderen, zweiten Werkstückteilbereich. Somit werden die Werkstückteilbereiche jeweils einem speziell ausgelegten Anlasshärteprozess unterzogen, mittels welchem die werkstückteilbereichsspezifischen Materialeigenschaften in der Randzone des Werkstücks erzeugt werden können. Dabei wird ferner vermieden, dass ein Werkstückteilbereich mehreren Anlasshärteprozessen ausgesetzt wird.

Das Werkstück oder der erste Werkstückteilbereich wird vorzugsweise beim ersten Anlasshärteprozess während der Aufheizphase auf eine Härtetemperatur oberhalb der AC3-Temperatur erwärmt, anschließend während der Abkühlphase auf Raumtemperatur abgekühlt und daraufhin während der Anlassphase auf eine Anlasstemperatur von 180 °C erwärmt. Hierbei handelt es sich um ein traditionelles Randzonenhärten mit einer sich hieran anschließenden Anlassphase (Anlasshärteprozess), bei welchem eine Anlassbehandlung bei ca. 180 °C erfolgt. Die Anlassbehandlung wird deshalb durchgeführt, weil die gehärtete Randschicht des ersten Werkstückteilbereichs in Abhängigkeit des C-Gehalts eine entsprechend hohe Härte und geringe Zähigkeit bei oft verhältnismäßig hohen Eigenspannungen aufweist. Die Härteschicht neigt dadurch zu nicht erwünschten Rissen und ist relativ bruchempfindlich. Insbesondere statisch vorgespannte Werkstücke werden deshalb zur Absicherung gegen verspätete Rissbildungen in der Randschicht und zur Erreichung eines hohen Bruchmoments nach der Härtephase (Aufheizphase auf Härtetemperatur und Abkühlphase auf Raumtemperatur) üblicherweise 2 Stunden bei 180 °C angelassen. Dies führt dazu, dass der tetragonale Martensit des Härtegefüges in einen weniger spannungsbehafteten und zäheren Anlassmartensit umgewandelt wird. Dabei kann der Härtewert um ca. 1 bis 2 HRC im Bereich des Härtegefüges abfallen.

Das Werkstück kann aus einem härtbaren Stahl und insbesondere aus dem Stahl Cf53 hergestellt sein. Bei dem Stahl Cf53 handelt es sich um einen flamm- und induktionshärtbaren Stahl. Bei einem derartigen Werkstoff kann die Randschichthärte im zweiten Werkstückteilbereich mittels des zweiten Anlasshärteprozesses auf höchstens 60 HRC begrenzt werden. Der in dieser Weise wärmebehandelte zweite Werkstückteilbereich entspricht hinsichtlich seiner Materialeigenschaften in der Härteschicht denjenigen eines niedrig kohlenstoffhaltigen Vergütungs stahls, wie z. B. dem 38MnS6. Bei einer entsprechenden Wärmebehandlung von Serienwerkstücken können besonders vorteilhaft Induktionswärmebehandlungseinrichtungen zum Einsatz kommen. Ein Serienwerkstück kann beispielsweise ein Gelenkgehäuse für ein Fahrzeug sein, wobei der erste Werkstückteilbereich ein Glockenbereich mit Kugellaufbahnen und der zweite Werkstückteilbereich ein Zapfenbereich ist. Dabei ist in den Kugellaufbahnen des Gelenkgehäuses zur Erreichung einer hohen Verschleißfestigkeit eine möglichst große Oberflächenhärte gefordert. Im Zapfenbereich des Gelenkgehäuses, der aus demselben Werkstoff wie die Kugellaufbahnen des einteiligen Gelenkgehäuses besteht, führt allerdings eine große Oberflächenhärte zu einer verzögerten Rissbildung und damit zu einem nicht erwünschten Schadensfall. Somit muss die Zähigkeit der Härteschicht im Zapfenbereich deutlich höher ausgebildet sein als die Zähigkeit in der Härteschicht der Kugellaufbahnen. Dagegen kann die Oberflächenhärte im Zapfenbereich geringer als diejenige der Kugellaufbahnen ausgebildet sein. Zur Erzielung eines verhältnismäßig flachen Härteverlaufs im Zapfenbereich im Übergang von der Härteschicht zum unbeeinflussten Kern wird der Zapfenbereich des Gelenkgehäuses dem zweiten Anlasshärteprozess unterworfen. Hierdurch