DE1533955B2 - Verfahren und vorrichtung zur induktiven waermebehandlung von werkstuecken aus stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die induktive Wärmebehandlung von im wesentlichen rotationssymmetrischen Werkstücken aus Stahl, die einen stetig oder stufenförmig wechselnden Durchmesser aufweisen.

Es ist bereits 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 Vorschubgeschwindigkeit eine Zone erhöhter Temperatur im Werkstück, deren Tiefe bei konstanter Frequenz von Leistung und Einwirkzeit bzw. Vor-Schubgeschwindigkeit abhängig ist.

Ein solches Verfahren zum induktiven Vorschubhärten von im wesentlichen rotationssymmetrischen Werkstücken ist z.B. aus der deutschen Patentschrift 755 111 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein aus zwei Induktorschleifen bestehender Induktor in axialen Vorschub relativ zum Werkstück geführt. Dabei können verschiedene Bereiche des Werkstückes unterschiedlich behandelt bzw. nach dem Oberflächenhärten kann mit demselben Induktor ein Anlaßvorgang vorgenommen werden. Bei einem aus der USA.-Patentschrift 2 845 377 bekannten Verfahren wird zum induktiven Vorschubhärten eine Induktoreinheit verwendet mit zwei Induktoren, von denen jeder-über einen separaten Transformator gespeist ist und von denen der eine zum Aufheizen der Härtezone dient und der andere dazu, die Heizzone bis zum Abschrecken auf Härtetemperatur zu halten.

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 so vorgegangen, daß das Werkstück mit dem zu vergütenden Ende als erste in den Induktor eingefahren wird und nun bei langsamer Vorschubgeschwindigkeit oder im Stillstand eine Aufheizung des Werkstückendes bei relativ kleiner Leistungsdichte so lange erfolgt, bis dieses bis in den Kern auf Härtetemperatur aufgeheizt ist. An die Stelle der Aufheizung im langsamen Vorschub oder Stillstand kann auch eine Aufheizung mit reversierendem Vorschub treten. Die lediglich in der Oberfläche zu härtende Zone des Werkstückes wird anschließend mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit, gegebenenfalls bei Verminderung der spezifischen Heizleistung, induktiv erhitzt, wobei .gleichzeitig 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 etwa 200 bis 250° C gebracht. Das zu vergütende Werkstückende dagegen wird im Stillstand, bei langsamem Vorschub oder bei reversierender Bewegung des Induktors auf eine Temperatur von 400 bis 650° C erwärmt, wobei die Temperaturhöhe von der jeweiligen Stahllegierung und der gewünschten Vergütungsfestigkeit abhängt. Anschließend wird das Werkstück der Behandlungseinrichtung entnommen

und kann der weiteren Verarbeitung 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 Werkstücke in zwei Operationen derart behandelt, daß erst das Werkstück einer Oberflächenhärtung, meist im kontinuierlichen Verfahren, unterzogen und anschließend ein durchgreifendes Härten 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.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, zur induktiven Wärmebehandlung von im wesentlichen rotationssymmetrischen Werkstücken aus Stahl, die einen stetig oder stufenförmig wechselnden Durchmesser aufweisen und neben oberflächengehärteten Zonen auch Zonen durchgreifender Vergütung erhalten sollen, wobei ungewünschte Spannungszustände in den Grenzbereichen zwischen gehärteten und vergüteten Zonen weitgehend vermieden und die Behandlungszeit gegenüber bekannten Verfahren verringert wird.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst, daß dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Wärmebehandlung eines Werkstückes, welches am ersten Ende seines wärmezubehandelnden Bereiches eine durchgreifend zu vergütende Stelle und jenseits des zweiten Endes dieses Bereiches eine Stelle mit einem maximalen Werkstückdurchmesser größer als die Innendurchmesser der verwendeten Induktoren aufweist, zunächst der erste Induktor in Heizposition über der zu vergütenden Werkstückstelle und der zweite Induktor in eine Ausgangsstellung am genannten zweiten Ende des Wärmezubehandelnden Werkstückbereiches gebracht wird, daß nach Einschalten der Induktorströme der erste Induktor eine durchgreifende Erwärmung der zu vergütenden Stelle erzeugt, während der zweite Induktor, der mit einer Abschreckbrause verbunden ist, sich von seiner Ausgangsstellung in Richtung auf das genannte erste Ende zu bewegend eine Oberflächenhärtung der von ihm überstrichenen Werkstückzonen bewirkt und diese über die Vergütungsstelle hinaus unter Wegführen und Abschalten des ersten Induktors fortsetzt. Dabei kann vorteilhaft der Induktorstrom des ersten Induktors eingeschaltet werden, bevor der zweite Induktor seine Ausgangsposition erreicht hat.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verfahren ferner dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Vergüten bzw. Oberflächenhärten für ein Entspannen bzw. Anlassen des Werkstückes eine induktive Wärmebehandlung mit denselben Induktorpositionen bzw. -bewegungen wie beim vorhergehenden Vergüten und Oberflächenhärten jedoch ohne Abschreckung ausgeführt wird.

Die genannte, der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch eine zur Durchführung des erfinderischen Verfahrens dienende Vorrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß jeder der beiden Induktoren auf an sich bekannte Weise an

ίο einem zugehörigen Transformator befestigt ist, daß für die Bewegung der so gebildeten Transformator-Induktoreinheiten in Richtung der Werkstückachse eine gemeinsame Vorschubeinrichtung vorgesehen ist mit einer mechanisch, pneumatisch oder elektrisch wirkenden Kupplung, die ein Anhalten des ersten Induktors an einer längs des Werkstücks vorgewählten Stelle bei gleichzeitiger Weiterbewegung des zweiten Induktors gestattet.

