DE1533955A1

DE1533955A1 - Verfahren und Vorrichtung zum induktiven Waermebehandeln von Werkstuecken aus Stahl

Info

Publication number: DE1533955A1
Application number: DE19671533955
Authority: DE
Inventors: Reinke Dr-Ing Friedhelm; Seulen Dr-Ing Gerhard
Original assignee: AEG Elotherm GmbH
Current assignee: SMS Elotherm GmbH
Priority date: 1967-04-29
Filing date: 1967-04-29
Publication date: 1970-02-05
Also published as: DE1533955C3; US3596037A; DE1533955B2; GB1178338A

Description

Verfuhren und Vorrichtung zum induktiven Wärmebehandeln von Werketucken aus Stahl

Die Anmeldung bezieht aich auf daa induktive Värmebehandeln von langgestreckten zylindrischen Werkstücken aus Stahl*

Be ist bereite bekannt, für das fortschreitende Wärmebehandeln langgestreckter Werkstücke die induktive Erwärmung mit anschließendem Abschrecken zu verwenden. Hierbei werden im allgemeinen die Werkstücke waagerecht oder senkrecht angebracht und die Induktoren geeigneten Durchmessers in einer Relativbewegung zum Werkstück über die Oberfläche des Werkstückes geführt. Hierbei ergibt sich entsprechend der gewählten Leistung, Frequenz und Vorachubgeachwindigkeit eine Zone erhöhter Temperatur im Werkstück, deren Tiefe bei konstanter Frequenz von Leistung und Einwirkzeit bzw· Vorschubgeschwindigkeit abhängig ist.

Vielfach wird nun in der Praxis die Forderung gestellt, daß Werkstücke in Achsrichtung gesehen an» einigen Stellen eine

Oberflächenhärtung und an anderen Stellen eine durchgreifende Vergütung erfahren sollen. Dieses ist beispielsweise bei Hinterachswellen für Automobile erforderlich, die meist an einem Ende einen durchgehend vergüteten Gewindezapfen aufweisen. Handelt es sich hierbei um Werkstücke, die auf ihrer gesamten Länge zylindrisch sind, so wird bei Vorschubhärtung ao vorgegangen, daß daa Werkstück mit dem zu vergütenden Ende als erstes in den Induktor eingefahren wird und nun bei langsamer Vorschubgeachwlndigkeit oder im Stillstand eine Auf-

909886/0570

heizung doe Werkstuckendes bei relativ kleiner Leistungsdichte ao lange erfolgt, bis dieses bis in den Kern auf Härtetemperatur aufgeheizt ist· An die Stelle der Aufheizung in langsamen Vorschub oder Stillstand kann auch eine Aufheizung nit reversierendem Vorschub treten. Die lediglich an der Oberfläche zu härtende Zone des Werkstückes wird anschließend mit einer höheren Vorschubgesohwindigkelt, gegebenenfalls bei Verminderung der spezifischen Heizleistung, induktiv erhitzt« wobei gleichseitig die Abschreckung mit einem geeigneten Härtemittel wie Wasser, Emulsion, öl oder Luft durch eine am Ende des Induktors angeordnete Brause erfolgt.

Danach werden im allgemeinen im Rücklauf des Induktors die oberflächengehärteten Zonen des Werkstückes entspannt, nämlich bei einer geringeren Leistungsdichte auf eine Oberflächentemperatur von ca. 2oo bis 25o C gebracht. Das zu vergütende Werkstuckende dagegen wird im Stillstand, bei langsamem Vorschub oder bei reversierender Bewegung des Induktors auf eine Temperatur von 4oo bis 650⁰G erwärmt, wobei die Temperaturhöhe von der jeweiligen Stahllegierung und der gewünschten Vergütungsfestigkeit abhängt. Anschließend wird das Werkstück der Behandlungeeinrichtung entnommen und kann der weiteren Vorarbeitung zugeführt werden.

Die vorstehend erläuterte bekannte induktive Vorschubwärmebehandlung ist jedoch nur bei Werkstücken möglich, die entlang ihrer gesamten Länge einen kleineren Durchmesser aufweisen als der Innendurchmesser des Induktors. Wenn beispielsweise Werkstücke mit einem einseitigen Flansch behandelt werden sollen, wo zusätzlich häufig gefordert ist, auch den Übergangsradius zum Flansch zu härten, so kann nach dem vorbekannten Verfahren nicht gearbeitet werden. Solche Werkstücke werden ebenfalls vornehmlich im Kraftfahrzeugbau verwendet. Das Flanschende solcher Werkstücke bestimmt praktisch die Induktorform, da ein die Hohlkehlen zum Flansch miterfassende Härtezone gefordert wird. Bisher wurden solche

909886/0570 _

Werkstücke in zwei Operationen derart behandelt, daß erst das Werkstuok einer Oberflächenhärtung, meist im kontinuierlichen Verfahren, unterzogen und anschließend ein durchgreifendes Harten des Endstückes mittels durchgreifender Aufheizung bis in den Kern und anschließendem Abschrecken durchgeführt wurde. Danach wurde in dem zu vergütenden Endteil eine weitere Erwärmung zum Zwecke des anschließenden Anlassens auf die gewünschte Festigkeit durchgeführt.

