DE2412982A1 - Verfahren zum kern- und/oder oberflaechenhaerten von stahl und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

• verfahren zum Xern- und/oder Oberflächenhärten von Stahl und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kern- und/oder Oberfläc'enhärten von BerdstücSen aus Stahl, bei dem das Werkstück beispielsweise in einem Ofen erhitzt und durch ein Aufkohlungsmedium aufgekohlt und anschließend in einem tühlbereich abgeschreckt wird.
• Je nach Verwendungszweck des Werkstückes ist es üblich, den Kern, die Oberfläche oder den Kern in Verbindung mit der Oberfläche zu härten. Bei einer Kernhärtung wird das Werkstück in einem Salzbad wärmebehandelt, dann je nach gewünschter Härte in Öl oder Wasser abgeschreckt und anschließend sur Beseitigung der Härtespannungen vergütet.
• Zur Erzielung einer harten Oberfläche werden die Werkstücke bai einem bekannten Verfahren auf einem Transportband durch einen Durchlaufofen geführt, der mit portband einem gasförmigen Kohlungsmittel, beispielsvveise einem Luft-Propan-Gemisch, beschickt wird, das auf -eine ententsprehend hohe Temperatur erhitzt wird. Das Propan zerfällt bei diesen Temperaturen teilweise an der Werkstückoberfläche, wobei Kohlenstoff frei wird, der in das Werkstück eindiffundiert. Auf diese Weise reichert sich die Randschicht des Werkstückes mit Kohlenstoff an und hat beim Verlassen des Ofens die für die zu erreichende Härte notwendige Kohlenstoffkonzeiitration. Unmittelbar nach dem Austritt aus dem Ofen wird das aufgekohlte Werkstück in Wasser, Ö1 Luft oder in einem Warmbad abgeschreckt, die die eigentlichen Härtebildner sind. Anschließend wird das .5Eerketück an Buft abgekühlt.
• Sollen die werkstücke bei hartem Kern eine noch härtere Oberflächenschicht aufweisen, so werden diese engere Zeit in einem C 5-Bad eingesetzt und danach eine Zartensithärtung durchgeführt. Danach schließt sich noch eine Vergütung an, um die SprOdigkeit des Werkstückes zu verringern.
• Diese bekannten Verfahren zum Härten von Stahl haben den Nachteil, daß sie einen großen Zeit- und Arbeitsaufwand benötigen. So ist beim Kern- und Oberflächenhärten je nach Kohlenstoffkonzentration, Temperatur und Einsatztiefe.eine Zeit von etwa 2 bis 3 Stunden erforderlich0 Besonders umständlich und zeitraubend ist das Verfahren zur Erzielung einer harten Oberfläche in Verbindung mit einem harten Kern. Hierzu sind mehrere Arbeitsgänge notwendig, so daß ein wirtschaftliches Arbeiten nur schwer zu erreichen ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß in den meisten Fällen ein Olbad als Härtebildner notwendig ist, wodurch die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Anlagen sehr aufwendig und damit teuer werden und außerdem einen erheblichen Raumbedarf haben.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kern- und/oder Oberflächenhärten von Werkstücken aus Stahl zu schaffen, bei dem die 7Zerkstücke auf einfache Weise wärmebehandelt werden können, ohne daß dazu aufwendige Anlagen oder langwierige Arbeitsgänge notwendig sind, so daß ein rationelles und damit wirtschaftliches Arbeiten ermöglicht ird.
• Nach der Brfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Aufkohlungsmedium aus einem Gasgemisch aus gereinigter Luft und Propan besteht, welches das Werkstück unter Druck umgitt, und daß das Werkstück anschließend im KUhlbereich durch das gleiche Gasgemisch a'ugeschreckt wird.
• Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein gegenüber den herkömmlichen Verfahren wesentlich einfacheres und schnelleres Härten möglich. Wie sich überraschend herausgestellt hat, können mit diesem neuen Verfahren bisher noch nicht erreichbare Härtewerte bei einem angelassenen Grundgefüge hergestellt werden. Der Verfahrensablauf ist denkbar einfach. Das Härtegut wird auf eilen Transportband durch einen Ofen und den Kühlbereich geführt. Der Ofen wird mit dem unter Druck stehenden gasgemisch aus gereinigter Luft und Propan beschickt, das vom Ofen aus in den Kthlbereich strömt und diesen ausfüllt. Dann wird das Gasgemisch im Ofen auf die entsprechende Austenitisierungstemperatur gebracht.
• Die Geschwindigkeit, mit der das Härtegut die Anlage durchläuft, wird entsyrenhend der gewünschten Härte eingestellt. Im Ofen wird das Härtegut auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt. Dabei zerfällt ein Teil des Propans an der Oberfläche des Härtegutes, wobei Konlenstoff frei wird, der in das Härtegut eindiffundiert. Das aufgekohlte Härtegut cgelrcngt unmittelbar anschließend an den Ofen in den Kühlbereich. Dort hat das Gasgemisch, das in diesem Bereich nicht aufgeheizt wird, eine wesentlich geringere Temperatur als im Ofen, so daß das Härtegut beim Eir.tritt in den Künlbereich durch das Gasgemisch abgeschreckt wird. Beim Austritt aus dem Kühlbereich ist das Härtegut so wärmebehandelt, daß eine Nachbehandlung, wie Vergüten oder dgl., nicht mehr notwendig ist.
