DE1901701A1

DE1901701A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Gefuegeausbildung von induktiv oberflaechengehaerteten Stahlteilen

Info

Publication number: DE1901701A1
Application number: DE19691901701
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Friedhelm Reinke; Dr-Ing Gerhard Seulen; Edgar Stengel
Original assignee: AEG Elotherm GmbH
Current assignee: SMS Elotherm GmbH
Priority date: 1969-01-15
Filing date: 1969-01-15
Publication date: 1971-01-21
Also published as: DE1901701B2; FR2028325A1; GB1233633A; US3682721A

Description

AEG-El ο therm GmbH. 1 Q Π 1 7 Π

Remscheid-Hasten
Hammesberger Str. 31

Remscheid-Hasten, den 31· Juli I968 Bö/kr

Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Gefügeausbildung von induktiv oberflächengehärteten Stahlteilen.

Die Anmeldung bezieht sich auf das Verbessern der Gefügeausbildung in induktiv oberflächengehärteten Stahlteilen.

Bei der Oberflächenhärtung durch induktives Erwärmen mit im Werkstück induzierten Strömen und anschließendem Abschrecken kann es vorkommen, daß die Gefügeausbildung in der gehärteten Zone nioht gleichmäßig ist, wenn vor dem eigentlichen Härtevorgang das Auegangsgefüge ungleichmäßig war. Solche Ungleichmäßigkeiten können beispielsweise eintreten, wenn Stahlteile zum Verformen lediglich partiell auf Schmiedetemperatur erwärmt worden sind und diese Bereiche unkontrolliert abgekühlt

ä werden. ™

Es kann auch geschehen, daß zur Gänze erwärmte Teile durch ungleichmäßiges Abkühlen, Insbesondere was die Dauer der Abkühlung betrifft, ein unterschiedliche« Ausgangsgefüge annehmen. Dabei ist die Bildung von Zwiechenstufengefüge und/oder Perlit für die anschließende Oberflächenhärtung im wesentlichen nioht stSrend. Venn sieh jedooh in stärkerem Maße ein fsrrltisehsi Gefü^e ausbildet, so ist bsi der relativ geringen Austeni^isierunesÄeit wahrend der induktiven erwärmung

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zum anschließenden Härten eine gleichmäßige Anreicherung des Austenits nicht in jeden Falle sichergestellt· Als Ergebnis dieses heterogenen Austenits ergibt sich ein Hartβgefüge, das einen relativ hohen Anteil Zwischenstufengefüge enthält. Die praktische Folge hierbei ist, daß die Härtewerte in diesen Gebieten von dem gewünschten Maß nach unten abweichen, wodurch Verschleiß- und/oder Dauerfestigkeit ungünstig beeinflußt werden·

Besonders ungünstig wirken sich diese Ungleichmäßigkeiten aus, wenn es sich um Teile handelt, die in starkem Maße auf Dauerfestigkeit beansprucht sind· Beispielsweise bei langgestreckten Wellen, d.h. Seitenwellen, Hinterachswellen, Triebwellen, wie sie ie Automebilbau verwendet werden, treten Torsionsbrüche regelmäßig in den Verkstüekgebieten auf, in denen die Festigkeit aufgrund des ungenügenden Gefügebildeβ nach unten abweicht.

TJm diese erkannten Nachteile zu vermeiden, wird nachfolgend ein neues Verfahren für das induktive Oberflächenhärten von aus Vergütungsstahl hergestellten Werkstücken vorgeschlagen«

Die Anmeldung betrifft somit ein Verfahren zur Verbesserung der Gefügeausbildung von langgestreckten induktiv Oberflächengehärteten Stahl teilen, wie Achswellen, Seitenvellen und dgl.

Erf indungsgemäß werden de Werkstücke zunächst in der später zu härtenden Zone in einer Gesamtflächenerwärmung induktiv auf eine Temperatur oberhalb des AC3-Punktes erwärmt und anschließend erfolgt eine Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb de· AC₁-Punktes in der Weise, daß das Gefüg· des Stahles nach der Abkühlung aus Perlit oder Zwisehenstufengefüge besteht und danach werden die Werkstücke erneut induktiv auf eine Temperatur oberhalb des AC3-Punktes aufgeheizt und aus dieser Hitze in an sieh bekannter Weise zwecks Härtens mittels Wasser, Ol oder Emulsion abgeschreckt.