Die nach dem bekannten Vorschubverfahren behandelten Werkstücke weisen sowohl bei Wechselbiege- als auch bei Torsionsbeanspruchung ein äußerst ungünstiges Verhalten auf, da nämlich in der Grenzzone zwischen der Härtezone der ersten Behandlung und der Vergütungezone der zweiten Behandlung durch die dort auftretende unvermeidliche Kerbwirkung eine erhöhte Gefahr von Torsionsdauerbrüchen oder Wechselbiegebrüchen auftritt. Auch «ine Umstellung des Verfahrens dergestalt, daß mit dem VergütBft, begonnen und anschließend die Oberflächenhärtung vorgenommen wird, hat keine Besserung hinsichtlich der Gefahr der Torsions- oder Weciiselbiegebrüche im Übergangsbereich gebracht.

Hier kann die Anmeldung Abhilfe schaffen« Sie betrifft ein Verfahren zum induktiven Wärmebehandeln von langgestreckten Werkstücken aus Stahl, die vorzugsweise stetig oder stufenförmig wechselnde· Durohmesser aufweisen und in Achsrichtung neben oberflächengehärteten Zonen auch Zonen durchgreifender Vergütung erhalten sollen. Erfindungsgemäß wird das gesamte Werkstück entsprechend der Stärke der gewünschten Härtebzw, Vergütungszone in Achsrichtung einer ungleichförmigen induktiven Vorwärmung und anschließend einer induktiven Aufheizung und Abschreckung unterzogen, worauf gegebenenfalls die gehärteten Zonen entspannt und die zu vergütenden Zonen angelassen werden.

Die nachteilige und schädliche Entstehung der Kerbwirkung wird von vornherein dadurch verhindert, daß unabhängig von den späteren Härte- oder Vergütungszonen üb* die gesamte Länge vorgewärmt, gehärtet und entspannt bzw. vergütet wird.

909886/0570

Dadurch werden im Werk«tück schroffe Übergänge zwischen zähen und harten Zonen sowie schädliche Eigenspannungen vermieden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die vorteilhaften Eigenschaften dadurch erzielt, daß durch einen Induktor während des Hinlaufes die ungleichmäßige Vorwärmung, während des Rücklaufes eine Härtung und während eines weiteren Hinlaufes das Entspannen bzw« Anlassen durchgeführt wird«

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf die fortschreitende induktive Wärmebehandlung von zylindrischen Werkstücken vereinfachter äußerer Gestalt, nämlich solchen, die an einer Stelle im gesamten Volumen zu vergüten und auf ihrer verbleibenden Länge oberfläohenzuhärten sind· Bei dieser besonders vorteilhaften und bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden zwei Induktoren verwendet, von denen zunächst zweeks Vorwärmung einer Kknv eine tiefgreifende Erhitzung der Vergütungestelle erzeugt, während ein äüderer Induktor in vom ersten indukjl tor entfernter Endstellung eine Oberflächenhärtung beginnt, diese über die Vergütungsetelle hinaus unter Wegführen und Abschalten des ersten Induktorβ fortsetzt und daß anschließend für das Entspannen bzw· Anlassen der Werkstüokzonen die Be» wegung der Induktoren ohne Abschreckung wiederholt wird«

Anhand der beigefügten Abbildung soll die schematisch dargestellte Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren näher erläutert werden» Das wärmezubehandelnde Werkstück 7 weist an seinem einen Ende einen Zapfen 8 mnd an seinem anderen Ende einen Flansch Io auf« Der vorzugsweise mit mittelfrequenter Spannung gespeiste Transformator 1, ist über einen Flansch 2 mit einem Induktor 3 verbunden« Der Induktor 3 ist lediglich als einfacher Ring ohne Wasser-

909886/0570

kühlung dargestellt. Er kann aber auch ein- oder mehrwindig ausgebildet sein. Außerdem ist es zweckmäßig - wie an gich bekannt - eines? Wasserkühlung in denvkupfernen Induktor anzubringen. Es ist veLter ein Transformator k vorgesehen, der über einen Plansch 5 den Induktor 6 einspeist, der ebenfalls der Einfachheit halber als einwindiger zylindrischer Induktor dargestellt ist. Auch hier kann es sich um einen B ein- oder mehrwindigen Induktor, gegebenenfalls unter Verwendung von MagnetJochen handeln, der ebenfaXls wassergekühlt sein kann. Beide Induktoren bzw. Transformatoren sind mit einem Strom entsprechender Frequenz zu speisen, wobei der Einfachheit der Anlage wegen im allgemeinen die Stromquelle für die Einspeisung der Transformatoren 1 und k die gleiche sein soll. Selbstverständlich können beide auch mit einem Strom unterschiedlicher Frequenz gespeist sein.