• Durch Änderung des Druckes, der Bandgeschwindigkeit und der Konzentration des Gasgemisches können verschiedene Härtewerte erzielt werden, so beispielsweise durch Erhöhen des Druckes eine Härte steigerung. Außerdem kann auf gleiche Weise festgelegt werden, ob beispielweise eine Kernhärtung oder eine Kernhärtung mit gleichzeitiger Oberflächenhärtung erfolgen soll.
• Ein großer Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Zeitersparnis. So werden beispielweise für ein Einsatzhärten eines Stahles nach einem herkömmlichen Verfahren etwa 2 bis 3 Stunden benötigt, währena beim erfindangsgemäßen Verfahren eine Einsatzhärtung schon nach etwa 30 Minuten beendet ist. Dadurch können in der Zeiteinheit wesentlich höhere Stückzahlen gehärtet und damit die Herstellungskosten gesenkt werden.
• Für das Kern- und/oder Oberflächenhärten ist nur ein Arbeitsgang notwendig. Das Härtegut wird am Anfang der Anlage beispielsweise auf ein Transportband gelegt und fällt am Ende der Anlage fertig wärmebehancelt in bereitgestellte Behältnisse. Das Gasgemisch wird gleichzeitig als AufkohlurgsmitJel, als Wärmemedium und als Härtebildner verwendet. Durch-das Wegfallen von besonderen Härtebildnern, wie Öl-, Wasser- oder Warmbäder, ist die für dieses Verfahren verwendete Anlage einfach im Aufbau und im Vergleich zu den bei den bisher üblichen Verfahren benötigten Anlagen wesentlich billiger in der Anschaffung.
• Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Kern- und/oder Oberflächenhär4;en von Werkstücken aus Stahl.
• Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung gckennzeichnet durch eir.en Ofen und einen sich daran anschließenden Abkühlbereich, wobei im Ofen und im Abkühlbereich ein Transportmittel für das Werksbück vorgesehen ist.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung in schematischer Darstellung, Fig. 2 eine Seitenansicht der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung in schematischer Darstellung, Fig. 3 in einem Diagramm den Härteverlauf über dem Durchmesser eines kernzehärteten 34 CrNiMo 6-Stahles, und Fig. 4 in einem Diagramm den Verlauf der Härte über dem Durchmesser eines 34 CrNimo 6-Stahles nach einer Kernhärtung in Verbindung mit einer Oberflächenhärtung.
• Wie Fig. 1 und 2 zeigen, weist die Vorrichtung zur Durch führung des tiärteverfahrens ein über deren ganze Länge sich erstreckendes, endlos umlaufendes Transportband 1 auf, auf dem die zu härtenden Werkstücke durch die Vorrichtung geführt werden. Die Bandgeschwindigkeit kann mit einem Wechselgetriebe 2, das am Anfang der Transportbahn 1 vorgesehen ist, verändert werden. Das Transportband 1 durchläuft zunächst einen Ofen 3, in dessen Ofenraum eine Gasretorte 4 angeordnet ist, mit der das Gasgemisch in den Ofen-3 geführt wird. Die zur Gasmischung notwendige gereinigte Luft und das Propan.
• werden ivl getrennten Leitungen 5 und 6 von nicht dargestellten Vorratsbehältern zu einer Hauptleitung 7 geführt, die direkt mit der Gasretorte 4 verbunden ist.
• In dieser Hauptleitung 7sitzt ein Gasdruckmanometer 8, an dem der jeweilige Gasdruck des einzuführenden çasgemisches abgelesen werden kann. Die Menge der beiden Gasbestandteile und damit das Mischungsyerhältnis läßt sich mit Durchflußmessern kontrollieren. An den Ofen 3 schl@eßt sich der als Abkühlkanal 9 ausgebildete Kühlbereich an, in dem das Transportband 1 geführt ist und der etwa doppelt so lang ist wie der Ofen 3. Der Abkühlkanal 9 ist an seinem freien Ende offen, so daß die wärmebehandelten Werkstücke vom Transportband 1 in bereitgestellte Behälter am Ende der Bahn fallen können.
• Um eine Eernhartung durchzufübren, werden die Werkstücke, die bei diesem Ausführungsbeispiel aus 34 CrNiMo 6-Stahl mit einem rjlrchmesser von etwa 6 bis 10 mm bestehen, aii Anfang der Vorrichtung auf das Transportband 1 gelegt. Die Geschwindigkeit, mit der die iverketücke durch den Ofen 3 und den Abkühlkanal 9 geführt werden, richtet sich nach dem slerçstoff und der Gasmenge und beträgt im Ausführungsbeispiel 240 mm/min.. Durch die Retorte 4 wird das Gasgemisch, das aus gereinigter Luft und Propan. im Volumenverhältnis 1:1 besteht, mit einem bestimmten Druck, der je nach der su erzielenden Härte sowie der Ofengröße zwischen etwa 300 mm und 700 mm WS liegt, in den Ofen 3 eingeleitet. Im vorliegenden Beispiel wird ein Druck von 300 mm WS gewählt. Die Luft ist so gereinigt, daß sie nur noch aus einem Gemisch von Sauerstoff und Stickstoff bzw. aus Verbindungen der beiden Elemente untereinander besteht.
