DE2301717B1 - Verfahren und vorrichtung zur waermebehandlung von werkstuecken, insbesondere getriebebauteilen hoher lebensdauer und grosser wechselfestigkeit - Google Patents

Description

• Weiterhin kennt man das Flamm- oder Autogenhärten, bei dem Werkstücke mit einem Kohlenstoffgehalt von über 0,4 ovo dadurch gehärtet werden können, daß man die Oberfläche durch eine heiße Flamme rasch auf Härtetemperatur erhitzt und anschließend abschreckt, bevor die Wärme bis in den Kern vorgedrungen ist. Das Flammhärten kann im Umlaufverfahren durchgeführt werden, bei dem das Zahnrad zwischen Brenner gedreht bis unter den Zahngrund austenitisiert und anschließend im Ölbad abgeschreckt wird. Das Flammhärten kann aber auch im Vorschubverfahren durchgeführt werden, bei dem die Zahnflanken im Einzelzahnverfahren gehärtet und anschließend abgeschreckt werden.
• Für das Härten von Verzahnungen ist schließlich auch noch das induktive Härten bekanntgeworden.
• Bei der Induktionsmethode wird das Werkstück mit einer Leiterschleife umgeben, die von mittel- oder hochfrequentem Wechselstrom durchflossen wird.
• Hierdurch werden in der Werkstückoberfläche Wirbelströme erzeugt, die zur erforderlichen Erwärmung führen. Das induktive Härten läßt sich ebenfalls im Umlauf oder im Einzelzahnverfahren durchführen.
• Beim Umlaufverfahren dreht sich das zu härtende Werkstück in einem Ringinduktor, wobei es bis unter den Zahngrund erwärmt wird. Durch das Induktionshärten im Umlaufverfahren läßt sich eine normale Verschleißhärte an den Zahnflanken und eine ausreichende Dauerfestigkeit im Zahnfuß erreichen. Beim Einzelzahnverfahren wird Zahn für Zahn des zu härtenden Zahnrades gehärtet, indem der Induktor und eine Abschreckbrause an der Werkstückoberfläche entlangfahren. Je nach der Zahnradbeanspruchung läßt sich bei der entsprechenden Auswahl der benutzten Frequenzen eine mehr oder weniger tiefe Härtezone an der Werkstückoberfläche erzielen.
• Auch das Induktionshärten, insbesondere im Einzelzahnverfahren ist sehr zeitaufwendig.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein zum Herstellen von Werkstücken, insbesondere Getriebebauteilen hoher Lebensdauer und großer Wechselfestigkeit geeignetes Verfahren zu entwikkeln, durch das vor allem bei Zahnrädern die Dauerfestigkeit und Zahnflankenfestigkeit bei einem Maximum an Gleitfestigkeit erhöht werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Werkstücke innerhalb eines luftdicht abgeschlossenen Raumes auf Härtetemperatur erwärmt werden und daß dem Raum während der Erwärmungszeit ein stickstoffabgebendes Mittel zugeführt wird. Dabei kann das stickstoffabgebende, beispielsweise gasförmige Mittel vorteilhafterweise gleichzeitig als Schutzgas dienen. Werden für die zu härtenden Teile üblich legierte Vergütungsstähle, wie z. B. 42 Cr Mo 4, 50 Cr Mo 4, 50 CrV 4 verwendet, so beträgt die Austenitisierungstemperatur 840 bis 8600 C, die somit gegenüber der beim Nitrieren üblichen Temperatur (500 bis 5400 C) wesentlich höher liegt, so daß der Stickstoff wesentlich leichter und schneller in die Werkstückoberfläche eindiffundieren kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren erhält man ein zunderfreies Werkstück mit einer maximalen Dauerfestigkeit von 45 bis 54HRc im Zahngrund, einer hohen Zahnflankentragfähigkeit infolge der völligen Durchhärtung der Verzahnung mit einer Härte von 58 + 3 HRc und eine maximale Widerstandsfähigkeit gegen Gleitverschleiß durch eine dünne zusätzliche Schutzschicht aus aufgesticktem Werkstoff mit einer der Stickstoffverbindung entsprechend hohen Härte. Selbst wenn diese Schutzschicht sehr dünn ist, so wird sie durch die darunterliegende tragende Schicht höherer Festigkeit gestützt, so daß sie nicht einbrechen und ausbröckeln kann und ein frühzeitiger Verschleiß vermieden wird, der sonst bei den normalen Nitrierverfahren bei höherer Belastung der Werkstücke oft eintritt.
• Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Erwärmung der zu härtenden Teile induktiv erfolgt und die zu härtenden Teile während der Erwärmung in Umlauf gehalten werden, d. h. das Härten im Umlaufverfahren durchgeführt wird. Auch ist es zweckmäßig, wenn der gesamte Härteablauf in Abhängigkeit von der Härtetemperatur gesteuert und automatisiert wird.
• Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einer gegenüber der Außenatmosphäre hermetisch abgeschlossenen, mit einem Anschluß für ein stickstoffabgebendes Mittel versehenen Glocke mit einem darin untergebrachten Energieübertrager zum Erwärmen der Werkstücke auf Härtetemperatur.
• Wenn die Glocke eine offene Bodenseite aufweist und in ihrer Arbeitsstellung mit ihrer unteren Kante bis unter das Niveau eines Abschreckmittelbades in einen Abschreckmittelbehälter absenkbar ist, dient das Abschreckmittel nicht nur zum Abschrecken der zu härtenden Teile, sondern gleichzeitig auch als Sperrflüssigkeit für das innerhalb der Glocke untergebrachte stickstoffabgebende Mittel.