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Din besonderer Vorteil dee neuen Verfahren· liegt darin, daß die Abkühlung naoh dem ersten Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb AC3 dadurch beschleunigt wird, daß der kalte Kern des Werkstückes die Wärme aus den beheizten Zonen absaugt, irlhrend gleichzeitig von außen durch einen Luftstrom oder einen Luftflüssigkeitsnebel die Abkühlung durchgeführt wird. Nach dea anschließenden Wiederaufheizen der zu härtenden Zonen auf Temperaturen oberhalb AC3 hat dann der Kern infolge seiner erhöhten Temperatur eine reduzierte Festigkeit· Beim anschließenden Abschrecken bildet sich zunächst in den Oberflächenschiohten Martensit. Dabei setzt der Kern reduzierter Festigkeit den durch die Martensitbildung bedingten Druckspannungen in den M Übergangszonen einen geringeren Widerstand entgegen, wodurch, die -verbleibenden Zügspannungen dort geringer sind als in dem Fall, wo die Kernfestigkeit nicht herabgesetzt war, weil die aufzubringenden Kräfte sich auf größere Bereiche des Kernes verteilen.

Wenn das vorgeschlagene Verfahren auf langgestreckte Werkstücke angewendet wird, die entweder vor der Wärmebehandlung schon einen Verzug aufweisen oder aber dazu neigen, sich während des Härtens zu verziehen, dann wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, daß während des zweimaligen Aufheizens und während der Abkühlung bzw. Abschreckung die Werkstücke einem Riohtprozeas unterworfen werden· Dabei sollen die f Werkstücke während der Wärmebehandlung rotieren und mit Hilfe von auf der Oberfläche der Werkstücke aufgesetzten Riehtrollen mit einer radial zur Werkstückaohse gerichteten mechanischen Vorspannung versehen werden·

Wegen der erhöhten Kerntemperatur und der daraus bedingten reduziertem Festigkeit des Werkstüokkernes ist der Richtvorgamg wesentlieh erfolgreicher als bei völlig kaltem Kern. Außerdem entstehen geringere Riehtspannungen als beim kalkgerichteten Teil.

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Die Durchführung d«e vorgeschlagenen Verfahrene let an sich nicht an eine bestimmte Vorrichtung gebunden· Es kann jedoch in vorteilhafter Weise gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ausgeführt werden durch eine ait mindestens fünf Bearbeitungsstationen ausgerüstete Maschine, die mit einem mindestens fünfarmig ausgebildeten und mit Pinolenpaaren versehenen Trägerstern versehen ist« Die Maschine weist zur Durchführung der Wärmebehandlung eine Lade/Entlade station, zwei Heizstationen und zwei Kühletationen auf.

Das neue Verfahren ist aber ebenso durchführbar mit zwei mindestens je drei Bearbeitungsstationen ausgerüsteten Maschinen, welche zum Transport der Werkstücke mit einem Trägerstern versehen sind, der mindestens dreiarmig ausgebildet und mit drei Pinolenpaaren versehen ist· Die beiden Maschinen können in geeigneter Weise nebeneinander oder hintereinander angeordnet sein· Die Maschine zur Durchführung der Wärmebehandlung weist eine Lade/Entladestation, eine Heizstation und zwei Kühletationen auf* Die Härtemaschine dagegen weist eine Ladestation, eine Heizstation und eine Absehreok-/Sntladestation auf* Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend in Zuhilfenahme der Abbildungen 1 bis h erläutert·

Abb· 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil eines Trägereternes«

Abb. 2 zeigt - stark schematisiert - die Seitenansicht der FünfStation-Maschine·

Abb. 3 zeigt - ebenfalls stark schematisiert - die Seitenansicht eines Trägersternes und

