DE2412982B2

DE2412982B2 - Verfahren zum Kern- und/oder Oberflächenhärten von Werkstücken aus Stahl sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2412982B2
Application number: DE2412982A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 7980 Ravensburg Kieferle
Original assignee: Hawera Probst GmbH
Current assignee: Robert Bosch Power Tools GmbH
Priority date: 1974-03-18
Filing date: 1974-03-18
Publication date: 1979-01-04
Also published as: BE826679A; SU654182A3; ZA751661B; DE2412982A1

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

Patentansprüche:

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