• Der Energieübertrager ist beispielsweise als Induktor mit einer durch die Wand der Glocke nach außen geführten Heizleiterschleife und einem außerhalb der Glocke angeordneten Frequenzumformer ausgebildet, der Frequenzumformer kann auf einer Hubeinrichtung befestigt sein. Mittels dieser Hubeinrichtung kann der Frequenzumformer zusammen mit der Heizleiterschleife und der Glocke aus der Härtestellung in eine Ruhestellung oberhalb des Abschreckmittelbehälters gebracht werden, in welcher das inzwischen im Abschreckmittelbad abgeschreckte Werkstück der Härteanlage entnommen und ein neues Werkstück eingesetzt werden kann.
• Vorzugsweise ist das Werkstück innerhalb der Glocke auf einer kombinierten Dreh- und Hub ein richtung angeordnet. Mittels dieser kann das Werkstück während der Erwärmungszeit in Umlauf gehalten, nach dem Erhitzen in das Abschreckmittelbad abgesenkt und nach dem Abschrecken wieder in seine Ausgangsposition gebracht werden, in der es der Anlage entnommen werden kann.
• Die Glocke besitzt mindestens ein Fenster, um den Härtevorgang beobachten zu können. Der gesamte Härtevorgang kann aber auch durch Verwendung eines dem Fenster zugeordnetes, die Härtetemperatur des Werkstücks kontrollierendes, trägheitslos und berührungsfrei arbeitendes Meßgerät voll automatisch ablaufen. Auf diese Weise wird bei der jeweils verwendeten Frequenz ein überhitzen des Zahnkopfes oder des Zahngrundes unter allen Umständen verhindert.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine erfindungsgemäße Härtevorrichtung, in schematischer Darstellung, F i g. 2 einen Ausschnitt aus einem auf der Härtevorrichtung gehärteten Zahnrad.
• Die in F i g. 1 dargestellte Härtevorrichtung besitzt einen Abschreckmittelbehälterl, in dem sich Abschreckmittel 2 bis zum Niveau 3 befindet. Durch den Abschreckmittelbehälter 1 erstreckt sich in vertikaler Richtung ein Antriebszylinder 4, aus dessen oberem Ende eine Stange 5 herausragt. Die Stange 5 kann durch einen nicht dargestellten Antrieb sowohl in der angegebenen Pfeilrichtung in Umlauf gebracht als auch senkrecht angehoben und abgesenkt werden.
• Am oberen Ende der Stange 5 ist ein zu härtendes Werkstück, hier ein Zahnrad 6, befestigt. Zum Erwärmen des Zahnrades 6 auf Härtetemperatur dient eine Heizleiterschleife 7, die mit einem Frequenzumformel 8 in Verbindung steht, der durch mittelfrequenten oder hochfrequenten Wechselstrom betrieben werden kann.
• Die Heizleiterschleife 7 verläuft durch die Seitenwandung einer oberhalb des Abschreckmittelbehälters 1 angeordneten Glocke 9 hindurch. Die Glocke9 besitzt einen Anschluß 11 für eine Leitung 12, die mit einem Absperrhahn 13 und einem Ventil 14 versehen ist und zum Zuführen eines stickstoffabgebenden Mittels 10 in den Innenraum der Glocke 9 dient.
• Dieses stickstoffabgebende, vorzugsweise gasförmige Mittel 10 wird während der Erwärmung des Zahnrads 6 in die Glocke eingegeben, so daß es gleichzeitig als Schutzgas dient.
• In der mit ausgezogenen Linien dargestellten Stellung der Glocke9 wird deren offene untere Bodenseite bis unter das Niveau 3 des Abschreckmittelbades 2 abgesenkt, so daß das Abschreckmittel 2 in dieser Stellung der Glocke9 als Sperrflüssigkeit dient und somit verhindert, daß das stickstoffabgebende Mittel 10 aus der Glocke 9 entweichen kann. An der Oberseite der Glocke 9 ist ein Fenster 15 vorgesehen, über das ein berührungslos und trägheitslos arbeitendes Meßgerät 16 die Härtetemperatur des Werkstücks 6 kontrolliert. Das Meßgerät 16 ist an einem Arm 17 befestigt, der seinerseits am Abschreckmittelhehälter 1 fest angeordnet ist. Auf der gegenüber- liegenden Seite des Abschreckmittelbehälters 1 ist eine Hubvorrichtung 18 für den Frequenzumformer 8 angeordnet. Die Hubeinrichtung 18 besteht im wesentlichen aus einem Druckzylinder 19 und einer Führungsstange 21, die in zwei Lagerarmen 22 gleitbeweglich gelagert ist. Durch entsprechende Druckbeaufschlagung des Druckzylinders 19 kann der Frequenzformer 8 zusammen mit seiner Heizleiterschleife 7 und der Glocke 9 in die in Fig.1 gestrichelt dargestellte Stellung angehoben werden.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt: In der geöffneten Stellung der Härteanlage, in der die Glocke 9 ihre obere Stellung einnimmt, wird das Werkstück 6 auf die ausgefahrene Stange 5 gelegt. Danach wird der Frequenzumformer8 zusammen mit der Heizleiterschleife 7 und der Glocke 9 mittels der Hubeinrichtung 18 in die mit ausgezogenen Linien dargestellte Härtestellung verfahren.
• Während dann das Werkstück 6 über die Heizleiterschleife 7 auf Härtetemperatur erwärmt wird, wird gleichzeitig über die Leitung 12 und den Anschluß 11 das stickstoffabgebende Mittel 10 in den Innenraum der Glocke 9 eingeleitet. Dabei wird die Härtetemperatur über das Meßgerät 16 kontrolliert. Der gesamte Härteablauf läuft vollautomatisch ab. Sobald die Härtetemperatur erreicht ist, wird das Werkstück 6 mit Hilfe der Stange 5 nach unten in den Abschreckmittelbehälterl in die gestrichelt dargestellte Position abgesenkt und dabei abgeschreckt. Danach werden der Frequenzumformer 8 und die Glocke9 über die Hub einrichtung 18 hochgefahren, worauf das Werkstück 6 dann auch wieder nach oben gefahren wird und aus der Anlage entnommen werden kann.
• Wie aus Fig. 2 hervorgeht, erhält man unter Anwendung der Erfindung ein gehärtetes Zahnrad 6, bei dem die Härtetiefe bis weit unter den Zahngrund reicht. Durch die Stickstoffauftragung erhält man ferner auf den Zahnoberflächen eine Schicht, die einen guten Schutz gegen Gleitverschleiß bietet.

