DE2412982B2 - Verfahren zum Kern- und/oder Oberflächenhärten von Werkstücken aus Stahl sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Kern- und/oder Oberflächenhärten von Werkstücken aus Stahl sowie Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kern- « und/oder Oberflächenhärten von Werkstücken aus
Siahl, bei dem die Werkstücke auf Austenitisierungstemperatur erhitzt und zum Oberflächenhärten mit
einem Gasgemisch aus Sauerstoff, Stickstoff und einem Kohlenwasserstoffgas, vorzugsweise Propan, unter im
Druck aufgekohlt werden, und bei dem die Werkstücke anschließend abgeschreckt werden. Die Erfindung
betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem Ofen und einem daran
anschließenden Kühlbereich,in denen einTransportmit- '>>
tel für die Werkstücke vorgesehen ist.
Bei einem bekannten Verfahren (DE-PS 6 32 935) der eingangs erwähnten Art werden die Werkstücke in drei
Behandlungsstufen und Temperatuntonen in einem Gasgemisch aus Propan als Kohlenwasserstoffgas,
Sauerstoff und Stickstoff aufgekohlt. Anschließend werden die aufgekohlten Werkstücke unmittelbar
abgeschreckt Bei diesem sogenannten Härten aus Aufkohlungstemperatur läuft die Gefügeumwandlung
unbefriedigend ab, weil an der Außenhaut des abgeschreckten Werkstückes Sekundärzementit entsteht,
wodurch sich schlechte Stahleigenschaften ergeben. Außerdem entsteht infolge des hohen Kohlenstoffgehaltes
im Bereich der Einsatztiefe eine größere Menge an Restaustenit, der zu spröden Zonen führt und
die Biegesteifigkeit des Werkstückes erheblich herabsetzt
Dieses Verfahren hat sich daher in der Praxis nicht durchgesetzt; es wird mehr die sogenannte gestufte
Härtung durchgeführt Dabei läßt man die aufgekohlten Werkstücke auf Raumtemperatur abkühlen, erhitzt sie
anschließend wieder auf Austenitisierungstemperatur, bei der die Werkstücke bis zur vollständigen Gefügeumwandlung
gehalten werden, und schreckt anschließend in einem öl- oder Warmbad ab. Anschließend muß, um
den auch bei der gestuften Härtung auftretenden Restaustenit zu beseitigen, das Werkstück angelassen
werden.
Das Verfahren nach der DE-PS 6 32 935 ist außerordentlich zeitaufwendig, umständlich und teuer.
Das Aufkohlen mit drei verschiedenen Temperaturzonen erfordert aufwendige und teure Anlagen. Zum
anschließenden Härten sind weitere Apparaturen erforderlich, nämlich zum Austenitisieren ein Neutralbad
und zum Abschrecken ein öl- oder Warmbad. Derartige Bäder sind teuer im Unterhalt und benötigen
einen erheblichen Raumbedarf.
Aus der DE-AS 14 33 735 ist ein Verfahren zum oxidationsfreien Abkühlen oder Blankglühen bekannt,
bei dem zum Aufkohlen ein Gasgemisch aus Propan und ungereinigter Luft verwendet wird. Mit einem derartigen
Gasgemisch lassen sich aber keine so hohen Kohlenstoffpotentiale erreichen, dnß die Werkstücke
durch Abschrecken gehärtet werden können. Zum Härten müssen die Werkstücke in einem öl- oder
Warmbad abgeschreckt werden, für die weitere Apparaturen notwendig sind und deren Unterhalt teuer
ist. Auch bei dem Verfahren zum Einsatzhärten nach der GB-PS 5 24 362 werden die Werkstücke in einem
Gasgemisch aus ungereinigter Luft und Propan aufgekohlt und anschließend in üblicher Weise, nämlich
in Warm- oder Ölbädern abgeschreckt und angelassen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei
dem die Werkstücke auf einfache Weise wärmebehandelt werden können, wobei keine aufwendigen Anlagen
und langwierige und teure Arbeitsgänge notwendig sein sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Erhitzen auf Austenitisierungstemperatur der
Sauerstoff und der Stickstoff aus gereinigter Luft verwendet werden, wobei der Taupunkt des Gasgemisches
auf einen Bereich zwischen —4°C und —7°C
eingestellt wird, und daß die Werkstücke anschließend in demselben Gasgemisch abgeschreckt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Werkstücke in einem einzigen Durchgang und in einer