Das Werkstück 7 ist mit dem bereits erwähnten Gewindezapfen versehen. Die Härtezone des zylindrischen Werkstückteils ist mit 9 bezeichnet, bei 10 ist der einseitige Flansch des wärmezubehandelnden Werkstückes zu erkennen. Die Wärmebehandlung läuft nun wie folgt ab: Der vom Transformator 1 gespeiste Induktor 3 heizt im Stillstand, in pendelnder Bewegung oder in sehr langsamem Vorschub den durchgehend zu vergütenden Zapfen 8 vor. Der vom Transformator h gespeiste Induktor 6 wird vor oder während der Vorheizbehandlung des Induktors 3 nach unten verfahren und befindet sich sodann am Beginn der Härtezone 9 im Übergangsbereich zum Flansch 10,

Während der Vorheizbehandlung des Zapfens durch den Induktor 3 beginnt die Härtung des Schaftes zunächst mit einer Stillstandsauföeizung im Bereich des Überganges zum.Flansch und wird fortgesetzt mit einer Relativbewegung zwischen Induktor 6 und Werkstück 7, wobei der Induktor in Richtung des Pfeiles 11 bewegt wird. An der Unterseite des Induktors erfolgt ein Abschrecken in Richtung der Pfeile 12 durch eine Abschreckbrause 13 bekannter Bauart« Wenn nun der Induktor

909886/0570

— O —

— ο —

bei seiner Aufwärtsbewegung in Richtung des Pfeiles 11 den Induktor 3 ohne Abschreckbrause erreicht, so nimmt der Induktor 6 bzw, der Transformator k den Induktor 3 bzw. den Transformator 1 in der Aufwärtsbewegung mit, da zu diesem Zeitpunkt das Durchwärmen des Zapfens 8 abgeschlossen sein soll« Durch einige empirische Versuche müssen die Vorheizzeiten der Induktoren aufeinander abgestimmt werden. Dabei ist darauf zu achten, daß bei Weiterbewegung der beiden Induktoren 6 und in Richtung des Pfeiles 11 der Zapfen 8 beim Entfernen des Induktors 6, der gemeinsam mit dem Induktor 3 in Richtung des Pfeiles 11 nach oben bewegt wird, eine durchgreifende, gleichmäßige Härtetemperatur aufweist, wenn das Abschreckmittel in Richtung der Pfeile 12 auf die Oberfläche des Zapfens auftrifft.

Zum Entspannen bzw. Anlassen wird nun so vorgegangen, daß in der gleichen Einspannung praktisch der Härteprozeß wiederholt wird, jedoch ohne daß in Richtung der Pfeile 12 ein Abschreckmittel auf die Oberfläche auftritt. Dabei werden die beiden Induktoren 6 und 3 ohne Leistungsbeaufschlagung wieder über das Werkstück gefahren, wobei der Induktor 3 i^m Bereich des Zapfens 8 festgehalten wird. Der Induktor 6 bewegt sich in Richtung des Pfeiles Ik nach unten, bis der Induktor in die gleiche Stellung kommt, die er bereits zu Beginn der Härtebehandlung gehabt hat. Während dieser Zeit wird mittels des Induktors 3 bereits der Zapfen mit einer solchen Leistungsdichte aufgeheizt, daß eine gleichmäßige Durchwärmung auf die gewünschte Anlaßtemperatur erreicht wird. Die Heizung durch den Induktor 3 wird aufrechterhalten, während der Induktor 6 in Richtung des Pfeiles 11 mit einer für das Entspannen oder Anlassen des Schaftteiles richtigen Leistungsbeaufschlagung nach oben geführt wird. Wenn nun der Induktor 6 wieder den Induktor berührt, fahren beide Induktoren 6 und 3 mit ihren Transformatoren k und 1 nach oben und werden abgeschaltet. Es besteht

— 7 —

909886/0570

nun die Möglichkeit, das Werkstück nach der Behandlung seitlich zu entnehmen« Nach einer angemessenen Pause kann sodann das werkstück in Wasser, öl, Emulsion,o.dgl. abgekühlt werden, um anschließend im Fabrikationsprozeß weiterverarbeitet zu werden.