Claims (11)

1. Patentanprüche: 1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken, insbesondere Getriebebauteilen hoher Lebensdauer und großer Wechselfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke innerhalb eines luftdicht abgeschlossenen Raumes auf Härtetemperatur erwärmt werden und daß dem Raum während der Erwärmungszeit ein stickstoffabgebendes Mittel zugeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der zu härtenden Werkstücke induktiv erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu härtenden Werkstücke während der Erwärmung in Umlauf gehalten werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruchl bis3, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Härteablauf in Abhängigkeit von der Härtetemperatur gesteuert und automatisiert wird.
5. 5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine gegenüber der Außenatmosphäre hermetisch abgeschlossene, mit einem Anschluß (11) für ein stickstoffabgebendes Mittel (10) versehene Glocke (9) mit einem darin untergebrachten Energieübertrager (7) zum Erwärmen der Werkstücke auf Härtetemperatur.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glocke (9) eine offene Bodenseite aufweist und in Arbeitsstellung mit ihrer unteren Kante bis unter das Niveau (3) eines Abschreckmittelbades (2) in einen Abschreckmittelbehälter (1) absenkbar ist.
7. 7. Vorrichtung nach AnspruchS oder6, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieübertrager (7) als Induktor mit einer durch die Wandung der Glocke (9) nach außen geführten Heizleiterschleife (7) und einem außerhalb der Glocke (9) angeordneten Frequenzumformer (8) ausgebildet ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis7, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumformer (8) auf einer Hubeinrichtung (18) angeordnet ist.
9. 9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück innerhalb der Glocke (9) auf einer kombinierten Dreh- und Hubeinrichtung (4, 5) angeordnet ist.
10. 10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Glocke (9) mindestens ein Fenster (15) aufweist.
11. 11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10, gekennzeichnet durch ein dem Fenster (15) zugeordnetes, trägheitslos und berührungsfrei arbeitendes, auf das Werkstück gerichtetes Temperaturmeßgerät (16).