Abb· k zeigt - teilweise geschnitten - die Härtemaeohine·

Aus Abb« 1 ist zu erkennen» in welcher Weise das Werkstüok 1 in dem Trägerstern, in welehem es von einer Bearbeitungsstation zur anderen befördert wird, eingespannt ist« Ss ist in Abb« I nur ein Armpaar 2,2* des Trägersternes au erkennen, jedoch ist Jeder Trägerstern mit einer Zahl der Bearbeitungestationen

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entsprechenden Zahl von Armpaaren versehen· Da· Werkstück 1 ist zwischen den KSrnerspitzen des Pinolenpaares 3»3* eingespannt. Venn auf die Stange *t in Richtung des Pfeiles 5 ein Druck ausgeübt wird, dann werden die Pinolen zurüokgefahren und die KSrnerspitzen geben das Werkstück frei» Das Armpaar 2,2» des Trägersternes ist in Abb. 1 in der Weise gezeichnet, als ob sich das Werkstück in der Reizstation befinde. Deshalb ist das Werkstück auch unter dee Induktor 6 angeordnet.

Einzelheiten der Maschin· zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens sind aus Abb. 2 ersichtlich. Bei 27 soll die Lade/ Entladestation vorgesehen sein, wo die zu behandelnden Werk- ύ stücke dem Trägerstern übergeben bzw. nach erfolgter Behandlung abgenommen werden. Bei 28 ist die Heizstation zur Durchführung der Wärmebehandlung vorgesehen, zu welcher das in der Ladestation 27 übernommene Werkstück zuerst gelangt, wenn der Trägerstern in Richtung des Pfeiles 29 einmal durchgeteilt worden ist· Nach einem weiteren Durchteilen des Trägersternes gelangt das Werkstück 1 in die Kühlstation 3o, wo es der Kühlwirkung der mit Luft oder einem Flüssigkeitsgasgemisch gespeisten Brause 11 ausgesetzt wird« Danach gelangt das Werkstück in die zweite Heizstation 31, wo das Werkstück erneut, diesmal zum Zweck des Oberflächenhärten· induktiv durch den Induktor 6 aufgeheizt wird« Nach diesem Aufheizen wird das Werkstück durch ein weiteres Durchteilen des Trägersternes in ™ da· Abschreckbad abgesenkt, dessen Pegel durch 32 gekennzeichnet ist· Das Werkstück gelangt in die Absohreckstation 33» in der eine zusätzliche Brause angeordnet sein kann. Nach erfolgter Absobreekung kann da· Werkstüok sogleich durch geeignete Maßnahmen, vie «ie «pater noch näher beschrieben werden, im Abschreckbad aus der Station 33 entnommen werden oder das Werkstück wird in der Station 27 entnommen, wohin es nach einem weiteren Durehteilen des Trägersternes gelangt. Das Verkstüok seil vornehmlich währen« der gesamtem Bebandlungezeit im Trägerstern im Rotation sein, wie dies duroh die Pfeile angedeutet ist« Außerdem ist an jedem Arm des Trägersternes mindestens ein Eichtrölleapaar Ik vergesehen, aas a*f die Werkstücke während

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der Wärmebehandlung und des Härtens eine radial zur Werkstückaohee gerichtete mechanische Riehtspannung ausübt·