• Der Reinheitsgrad der Luft beträgt etwa 20 ppm bei einem maximalen Durchmesser der Schmutzteilchen von etwa 3 Vom Ofen 3 aus strömt das Gasgemisch in den Abkühlkanal 9, bis auch dieser vollständig mit dem Gasgemisch gefüllt ist. Das Gasgemisch wird im Ofen 3 auf eine Austenitisierungstemperatur zwischen 11200 und 1400 C aufgeheizt. Dieser Temperaturbereich ist deshalb von Bedeutung, weil dadurch ein Härten und Löten im gleichen Arbeitsgang möglich ist, ohne daß ein Zusatzgas verwendet werden muß. Beim Ausführungsbeispiel beträgt die Austenitisierungstemperatur 11400 C. Im Anfngsbereich des ^bkühlungskanales 9 ist das Gasgemisch schon so weit abgekühlt, daß es nur noch eine Temperatur zwischen etwa 8000 und 9000 C aufweist, die in Richtung auf das hintere Ende des Abkühlkanales 9 noch weiter abnimmt.
• Wenn der Ofen 3 und der Abkühlkana1 9 mit dem Gasgemisch gefüllt und die entsprechende Temperatur erreicht ist, werden die werkstücke in den Ofen 3 eingefahren.
• Das Werkstück wird in dieser Gasatmosphäre geglüht. Das bei diesem Mischungsverhältnis überschüssige Propan zerfällt bei diesen hohen Temperaturen an der Werkstückoberfläche, wobei Kohlenstoff frei wird, der in das Werkstück eindiffundiert. In dieser Gasatmosphäre bildet sich auch. Methan, aus dem durch Reaktion an der Werkstückoberfläche teilweise Wasserstoff abgesplten wird. Sowohl der Vjasserstoff als auch das Methan haben, wie sich in Versuchen gezeigt hat, bei diesen geringen auftretenden Mengen keinen Einfluß auf den Härtungsvorgang. Die C'aszusammensetzung im Ofenraum läßt sich mit Hilfe des Taupunktes kontrollieren. Um optimale Verhältnisse zu erreichen, sollte der Taupunkt -40 C bis -7° C betragen.
• Im Anschluß an den Ofen 3, in dem der 34 CrNiMo 6-Stahl etwa 5 min. geglüht wurde, wandert das Werkstück in den Abkühlkanal 9. Beim Eintritt in den Abkühlkanal 9 wird das Werkstück von der Austenitisierungstemperatur von 1140° C im Ofen 3 durch das Gasgemisch auf etwa 800° C bis 900° C abgeschreckt. Die Abschreckgeschwindigkeit ist über die Gasmenge bzw. den Gasdruck steuerbar. Sie wird so gewählt, daß direkt die Zwischenstufe erreicht wird. Das Werkstück durchläuft anschließend langsam den Abkühlkanal 9 und ist dabei ständig vom Gasgemisch umgeben. Im AusSü.hrungsbeispiel betrcigt die Verweilzeit im Abkühlkanal 9 etwa 15 min. . Am Ende des Kanales fallen die Werkstücke dann in bereitgestelltc Behälter.
• Wie die metallograDhische Untersuchung zeigt, weist das wärmebehandelte Werkstück ein vergütetes Martensitgefüge auf, das mit ZwischenstufengefWge durchsetzt ist.
• Dieses Gefügs ist für das Härten nach diesem Verfahren charakteristisch. Der Verlauf der Härte, wie er sich bei der beschriebenen Wärmebehandlung ergibt, in Abhängigkeit vom Werkstückdurchmesser ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei wurde die Härte in Rockwell angegeben.
• Sie liegt vom Kern bis zur Außenschicht des 34 Crìli».o 6-Stahles bei einem konstanten Wert von etwa 48 HRc.
• Diese Kernhärtung des Werkstückes wird durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches erzeugt. Dadurch wird verhindert, daß Wärme von der Ofenwand zum Werkstück gelangt, so daß die Wärmestrahlung sehr gering gehalten werden kann. Gleichzeitig kühlt die Gesmischung das Werkstück ab.
• Um eine Oberflächenhärtung in Verbindung mit einer Kernhärtung durchführen zu können, muß der Gasdruck und damit die Gas-menge erhöht werden. Dadurch entsteht an der -iler1rstückoberfläche im Ofen 3 mehr freier Kohlenstoff, so daß auch ene höhere Oberflächenhårte erzielt werden kann. Dabei gibt es für jeden Stahl einen bestimmten Gasdruck, bis zu dem Kern und Oberfläche gleiche Härtewerte haben. wird dieser Druck überschritten, so erzielt man nur noch eine Steigerung der Oberflächenhärte.
• Beim vorllegenden Ausführungsbeispiel wurde der Gasdruck von 300 mm -,tS auf 400 mm \S erhöht. Der Härtungsablauf ist der gleiche, wie er oben beschrieben wurde. Der sich dabei ergebende Härteverlauf ist in Fig. 4 dargestellt. Die Härte des Kerns liegt bei etwa 48 HRc, also wie bei der Tllernhartung. Die Härte an der Oberfläche des Werkstückes ist aber stark angestiegen. Sie liegt nun bei etwa 69 HRc und ist damit wesentlich höher als der bislang erreichbare Härtewert für diesen 34 CrNiMo 6-Stahl, der mit maximal 57 HRc angegeben wird. Diese harte Oberfläche hat etwa eine Schichtdicke von 0,6 mm, deren hohe Härte durch eine reine Zementitphase erzeugt wird.