    Im Maschinenbau, insbesondere Getriebebau, werden vielfach Werkstücke hoher Lebensdauer und großer Wechselfestigkeit gefordert. Zu solchen Teilen gehören beispielsweise Zahnräder, die sehr oft hohe Kräfte zu übertragen haben und im wesentlichen zwei Beanspruchungen ausgesetzt sind, nämlich einerseits der sogenannten Zahnflankenbelastung, die in Richtung des Eingriffs zweier Zähne als Druckkraft wirkt und mit einer gewissen Gleiterscheinung der beiden Zahnflanken der miteinander kämmenden Zähne aufeinander verbunden ist, und andererseits einer Dauerwechselbelastung, die in ihrer zulässigen Größe von der Härte im Zahngrund abhängig ist.

    Die Zahnflankentragfähigkeit richtet sich nach der sogenannten Hertzschen Pressung und setzt eine bestimmte Härtetiefe voraus, um die Belastung unterhalb der Zahnflankenoberfläche aufnehmen zu können. So ist es bekannt, daß ein durch Pittings oder Grübchenbildung bedingter Verschleiß der Zahnflankenoberfläche bereits verhindert werden kann, wenn die Zahnflankenoberfläche eine Härte von 58 l 3 HRc (Härteprüfung nach Rockwell) aufweist.

    Bei einer vergleichsweise großen Härte wird auch der Gleitverschleiß herabgesetzt, der sich durch einen gewissen Schlupf der sich überdeckenden Zahnflanken ergibt. Schließlich ist es auch bekannt, daß die Zahnfußdauerfestigkeit einen maximalen Wert erreicht, wenn der Zahngrund eine Härte von 450 bis 500 HV (Härteprüfung nach Vickers) aufweist.

    Um die Zähne von Zahnrädern gegen die auftretenden Beanspruchungen widerstandsfähig zu machen, bedient man sich der verschiedensten Härteverfahren, bei denen eine möglichst harte Oberfläche bei zähem Kern angestrebt wird. Man spricht daher bei diesen Verfahren vom Oberflächenhärten, wozu auch das Einsatzhärten gehört. Hierbei wird legierter oder unlegierter Stahl mit niederem C-Gehalt verwendet. Bei Härten der Zähne von Zahnrädern wird den Zahnflankenoberflächen Kohlenstoff von außen zugeführt, der nach dem Austenitisieren und Abschrecken zu einer martensitischen, gehärteten und tragenden Verschleißschutzschicht führt. Dieses Anreichern mit Kohlenstoff ergibt je nach Abhängigkeit der angewendeten Temperatur und der Behandlungszeit eine bestimmte Einhärtetiefe an den Zahnflanken. Für große Einhärtetiefen ist eine relativ lange Eindringzeit für den Kohlenstoff notwendig.

    Das Einsatzhärten ist daher sehr aufwendig, und es hat darüber hinaus den Nachteil, daß bei vergleichsweise großen Einhärtetiefen eine entsprechend große Deformation an dem gehärteten Werkstück eintritt.

    Die Werkstücke müssen daher in der Regel nachträglich bearbeitet, beispielsweise geschliffen werden.

    Ein weiteres Oberflächenhärteverfahren ist das sogenannte Nitrieren, bei dem die Randzonen des Werkstücks mit Stickstoff angereichert werden. Das Nitrieren wird bei einer Temperatur von 500 bis 5400 C durchgeführt und setzt in der Regel besondere Werkstoffe voraus. Durch das Eindiffundieren von Stickstoff in die Stahloberfläche wird eine große Verschleißhärte und damit eine Verminderung des Gleitverschleißes erzielt. Die bekannten Nitrierverfahren erfordern ebenfalls lange Behandlungszeiten und sind bei den erforderlichen Temperaturen von 5400 C nicht ganz verzugsfrei durchzuführen, es sei denn, daß die Anlaßtemperatur des verwendeten Werkstoffs schon in der Nähe dieser Nitriertemperatur liegt.