Das vorgeschlagene Verfahren kann aber auoh getrennt in einer Vorwärmmaschine und einer Härtemasohine durchgeführt werden« Einzelheiten der Vorwärmmaschine sind aus Abb· 3 ersichtlich. Bei 7 soll die Ladestation vorgesehen sein, wo der Trägerstern die einer Wärmebehandlung zu unterziehenden Werkstücke übernimmt· Bei 8 ist die Heizstation vorgesehen, in welche das Werkstück aus der Ladestation 7 zuerst gelangt, wenn der Trägerstern einaal durchgeteilt worden ist· Nach einen weiteren Durchteilen des Trägersternes gelangt das Werkstück in die erste KUhIstation, wo es der Kühlwirkung der mit Luft oder eines Flüssigkeitsgasgemisch gespeisten Brause 11 ausgesetzt wird« Falls die Abkühlung in der zur Verfügung stehenden Taktzeit in der Station 11 nicht ausreichend bewerkstelligt werden konnte, kann diese in der Station 12 abgeschlossen werden· Danach gelangt das Werkstück wieder in die Station 7, wo es aus dem Trägerstern entnommen und alsdann der Härtemaschine zugeführt wird· Zum Zu- und Abführen der Werkstücke können an sieh bekannte Transportmittel wie FSrderketten oder dgl· verwendet werden« Das Werkstück soll vornehmlich während der gesamten Binspannzeit im Trägerstern in Rotation sein, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist· Außerdem ist an jedem Arm des Trägersternes mindestens ein Riehtrollenpaar vorgesehen, das auf die Werkstücke während der Wärmebehandlung und in entsprechender Weise auch während des Härtens eine radial zur Werketüokaohse gerichtete mechanische Riehtspannung ausübt. Die Richtrollenpaare sind bei Ik angedeutet·

Die induktiv· Härteanlage gemäfl Abb. k enthält als Kernstück einen Trage tern mit drei Spannstellen«

Das Werkstück wird in der Stellung V₁ an «er Spanne teile, naohdem es von der PBrderkette 15 »ur Ablage 16 transportiert werden ist, zwischen «en Pinolen eingespannt. Mach dem Drehen des Trägersterms um einen entsprechenden Winkel - im verliegenden Fall 120* - gelangt es in der Stellung W₂, in der «loh in A»b. k gerade der Induktor d. WJ#fW j«M»J* *·■ Brhitsen des Werk-

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Stückes ie Induktor 6 auf Härtetemperatur wird der Trägerstern wiederum um einen entsprechenden Winkel weitergedreht, bis das Werkstück in das in dem Behälter 17 befindliche Absohreckmittel eintaucht·

Nach erfolgter Abschreckung wird das Werkstück in der Stellung V3, aus dem Tragerstern ausgespannt und von der Transportvorrichtung zur Entnahme aus dem Flüssigkeitsbehälter übernommen.

Die erfindungagemäße Transportvorrichtung besteht aus einem Winkelhebel 18, der an einem Snde eine Gabel 19 zur Aufnahme j| der Werkstücke bildet.

Das Werkstück wird in der Stellung W-j nach erfolgter Abschrekkung aus der Einspannung gelöst und aus dem Abschreckmittelbad herausgefordert. Dies wird dadurch ermöglicht, daß zum Zeitpunkt der Übergabe unterhalb der Spannetelle das gabelförmige Ende 19 des Winkelhebels 18 steht. Dieser ist gelenkig mit den zwei Schwenkhebeln 2o und 21 verbunden, welche an ihrem anderen Ende auf Je einer drehbaren Welle 22 und 23 befestigt sind. Der Schwenkhebel 2o ist in dem Winkel und der Schwenkhebel 21 an dem der Gabel 19 entgegengesetzten Ende des Winkelhebels 18 angelenkt. Eine der Wellen, z.B. die Welle 22, kann mit einem Antrieb versehen sein. Dieser Antrieb wird in Gang ™ gesetzt, sobald ein Werkstück in der Gabel 19 des Winkelhebels 18 abgelegt ist und dreht die Welle 22 und damit die Schwekhebel 2o,21 um etwa 60 Winkelgrade in die gestrichelt gezeichnete Stellung. Das in der Gabel 12 liegende Werkstück wird daauf d^_aJ*ahf»srai geradlinig verlaufenden strichpunktierten

bahn bogenförmig, wodurch das Werkstück selbsttätig aus der Gabel herausgleitet und auf die leicht abschüssige Rutsche fällt. Um zu verhindern, daß das Werkstück durch unsachgemäße Behandlung der Transporteinrichtung oder sonstige Zufälligkeiten vorzeitig aus der Gabel herausgleitet, ist die Rutsche 25 nach rückwärts bis in den Abeehreekbehälter hinein verlängert.

Da die Spitz· der Gabel 19 stets in geringster Entfernung über der verlängerten Rutsche entlanglauft, wird aber in jedes Fall das Zurückfallen des Werkstücke« in das Abechreckaittelbad verhindert.