Claims (9)

Ansprüche

1. Verfahren zum Kern- und/oder Oberflächenhärten von Werkstücken aus Stahl, bei dem das Werkstück beispiels weise in einem Ofen erhitzt und durch ein Aufkohlungsmedium aufgekohlt und anschließend in einem Kühlbereich abgeschreckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das AuSkehlungsmedium aus einem Gasgemisch aus gereinigter Luft und Propan besteht, welches das Werkstück unter Druck umgibt und daß das Werkstück -anschließend im Kühlbereich durch das gleiche Gasgemisch abgeschreckt wird0

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gereinigte Luft aus Sauerstoff und Stickstoff sowie deren Verbindungen untereinander besteht.

3. Verfahren nCch Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gereinigte Luft und Propan im Volumenverhältnis von etwa 1:1 zugegeben werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch im Ofen (3) auf eine Temperatur zwischen 11200 und 11400 C erhitzt wird0

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch mit einem Druck zwischen etwa 300 mm WS und etwa 700 mm WS in den Ofen (3) geführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Taupunkt des Gasgemisches auf einen Bereich zwischen -4° und 7 C eingestellt wird. -

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Kernund/od er Oberflächenhärten von Werkstücken aus Stahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Ofen (3) und einen sich da an anschließenden AbkEhlungsbereich (9), wobei im Ofen (3) und im Abkünlbereich (9) ein Transportmittel (1) für das Werkstück vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abkühlbereich (9) als Kanal ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daS di-e Geschwindigkeit des Dransportmittels (1) durch ein volzugsweise stufenlos verstellbares Getriebe (2) veränderbar ist.

L e e r s e i t e