Die Einrichtung ist so ausgebildet, daß für die Transformatoren einschließlich ihrer Induktoren nur eine gemeinsame, in ihrer Vorschubbewegung regelbare Vorschubeinrichtung erforderlich ist. Für den Transformator 1, einschließlich des Induktors ist eine mechanisch, pneumatisch oder elektrisch wirkende Kupplung vorgesehen, die es gestattet, diesen Transformator einschließlich des Induktors in jeder beliebigen Position anzuhalten, während Transformator k einschließlich Induktor 6 seine Bewegung mit der eingestellten Vorschubgeschwindigkeit fortsetzt· Bei Vertikalanordnung kann diese Funktion von einem einfachen Festanschlag wahrgenommen werden, auf den der Transformator 1 mit dem Induktor 3 aufläuft. Transformator k mit Induktor 6 setzt dann seine Abwärtsbewegung fort. Bei der Aufwärtsbewegung in Richtung des Pfeiles 11 übernimmt sodann der Transformator h mit dem Induktor 6 die Weiterbewegung des vorher am Feetanschlag zur Ruhe gekommenen Transformators 1 mit Induktor 3.

Bei Waagerechtanordnung dagegen kann es zweckmäßig sein, eine entsprechende Einrastvorrichtung vorzusehen, die sicherstellt, daß Transformator 1 mit Induktor 3 in der vorgewählten Stellung stehenbleibt, während Transformator k mit Induktor 6 seine Horizontalbewegung fortsetzt. Beim Eurückkommen des Transformators k muß dann entrastet werden, damit Transformator mit Induktor 3 vom Transformator h mit Induktor 6 weiter mitgenommen wird.

Bei der in der Abbildung gezeigten Einrichtung ist lediglich die Behandlung eines Werkstückes vorgesehen. Selbstverständlich können anstelle eines Werkstückes auch mehrere Werkstücke nebeneinander oder hintereinander angeordnet sein. Bs können dabei Induktoren verwendet werden, die gemeinsam an einen Transformator angeschlossen werden; es kann jedoch auch für

909886/0570

jedes Werkstück ein Induktor mit einem dazugehörigen Transformator vorgesehen sein.

9 09886/05 7 0

Claims

Patentansprüche

153395b

1. Verfahren zum Induktiven Wärmebehandeln von langgestreckten Werkstücken aus Stahl, die vorzugsweise stetig oder stufenförmig wechselnden Durchmesser aufweisen und in Achsrichtung neben oberflächengehärteten Zonen auch Zonen durchgreifender Vergütung erhalten sollen, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Werkstück entsprechend der Stärke der gewünschten Härtebzw, Vergütungszone in Achsrichtung einer ungleichförmigen induktiven Vorwärmung und anschließend einer induktiven Aufheizung und Abschreckung unterzogen wird, worauf gegebenenfalls die gehärteten Zonen entspannt und die zu vergütenden Zonen angelassen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß durch einen Induktor während des Hinlaufes eine ungleichmäßige Vorwärmung, während des Rücklaufes eine Härtung und während eines weiteren Hinlaufes das Entspannen bzw. Anlassen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 zur fortschreitenden induktiven Wärmebehandlung von zylindrischen Werkstücken, die an einer Stelle im gesamten Volumen zu vergüten und auf ihrer verbleibenden Länge oberflächenzuhärten sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Induktoren verwendet werden, von denen zunächst zwecks Vorwärmen einer eine tiefgreifende Erhitzung der Vergütungsstelle zeugt, während ein anderer Induktor in vom ersten Induktor entfernter Endstellung eine Oberflächenhärtung beginnt, diese über die Vergütungsstelle hinaus unter Wegführen und Abschalten des ersten Induktors fortsetzt und das anschließend für das Entspannen bzw. Anlassen der Werkstückzonen die Bewegung der Induktoren ohne Abschrek» kung wiederholt wird.

909886/0570

k. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ' ein Transformator mit einem an diesem befestigten Induktor relativ zum Werkstück über die Länge der wärmezubehandelnden Zonen verschiebbar vorgesehen und dieser mit einer Vorschubeinrichtung versehen ist, die im Bereich der zu vergütenden Zonen eine Verlangsamung oder eine wiederholte kurzfristige Umkehr oder den Stillstand des Vorschubes ermöglicht.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und k_t dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor mit einer von der Vorschubregelung abhängigen oder unabhängigen Regelung der Leistung und/oder Frequenz ausgerüstet ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß beide Induktoren mit einer gemeinsamen, in ihrer V^rschubgeschwindigkeit regelbaren Vorschubeinrichtung gesehen sind.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer dez Induktoren mit einer mechanisch, pneumatisch oder elektrisch wirkenden Kupplung, die sein Anhalten an einer vorgewählten Stelle bei unveränderter Vorschubbewegung des anderen Induktors gestattet, versehen ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 71 dadurch gekennzeichnet, daß ein Induktor mit einer Abschreckbrause versehen ist«

909886/0570