wird es möglich, im Zapfenbereich eines Gelenkgehäuses aus dem Werkstoff Cf53 die notwendige Zähigkeit der Härteschicht zur Gewährleistung eines Bruchmoments von > 5000 Nm unter Vorspannung indirekt mittels einer erwünschten Absenkung der Oberflächenhärte auf einen Wert < 60 HRC zu erzielen. Dagegen wird der Glockenbereich des Gelenkgehäuses gemäß dem ersten Anlasshärteprozess wärmebehandelt, unter Erzielung einer Oberflächenhärte, die bei dem Werkstoff Cf53 Härtewerte von 63 HRC erreicht. Es ist somit vorteilhaft möglich, ein Gelenkgehäuse aus ein und demselben Werkstoff herzustellen und mittels Anwendung von geeigneten Anlasshärteprozessen in unterschiedlich beanspruchten Werkstückteilbereichen betriebs günstige Materialwerte an der entsprechenden Werkstückoberfläche hinsichtlich der Härte und der Zähigkeit zu erzeugen. Deshalb kann auf geschweißte Varianten von Gelenkgehäusen verzichtet werden. Ferner kann bei Einsatz der Induktionswärmebehandlungstechnik ein traditionelles Ofenanlassen wegfallen, was zu erheblichen Kosteneinsparungen beim Serienhärten führt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 ein schematisches Temperatur-Zeit-Diagramm eines ersten Anlasshärteprozesses zum Randzonenhärten eines ersten Werkstückteilbereichs eines einteiligen Werkstücks;
2 ein schematisches Temperatur-Zeit-Diagramm eines zweiten Anlasshärteprozesses zum Randzonenhärten eines zweiten Werkstückteilbereichs des Werkstücks der 1 und
3 das Werkstück der 1 in Form eines Gelenkgehäuses für ein Fahrzeug.
Die 1 und 2 zeigen unterschiedliche Anlasshärteprozesse in Form eines Zeit-Temperatur-Diagramms, welche zum Randzonenhärten von unterschiedlichen Werkstückteilbereichen eines einteiligen Werkstücks 10 gemäß 3 in Form eines Gelenkgehäuses dienen. Dabei wird ein erster Werkstückteilbereich 12 mittels des Anlasshärteprozesses A gemäß 1 wärmebehandelt, während ein zweiter Werkstückteilbereich 14 dem Anlasshärteprozess B gemäß 2 unterzogen wird. Der erste Werkstückteilbereich 12 ist ein Glockenbereich mit einer Mehrzahl an Kugellaufbahnen und der zweite Werkstückteilbereich 14 ein Zapfenbereich. An die beiden Werkstückteilbereiche 12, 14 werden unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der Oberflächenhärte und der Zähigkeit gestellt, wobei der Glockenbereich einer verhältnismäßig hohen Oberflächenbeanspruchung ausgesetzt ist. Zur Erfüllung dieser vielfältigen Anforderungen werden mittels der unterschiedlichen Anlasshärteprozesse A, B entsprechend angepasste Materialeigenschaften im Gelenkgehäuse 10 erzeugt.
Beim ersten Anlasshärteprozess A entsprechend 1 wird das Gelenkgehäuse 10 im Glockenbereich 12 mittels einer Induktionswärmebehandlungseinrichtung (nicht in den Figuren dargestellt) von der Raumtemperatur T0 im Rahmen einer Aufheizphase A1 auf eine materialabhängige Härtetemperatur T1 erwärmt, wobei die Härtetemperatur T1 oberhalb der AC3-Temperatur liegt. Die Aufheizphase A1 erfolgt innerhalb von 4 bis 9 Sekunden. Anschließend wird während einer Abkühlphase A3 der Glockenbereich 14 des Gelenkgehäuses 10 innerhalb von 2 bis 6 Sekunden auf Raumtemperatur abgeschreckt, unter Ausbildung eines tetragonalen Martensits in der Randzone des Glockenbereichs 12. Schließlich wird während einer Anlassphase A4 für die Dauer von 1 bis 3 Stunden der Glockenbereich 12 auf eine Anlasstemperatur T4 von ca. 180 °C erwärmt, zur Umwandlung des tetragonalen Martensits in der Randzone des Glockenbereichs 12 in einen weniger spannungsbehafteten und zäheren Anlassmartensit. Durch die Anlassphase A4 erfolgt in dieser Randzone ein Härteabfall um ca. 1 bis 2 HRC.
