DE2451536A1

DE2451536A1 - Verfahren zum aufkohlen von werkstuecken aus stahl

Info

Publication number: DE2451536A1
Application number: DE19742451536
Authority: DE
Inventors: Josef Hack; Bruno Schaefer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1974-10-30
Filing date: 1974-10-30
Publication date: 1976-05-06
Also published as: GB1480451A; US4035204A; JPS5167237A

Description

R. 2438

25.10.197¹I Go/Hm

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBE, 7 STUTTGART 1

Verfahren zum Aufkohlen von Werkstücken aus Stahl

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufkohlen von Werkstücken aus Stahl an mindestens einem Teil ihrer Oberfläche durch Glühen der Werkstücke zusammen mit Kohlenstoff abgebenden Mitteln.

Es ist bekannt, zum Aufkohlen äußerer Oberflächen von Werkstücken aus Stahl, die au s/mr£r n'i'e'dr i gern Kohlenstoff-Gehalt hergestellten Werkstücke mit Kohlenstoff abgebendem Pulver

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zu umhüllen und in verschließbaren Kästen aus Stahl, die mit ihrem Deckel luftdicht verschlossen werden, mehrere Stunden bei mindestens 723° C zu glühen.

Dabei dringt Kohlenstoff des die Werkstücke umhüllenden Pulvers in gasförmigem Zustand in die Werkstücke ein, und zwar um so tiefer, je länger die Werkstücke mit Kohlenstoff abgebenden Stoffen geglüht v/erden. Außer Pulver werden auch gasförmige Stoffe zum Aufkohlen verwendet.

Dieses Verfahren kann auch zum Aufkohlen von Innenflächen benutzt werden, wenn die Ausnehmungen, deren Innenflächen aufgekohlt werden sollen, sehr weit, wenig lang und möglichst durchgehend sind, also an ihren beiden Enden an Außenflächen angrenzen.

Es ist ferner bekannt, die Innenflächen von Werkstücken dadurch mit Kohlenstoff anzureichern, daß diese Werkstücke in einem Salzbad, dessen Salz Kohlenstoff enthält und beim Glühen an die Werkstücke abgibt, geglüht und dabei aufgekohlt werden.

Im Salzbad können auch Innenflächen von engen und. langen Bohrungen gut aufgekohlt werden. Das Aufkohlen im Salzbad hat aber den Nachteil, daß das Bad als Kohlenstoff abgebenden Stoff Natriumzyanid enthält, das mit Säuren Blausäure bildet, die bekanntlich ein sehr gefährliches Gift ist.

Um Vergiftungen durch Blausäure vorzubeugen, müssen die Werkstücke nach dem Härten gründlich gewaschen werden und das Waschwasser,sowie nicht mehr verwendete Salzbadrückstände, müssen mit Lauge und Chlor derart behandelt werden, daß weder das Abwasser noch die Ablagerungsstätte für das Salz vergiftet werden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufkohlen von Werkstücken aus Stahl für das Einsatzhärten zu finden, mit dem auch die Innenflächen langer und dünner Ausnehmungen, insbesondere die Sackbohrungen von Düsenkörpern für die Kraftstoff-Einspritzung in Brennkraftmaschinen ausreichend und gleichmäßig aufgekohlt werden können, ohne daß dazu Kohlenstoff abgebende Stoffe benutzt werden, die Gifte enthalten oder in der Atmosphäre oder nach der Ablagerung entwickeln.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß als Kohlenstoff abgebendes Mittel ein Formkörper verwendet wird, dessen Kohlenstoffgehalt in dem Kohlenstoff abgebenden Bereich höher ist als der Kohlenstoffgehalt des aufzukohlenden Werkstücks und dessen Kohlenstoff abgebende Fläche der aufzukohlenden Oberfläche des Werkstücks angepaßt ist.

Der Formkörper kann leicht mit dem aufzukohlenden Werkstück zusammengebracht und nach dem Glühen wieder leicht vom Werkstück getrennt werden. Er ist daher geeignet zum Aufkohlen von Werkstücken in der Mengenfertigung.