An Hand der Zeichnung soll die schematisch dargestellte Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren näher erläutert werden. Das wärmezubehandelnde Werkstück? weist an seinem einen Ende einen Zapfen 8 und an seinem anderen Ende einen Flansch 10 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 Wasserkühlung dargestellt. Er kann aber auch ein- oder mehrwindig ausgebildet sein. Außerdem ist es zweckmäßig — wie an sich - bekannt — eine Wasserkühlung in dem kupfernen Induktor anzubringen. Es ist weiter ein Transformator 4 vorgesehen, der über einen Flansch 5 den Induktor 6 einspeist, der ebenfalls der Einfachheit halber als einwindiger zylindrischer Induktor dargestellt ist. Auch hier kann es sich um einen ein- oder mehrwindigen Induktor, gegebenenfalls unter Verwendung von Magnetjochen handeln, der ebenfalls 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 4 die gleiche sein soll. Selbstverständlich können beide auch mit einem Strom unterschiedlicher Frequenz gespeist sein.

Das Werkstück? ist mit dem bereits erwähnten Gewindezapfen 8 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 4 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 Ubergangsbereich zum Flansch 10.

Während der Vorheizbehandlung des Zapfens durch den Induktor 3 beginnt die Härtung des Schaftes zunächst mit einer Stillstandsaufheizung im Bereich des Überganges zum Flansch 10 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 6 bei seiner Aufwärtsbewegung in Richtung des Pfeiles 11 den Induktor 3 ohne Abschreckbrause erreicht, so nimmt der Induktor 6 bzw. der Transformator 4 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 3 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 im Bereich des Zapfens 8 festgehalten wird. Der Induktor 6 bewegt sich in Richtung des Pfeiles 14 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 3 berührt, fahren beide Induktoren 6 und 3 mit ihren Transformatoren 4 und 1 nach oben und werden abgeschaltet. Es besteht nun die Möglichkeit, das Werkstück nach der Behandlung seitlich zu entnehmen. Nach einer angemessenen Pause kann sodann das Werkstück in Wasser, öl, Emulsion od. 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 3 ist eine mechanisch, pneumatisch oder elektrisch wirkende Kupplung vorgesehen, die es gestattet, diesen Transformator einschließlich des Induktors in jeder beliebigen Position anzuhalten, während Transformator 4 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 4 mit Induktor 6 setzt dann seine Abwärtsbewegung fort. Bei der Auf-

ao wärtsbewegung in Richtung des Pfeiles 11 übernimmt sodann der Transformator 4 mit dem Induktor 6 die Weiterbewegung des vorher am Festanschlag 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 4 mit Induktor 6 seine Horizontalbewegung fortsetzt. Beim Zurückkommen des Transformators 4 muß dann entrastet werden, damit Transformator 1 mit Induktor 3 vom Transformator 4 mit Induktor 6 weiter mitgenommen wird.

Bei der in der Abbildung gezeigten Einrichtung ist lediglich die Behandlung eines Werkstückes vorgesehen. Selbstverständlich können an Stelle eines Werkstückes auch mehrere Werkstücke nebeneinander oder hintereinander angeordnet sein. Es können dabei Induktoren verwendet werden, die gemeinsam an einen Transformator angeschlossen werden; es kann jedoch auch für jedes Werkstück ein Induktor mit einem dazugehörigen Transformator vorgesehen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur induktiven Wärmebehandlung von im wesentlichen rotationssymmetrischen Werkstücken aus Stahl, die einen stetig oder stufenförmig wechselnden Durchmesser aufweisen und neben oberflächengehärteten Zonen auch Zonen durchgreifender Vergütung erhalten sollen, mit Hilfe von zwei ein- oder mehrwindiger Induktoren, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmebehandlung eines Werkstückes, welches am ersten Ende seines wärmezubehandelnden Bereiches eine durchgreifend zu vergütende Stelle und jenseits.des zweiten Endes dieses Bereiches eine Stelle mit einem maximalen Werk-Stückdurchmesser größer als die Innendurchmesser der verwendeten Induktoren aufweist, zunächst der erste Induktor in Heizposition über der zu vergütenden Werkstückstelle und der zweite Induktor in eine Ausgangsstellung am genannten zweiten Ende des wärmezubehandelnden Werkstückbereiches gebracht wird, daß nach Einschalten der Induktorströme der erste Induktor eine durchgreifende Erwärmung der zu vergütenden Stelle erzeugt, während der zweite Induktor, der mit einer Abschreckbrause verbunden ist, sich von seiner Ausgangsstellung in Riehtung auf das genannte erste Ende zu bewegend eine Oberflächenhärtung der von ihm überstrichenen Werkstückzonen bewirkt und diese über die Vergütungsstelle hinaus unter Wegführen und Abschalten des ersten Induktors fortsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktorstrom des ersten Induktors eingeschaltet wird bevor der zweite Induktor seine Ausgangsposition erreicht hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Vergüten bzw. Oberflächenhärten, für ein Entspannen bzw. Anlassen des Werkstückes eine induktive Wärmebehandlung mit denselben Induktorpositionen bzw. bewegungen wie beim vorhergehenden Verguten und Oberflächenhärten jedoch ohne Abschreckung ausgeführt wird. '

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Induktoren auf an.sich bekannte Weise an einem zugehörigen Transformator befestigt ist, daß für die Bewegung der so gebildeten Transformator-Induktoreinheiten in Richtung der Werkstückachse eine gemeinsame Vorschubeinrichtung vorgesehen ist mit einer mechanisch, pneumatisch oder elektrisch wirkenden Kupplung, die ein Anhalten des ersten Induktors an einer längs des Werkstücks vorgewählten Stelle bei gleichzeitiger Weiterbewegung des zweiten Induktors gestattet.