Die Gabel 19 kehrt danach in ihre Ausgangsstellung unter die Spannstelle zurück. Haohden sie diese erreicht hat, wird nach Betätigung eines Endschalters die Bewegung unterbrochen. Die Antriebegeschwindigkeit der Transportvorrichtung miß jeweils so gewählt sein, daß die Zeit für Hin- und Rücklauf der Gabel stets kleiner ist, als die Taktzeit des Trägersterns, damit die Gabel 19 rechtzeitig vor dee Ausspannen des folgenden Werkstücks aus dem Tragerstern in der Stellung Vo wieder unter der Spannstelle steht. Zur Unterstützung der Abschreckung und zur Durehwirbelung des AbschreckBittelbades ist an der Ausspannstelle zusätzlich eine Brause 26 angeordnet.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Verbesserung der Gefügeausbildung von langgestreckten induktiv oberflächengehärteten Stahlteilen, vie Achswellen, Seitenwellen und dgl., dadurch gekennzeichnet, daß

die Verkstücke zunächst in der später zu härtenden Zone g in einer Geaamtflächenerwärmung induktiv auf eine Temperatur oberhalb des AC^-Punktes in der Veise erfolgt, daß das Gefüge des Stahles nach der Abkühlung aus Perlit oder Zwischenstufengefüge besteht, daß danach die Werkstücke erneut induktiv auf eine Temperatur oberhalb des AC3»Punktes aufgeheizt und aus dieser Hitze in an sich bekannter Waise zwecks Härten mittels Yasser, Ol oder Emulsion abgeschreckt werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des zweimaligen Aufheizens und während der Abkühlung bzw. Abschreckung die Werkstücke einem Richtprozess unterworfen werden. I

3. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der Wärmebehandlung rotieren und mit Hilfe von auf der Oberfläche der Werkstücke aufgesetzten Richtrollen mit einer radial zur Werkstüokachse gerichteten mechanischen Vorspannung versehen werden.

k. Verrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Patentanspraoaen 1 bis 3» gekennzeichnet dmreh eine mit mindestens

fünf Bearbeitungsetationen ausgerüstete Maschine, die mit einem mindestens fünfarmig ausgebildeten und mit Pinolenpaaren versehenen Trägerstern versehen ist.

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5· Vorrichtung nach Patentanspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine zur Durchführung der Wärmebehandlung eine Lade/Ent lade station (27), zvei Heiasetationen (28,31) und
zwei Kuhletationen (3o,33) aufweist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Patentansprüchen 1 bis 3» gekennzeichnet durch zwei mit mindestens je drei Bearbeitung»Stationen ausgerüsteten Haschinen, welche zuai Transport der Werkstücke mit einem Trägerstern versehen sind, der Mindestens dreiarmig ausgebildet und mit drei Pinolenpaaren versehen ist.

7· Vorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Masohine zur Durchführung der Wärmebehandlung eine Lade/Entladestation (7), eine Heizstation (8) und zwei
KühlStationen (9»lo) aufweist.

8. Vorrichtung nach den Patentansprüchen k bis 7, dadurch gekennzeichnet, dad die Kühletationen Mit einer die gesamte
Länge des Werkstückes überstreichenden, mit Luft oder mit
einem Flüssigkeitsgasgemisch gespeisten Brause (ll,12) versehen sind.

fe 9. Vorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Härtemaschine eine Ladestation (Vi), ein· Heizstation (¥2) und eine Abschreok/Sntladestation (¥3) aufweist.

10. Vorrichtung naoh den Patentansprüchen k und 9» dadurch gekennzeichnet, daß in der in einem Abschreckbad (17) gelegenen Absohreok/Sntladestation zusätzlich eine Absöhreokbrause angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 6, 9 und Io, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abschreckbad eine au· zwei geraden Hebeln (2o,2l) und eine« Kniehebel (l8) bestehende, die Werkstücke geradlinig au· dem Abs öhre okbad heraus befOrdernde Transporteinrichtung vorgesehen ist.

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Le e rse i te