Es ist besonders zweckmäßig, zum Aufkohlen von Innenflächen den Formkörper als Dorn auszubilden, dessen Querschnittewenig kleiner sind als die entsprechenden Querschnitte der Ausnehmung. Durch das Spiel zwischen Formkörper und aufzukohlender Oberfläche kann der Kohlenstoff des Formkörpers in gasförmigem Zustand in die aufzukohlende Oberfläche des Werkstücks eindringen.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Formkörper aus einer Eisenlegierung oder aus Graphit hergestellt. Die beiden Eisenlegierungen, Stahl und Grauguss sind relativ billig als Rohstoff und die Formgebung dieser Werkstoffe ist

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in jedem metallverarbeitenden Betrieb geläufig. Stahl, Grauguss und Graphit haben noch den weiteren Vorteil, daß sie ungiftig sind.

Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der/Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es/zeigen:

Fig. 1 ein zylindrisches Werkstück mit einer zylindrischen Sackbohrung und einen in die Sackbohrung eingesteckten, zylindrischen Dorn, im Schnitt,

..Fig. 2 einen Düsenkörper für die Kraftstoff-Einspritzung in Brennkraftmaschinen mit einer Sackbohrung und einer Düsennadel, die in die Sackbohrung eingeschoben ist, im Schnitt,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Düsenkörper mit Düsennadel in Richtung a in Fig. 2,

Fig. 4 einen Dorn zum Aufkohlen der Sackbohrung des Düsenkörpers nach den Fig. 2 und 3, in Ansicht,

Fig. 5 einen Dorn zum Aufkohlen, der zusammengesetzt ist aus zwei Abschnitten mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt .

In Fig. 1 sind ein zylindrisches Werkstück aus Stahl mit 1 und eine zylindrische Sackbohrung im Werkstück mit 2 bezeichnet.

Das Werkstück hat vor dem Aufkohlen einen Kohlenstoffgehalt von 0,15 %. Die aufzukohlende Mantelfläche der Sackbohrung ist mit 3, die aufzukohlende Bodenfläche der Sackbohrung ist mit M bezeichnet und die aufzukohlenden Innenflächen 3» 4 sind durch Kreuze (xxx) kenntlich gemacht.

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In die Sackbohrung 2 ist ein zylindrischer Dorn 5 eingeschoben, dessen Durchmesser um 0,2 mm kleiner ist als der Durchmesser der Sackbohrung 2,und dessen Länge um etwa daß Maß seines Durchmessers länger ist als die Sackbohrung 2.

Damit besteht, wenn der Dorn 5/zurH!^rlcuohrung 2 angeordnet ist, zwischen dem Innenmantel des Werkstücks 1 und dem Außenmantel des Dorns 5 ein Spiel von etwa 0,1 mm. Dieses Spiel ist auch zwischen der Bodenfläche k der Sackbohrung 2 und der Seitenfläche des Dorns 5 vorhanden.

Mit dem aus der Sackbohrung 2 herausragenden Ende des Dorns läßt sich der Dorn 5 leicht in die Sackbohrung 2 einschieben und nach dem Aufkohlen leicht wieder aus der Sackbohrung 2 herausziehen.

Der zum Aufkohlen verwendete Dorn 5 hat einen Kohlenstoffgehalt von 1,10 %. Damit kann die Sackbohrung 2 an ihren Innenflächen aufgekohlt werden auf einen Kohlenstoffgehalt, der das arithmetische Mittel der Kohlenstoffgehalte des unaufgekohlten Werkstücks 1 und des Kohlenstoff übertragenden Dorns ist, d.h. auf

ⁿ - Aa^Ü _ o,625 % Kohlenstoff

C₁ =

Die übertragung des Kohlenstoffes vom Dorn 5 auf das Werkstück hört zwangsläufig dann auf, wenn der Kohlenstoffgehalt des Werkstücks 1 in der aufzukohlenden Oberfläche gleich groß ist wie .der Kohlenstoffgehalt des Dorns 5 in der Kohlenstoff abgebenden Oberfläche, also in dem angegebenen Beispiel 0,625 % beträgt .

Die Figuren 2 und 3 zeigen einen Düsenkörper 6 mit Düsennadel 7 einer Düse zum Einspritzen von Dieselkraftstoff in den Zylinder eines Verbrennungsmotors.