einzigen Anlage aufgekohlt und gehärtet werden. Das Gasgemisch wird als Aufkohlungsmittel, als Wärmemedium
und ais Härtebildner verwendet. Die Werkstücke werden im Gasgemisch auf Austenitisierungstempera-
tür erhitzt und zum Oberflächenhärten unter Druck aufgekohlt. Unmittelbar anschließend nach dem Erhitzen
werden die Werkstöcke durch dasselbe Gasgemisch abgeschreckt. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gehärteten Werkstücke sind so wärmebehandelt, daß eine Nachbehandlung, wie Vergüten oder dergleichen,
nicht mehr notwendig ist Die Gasgemischkomponente Sauerstoff und Stickstoff besteht aus gereinigter
Luft, die so gereinigt ist, daß sie nicht mehr die weiteren Bestandteile ungereinigter Luft, wie CO2, Wasser,
enthält
Außerdem ist die Luft auch von Schmutzteilen so gereinigt, daß ihr Reinheitsgrad nur noch etwa 20 ppm
beträgt bei einem maximalen Durchmesser der Schmutzteilchen von etwa 3 μ. Da die Gasgemischkomponente
Sauerstoff und Stickstoff aus gereinigter Luft verwendet wird, liegen diese beiden Elemente in einem
Verhältnis vor, wie es in Luft vorhanden ist. Dabei besteht der Vorteil, daß Luft jederzeit und in großen
Mengen zur Verfugung steht. Die für das Verfahren benötigte Anlage ist einfach im Aufbau und billig in der
Anschaffung. Es entfallen besondere Härtebildner, wie öl. Wasser- oder Warmbäder. Mit dem Verfahren kann
in wesentlich kürzerer Zeit gehärtet werden als bei dem bekannten Verfahren nach der DE-PS 6 32 935. Der
Zeitaufwand zum Einsatzhärten beispielsweise beträgt bei einem erfindungsgemäßen Verfahren nur noch etwa
16 bis 25 Prozent der Zeit, die zum Einsatzhärten bei
diesem bekannten Verfahren notwendig ist. Infolge dieser außerordentlichen kurzen Härtezeit können in
der Zeiteinheit wesentlich höhere Stückzahlen als beim bekannten Verfahren gehärtet und damit die Herstellungskosten
erheblich gesenkt werden. Wie sicn außerdem überraschend herausgestellt hat, können mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren bisher noch nicht erreichbare Härtewerte bei einem angelassenen Grundgefüge
hergestellt werden.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb
des Ofens eine Gasretorte angeordnet ist und daß die Vorrichtung zum Härten vorgesehen ist.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Werkstücke in einem Durchgang auf Ausfenitisierungstemperatur
erhitzt und abgeschreckt werden. Zum Härten ist somit nur eine einzige Anlage notwendig.
Durch die Gasretorte wird das Gasgemisch in den Ofen eingeleitet, das von dort auch in den Kühlbereich
strömen kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung in
schematicher Darstellung,
Fig. 2 eine Seitenansicht der in F i g. 1 dargestellten
Vorrichtung in schematischer Darstellung,
Fig.3 in einem Diagramm den Härteverlauf über
dem Durchmesser eines kerngehärteten 34 CrNiMo 6-Stahlesund
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.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist ein über ihre ganze Länge sich erstreckendes,
endlos umlaufendes Transportband 1 auf, auf dem die zu härtenden Werkstücke durch die Vorrichtung gefahren
werden (Fig. 1 und 2). Die Bandgeschwindigkeit kann mit einem Wechselg triebe 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 eingeleitet wird. Die
zur Gasmischung notwendige gereinigte Luft und das Propan als Kohlenwasserstoffgas werden in getrennten
Leitungen 5 und 6 von nicht dargestellten Vorratsbehältern zu einer Zuführleitung 7 geführt, die direkt mit der
Gasretorte 4 verbunden ist In dieser Zuführleitung 7 sitzt ein Gasdruckmanometer 8, an dem der jeweilige
Gasdruck des einzuführenden Gasgemisches abgelesen werden kann. Die Menge der beiden Gasbestandteile
und damit das Mischverhältnis läßt sich mit Durchflußmessern kontrollieren. An den Ofen 3 schließt der als
Abkühlkanal 9 ausgebildete Kühlbereich an, durch den das Transportband 1 verläuft 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
jo Behälter am Ende der Bahn fallen können.