Anschließend wird der Zapfenbereich 14 dem zweiten Anlasshärteprozess B mittels der Induktionswärmebehandlungseinrichtung unterzogen. Der Zapfenbereich 14 wird während einer Aufheiz phase B1 von der Raumtemperatur T0 innerhalb von 4 bis 9 Sekunden auf eine werkstoffabhängige Härtetemperatur T1, die ebenfalls oberhalb der AC3-Temperatur liegt, erwärmt, anschließend während einer Verzögerungsphase B2 für 0,5 bis 1,0 Sekunden auf eine Übergangstemperatur T2 abgekühlt, wobei die Übergangstemperatur T2 nur unwesentlich unterhalb der Härtetemperatur T1 liegt. Hieran anschließend wird während einer Abkühlphase B3, die eine erzwungene Abschreckkühlphase darstellt, innerhalb von 2 bis 6 Sekunden der Zapfenbereich 14 auf eine Restwärmetemperatur von 260 °C bis 280 °C abgekühlt und anschließend an der Umgebungsluft auf Raumtemperatur T0 abkühlen gelassen.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante beträgt die Härtetemperatur T1 ca. 900 °C, die Dauer der Aufheizphase A1 9 Sekunden, die Dauer der Abkühlphase A3 5 Sekunden, die Dauer der Aufheizphase B1 4 Sekunden, die Dauer der Verzögerungsphase B2 0,7 Sekunden und die Dauer der Abkühlphase B3 3 Sekunden.

Claims

Verfahren zum Randzonenhärten eines einteiligen Werkstücks (10) mittels einer Wärmebehandlung, wobei das Werkstück (10) einem ersten Anlasshärteprozess (A) unterzogen wird, unter Ausbildung eines ersten Randzonenhärtegrads, und wobei anschließend mindestens ein Werkstückteilbereich (14) einem zweiten Anlasshärteprozess (B) unterzogen wird, unter Ausbildung eines zweiten, unterschiedlichen Randzonenhärtegrads, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anlasshärteprozess (B) ein Selbstanlasshärteprozess mit Restwärmeausnutzung ist, dass der zweite Anlasshärteprozess (B) eine Aufheizphase (B1) auf eine werkstoffabhängige Härtetemperatur (T1), eine Verzögerungsphase (B2) mit einer Abkühlung auf eine Übergangstemperatur (T2), eine Abkühlphase (B3) bis auf eine werkstoffabhängige Anlasstemperatur (T3) und eine Anlassphase (B4) bis auf Raumtemperatur (T0) enthält, dass die Abkühlphase (B3) eine erzwungene Abschreckkühlphase auf eine Restwärmetemperatur (T3) ist und die Anlassphase (B4) eine nicht erzwungene Abkühlphase unter Raumtemperatur (T0) ist, dass die Härtetemperatur (T1) oberhalb der werkstoffabhängigen AC3-Temperatur liegt und die Restwärmetemperatur (T3) 200°C bis 300°C beträgt, dass die Dauer der Aufheizphase (B1) von der Raumtemperatur (T0) auf die Härtetemperatur (T1) 4 Sekunden bis 9 Sekunden, der Abschreckverzögerungsphase (B2) 0,5 Sekunden bis 1,0 Sekunden und der Abkühlphase (B3) auf die Restwärmetemperatur (T3) 2 Sekunden bis 6 Sekunden beträgt, und dass der erste Anlasshärteprozess (A) eine Aufheizphase (A1) mit einer Dauer von 4 Sekunden bis 9 Sekunden, eine Abkühlphase (A3) mit einer Dauer von 2 Sekunden bis 6 Sekunden und eine Anlassphase (A4) mit einer Dauer von 1 Stunde bis 3 Stunden enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anlasshärteprozess (A) in einem ersten Werkstückteilbereich (12) erfolgt und der zweite Anlasshärteprozess (B) in einem anderen, zweiten Werkstückteilbereich (14) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) oder der erste Werkstückteilbereich (12) während der Aufheizphase (A1) auf eine Härtetemperatur (T1) oberhalb der AC3-Temperatur erwärmt wird, anschließend während der Abkühlphase (A3) auf Raumtemperatur (T0) abgekühlt wird und daraufhin während der Anlassphase (A4) auf eine Anlasstemperatur (T4) von 180°C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück aus einem härtbaren Stahl und insbesondere aus dem Stahl Cf53 hergestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschichthärte im zweiten Werkstückteilbereich (14) höchstens 60 HRC beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) ein Serienwerkstück ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) ein Gelenkgehäuse, der erste Werkstückteilbereich (12) ein Glockenbereich mit Kugellaufbahnen und der zweite Werkstückteilbereich (14) ein Zapfenbereich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung mittels einer Induktionswärmebehandlungseinrichtung durchgeführt wird