Um eine Kernhärtung durchzuführen, werden die
Werkstücke, die bei diesem Ausi'ührungsbeisniel aus
34 CrNiMo 6-Stahl mit einem Durchmesser von etwa 6 bis 10 mm bestehen, am Anfang der Vorrichtung auf das
Transportband 1 gelegt. Die Geschwindigkeit, mit der die Werkstücke durch den Ofen 3 und den Abkühlkanal
9 geiührt werden, richtet sich nach dem Werkstoff, der gewünschten Härte und der Gasmenge und betrugt im
Ausführungsbeispiel 240 mm/min. Durch die Gasretorte
id 4 wird das Gasgemisch, das aus gereinigter Luft und
Propan im Volumenverhältnis I : I besteht, mit einem bestimmten Druck, der je nach der zu erzielenden Härte
sowie der Ofengröße zwischen etwa 30 mbar und 70 mbar iiegt, in den Ofen 3 eingeleitet Im vorliegenden
Γ) Beispiel wird ein Druck von 30 mbar gewählt. Die Luft
ist so gereinigt, daß sie nur noch aus einem Gemisch von Sauerstoff und Stickstoff bzw. aus Verbindungen der
Elemente untereinander besteht. Der Reinheitsgrad der Luft beträgt etwa 20 ppm bei einem maximalen
4(i Durchmesser der Schmutzteilchen von etwa J μ. Vom
Ofen 3 aus strömt das Gasgemisch in den Abkühlkanal 9, t's auch dieser vollständig mit dem Gasgemisch gefüllt
ist. Das Gasgemisch wird im Ofen 3 auf eine Austenitisierungstemperatur zwischen 1120und 11400C
r> 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 Austenitisierungstemperalur 114°C.
>n Im Anfangsbereich des Abkühlkanals 9 ist das
Gasgemisch schon so weit abgekühlt, daß es nur noch eine Temperatur zwischen etwa 800 und 900° C aufweist,
die in Richtung auf das hintere Ende des Abkühlkanals 9 noch weiter abnimmt.
;■> Wenn der Ofen 3 und der Abkühlkanal 9 mit dem
Gasgemisch gefüllt und die entsprechende Temperatur erreicht ist, werden die Werkstücke auf dem Transportband
in den Ofen 3 eingefahren.
Das Werkstück wird in dieser Gasatmosphäre puf ·'. Austenitisierun£,temperatur erhitzt. Das bei diesem
Mischungsverhältnis überschüssige Propan zerfällt bei diesen hohen Temperaturen an der Werkstückoberfläche,
wobei Kohlenstoff frei wird, der ir. das Werkstück eindiffundiert In dieser Gasatmosphäre bildet sich auch
■ ■ι Methan, aus dem durch Reaktion an der Werkstückoberfläche
ieilwcjse Wasserstoff abgespalten wird. Sowohl der Wasserstoff als auch das Methan haben, wie
sich in Versuchen gezeigt hat, bei diesen geringen
auftretenden Mengen keinen lünfluß auf den Härtungsvorgang Die Gaszusammensetzung im Ofenraum läßt
sich mit Hilfe des Taupunktes kontrollieren. Um optimale Verhältnisse zu erreichen, sollte der Taupunkt
— 4"C bis—7°C betragen. -,
Im Anschluß an den Ofen 4, in dem der 34 CrNiMo
6-Stahl etwa 5 min geglüht wurde, wandert das Werkstück in den Abkühlkanal 9. Dort hat das
Gasgemisch, das in diesem Bereich nicht aufgeheizt wird, eine wesentlich geringere Temperatur als im Ofen, m
so daß das Härtegui beim [Eintritt in den Kühlbcreich
durch das Gasgemisch abgeschreckt wird. Beim Eintritt in den Abkühlkanal 9 wird das Werkstück von
Austeriitisicrungstcmpcratur von Π40°C im Ofen 3
durch das Gasgemisch auf etwa 800'C bis 900"C ■
abgeschreckt. Die Abschrcckgeschwindigkcit ist über die Gasmenge bzw. den Gasdruck steuerbar. Sie wird so
gewählt, daß direkt die Zwischenstufe erreicht wird. Das Werkstück durchläuft anschließend langsam den Abkuhlkanal
9 und ist dabei ständig vom Gasgemisch .»>
umgeben. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Verweilzeit
im Abkühlkanal 9 etwa 1 5 min. Am finde des Kanals
fallen die Werkstücke dann in bereitgestellte Behälter.
Wie die metallographischc Untersuchung zeigt, weist das wärmebchandeltc Werkstück ein vergütetes Mar- r<
tensitgefügc auf, das mil Zwischenstufengefüge durchsetzt
ist. Dieses Gefüge ist für das Härten nach diesem Verfahren charakteristisch. Der Verlauf der Härte, wie
er sich bei der beschriebenen Wärmebehandlung ergibt, in Abhängigkeit vom Wcrkstückdurchmcsser ist in i"
Fig. 3 dargestellt. Dabei wurde die Härte in Rockwell
angegeben. Sie liegt vom Kern bis zur Außenschicht des 34 CrNiMo 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 Gasmischung das Werkstück ab.
Durch die Änderung des Druckes, der Bandgeschwindigkeit und der Konzentralion des Gasgemisches
können verschiedene llärtewerte erzielt werden, so beispielsweise durch Erhöhen des Druckes eine
Härtesteigerung. Außerdem kann auf gleiche Weise festgelegt werden, ob beispielsweise eine Kernhärtung
oder eine Kernhärtung mit gleichzeitiger Oberflächenhärtung erfolgen soll.
Um eine Oberflächenhärtung in Verbindung mit einer Kernhärtung durchführen zu können, muß der Gasdruck
und damit die Gasinenge erhöht werden. Dadurch entsteht an der Werkstückoberfläche im Ofen 3 mehr
freier Kohlenstoff, so daß auch eine höhere Oberflächenhärte erzielt werden kann. Dabei gibt es für jeden
Slahl einen bestimmten Gasdruck, bis zu dem Kern und
Oberfläche gleiche Härtewcrie haben. Wird dieser Druck überschritten, so erzielt man nur noch eine
Steigerung der Oberflächcnhärtc.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde der Gasdruck von 30 mbar auf 40 mbar erhöht. Der
Hürtungsablauf ist der gleiche, wie er oben beschrieben wurde. Der sich dabei ergebende Härtevcrlauf ist in
F'ig. 4 dargestellt. Die Härte des Kerns liegt bei etwa
48 (IRc. also wie bei der Kernhärtung. Die Härte an der
Oberkdchc 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.
Hierzu 2 Blatt Zciclinuiicen
Claims (9)
1. Verfahren zum Kern- und/oder Oberflächenhärten von Werkstücken aus Stahl, bei dem die
Werkstücke auf Austenisierungstemperatur erhitzt und zum Oberflächenhärten mil einem Gasgemisch
aus Sauerstoff, Stickstoff und einem Kohlenwasserstoffgas, vorzugsweise Propan, unter Druck aufgekohlt
werden, und bei dem die Werkstücke anschließend abgeschreckt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhitzen auF Austenitisierungstemperatur
der Sauerstoff und der Stickstoff aus gereinigter Luft verwendet werden, wobei der Taupunkt des Gasgemisches auf einen
Bereich zwischen —4°C und —7°C eingestellt wird, '5
und daß die Werkstücke anschließend in demselben Gasgemisch abgeschreckt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Reinheitsgrad der gereinigten Luft etwa 20 ppm beträgt.
3. Veiiahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die gereinigte Luft und Kohlenwasserstoffgas im Volumenverhältnis von
etwa 1 :1 zugegeben werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch auf
eine Temperatur zwischen I12O°C und 11400C
erhitzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch mit jo
einem Druck zwischen etwa 30 mbar und etwa 70 mbar in isn Ofen geführt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bestehend aus
einem Ofen und einem daran anschließenden J5 Abkühlbereich, in denen ein 'i/ansportmittel für die
Werkstücke vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Ofens (3) eine Gasretorte (4)
angeordnet ist und daß die Vorrichtung zum Härten vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die Gasretorte (4) eine Zuführleitung
(7) für das Gasgemisch angeschlossen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des
Transportmittels (1) durch ein vorzugsweise stufenlos verstellbares Getriebe (2) veränderbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abkühlbereich (9)
etwa doppelt so lang ist wie der Ofen (3). >o
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Also Published As
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