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Der Düsenkörper 6 dient zur Aufnahme der Düsennadel 7, die in der Schließstellung mit ihrer kegelförmigen Spitze 8 durch eine nicht dargestellte Feder auf die Sitzfläche 9 im Düsenkörper 6 gedrückt wird. Beim Einspritzen wird die Düsennadel 7 durch den auf eine Ringfläche 10 ihres abgesetzten Schafts wirkenden Druck des flüssigen Kraftstoffs - gegen den Druck der nicht dargestellten Feder - von ihrer Sitzfläche 9 im Düsenkörper 6 abgehoben, wonach der Kraftstoff durch drei Spritz- ^;löcher 11 im vorderen Teil des Düsenkörpers 6 aus dem Düsen-' körper heraus und in den Brennraum des Motors eingespritzt wird.

Die Außenform des Düsenkörpers 6 setzt sich zusammen - in Fig. 2 von rechts nach links gesehen - aus einem dicken zylindrischen Abschnitt 12, einem dünneren zylindrischen Abschnitt 13, einem kurzen kegeistumpfförmigen Abschnitt I¹J und einem kurzen, halbkugelförmigen Abschnitt 15> der das vordere Ende des Düsenkörpers 6 bildet und die drei Spritzlöcher 11 für den Austritt des flüssigen Kraftstoffes enthält.

Der Düsenkörper 6 hat eine zentrale Ausnehmung 16 zur Aufnahme der Düsennadel 7. Diese Ausnehmung setzt sich - in Fig. 3 von rechts nach links gesehen - aus folgenden Abschnitten zusammen: einem langen, zylindrischen Abschnitt 17, der etwa in der halben Länge unterbrochen ist durch einen Ringkanal 18 mit etwa halbkreisförmigem Querschnitt. Nach dem langen zylindrischen Abschnitt 17 folgt ein kurzer trichterförmig sich verengender Abschnitt 19, danach ein kurzer, sehr enger zylindrischer Abschnitt 20 und schließlich am inneren Ende der Ausnehmung ein halbkugelförmiger Abschnitt 21, dessen Durchmesser gleich groß ist wie derjenige des engen zylindrischen Abschnitts 20.

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2 4 3 3

In der hinteren Seitenfläche des Düsenkörpers ist eine Ringnut 22 mit einem im wesentlichen U-förmigen Querschnitt. Drei schräg zur Achse des Düsenkörpers 6 gerichtete, im Winkelabstand von je 180° angeordnete Bohrungen 23 verbinden den Riingkanal 18 in der zentralen Ausnehmung 16 mit der Ringnut 22 in/ der hinteren Seitenfläche des Düsenkörpers 6.

Die Düsennadel 7 hat im Bereich des Ringkanals 18 eine ringförmige Einkerbung 24 und zwischen dieser Einkerbung und der kegelförmigen Spitze 8 einen Schaftabschnitt 25, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des langen zylindrischen Abschnitts 17 in der zentralen Ausnehmung 16 des Düsenkörpers 6, so daß der eingespritzte Kraftstoff in dem Abschnitt zwischen dem Ringkanal 18 und der Sitzfläche 9 im Düsenkörper 6 in einem ringförmigen Kanal zwischen Düsennadel 7 und Düsenkörper 6 fließen kann.

Die trichterförmige Sitzfläche 9 im Düsenkörper 6 muß als Dichtfläche große Oberflächenhärte haben. Die hintere Hälfte des langen zylindrischen Abschnitts 17 der Ausnehmung 16, die vor dem Ringkanal 18 endet, dient zur Führung der Düsennadel 7 und muß daher ebenfalls eine hohe Oberflächenhärte haben.

Der Düsenkörper 6 ist aus einem Einsatzstahl mit einem Gehalt von 0,2 % Kohlenstoff hergestellt.

Damit die beiden hoch beanspruchten Abschnitte der Ausnehmung die erforderliche Oberflächenhärte erlangen, müssen sie an der Oberfläche aufgekohlt werden auf einen Gehalt vom 0,65 % Kohlenstoff.

Zum Aufkohlen der oberflächlich zu härtenden Innenflächen der Ausnehmung wird ein Dorn (26, Fig. 4) verwendet, dessen Kohlenstoffgehalt sich daraus ermitteln läßt, daß der Kohlenstoffgehalt des aufgekohlten Werkstücks das arithmetische Mittel aus

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2 A

Kohlenstoffgehalten des unaufgekohlten Werkstücks und des Dorns 26 vor dem Aufkohlen ist, also aus der Beziehung;

j C_k = ⁰Q ⁺ ^CD (% Kohlenstoff)

Darin bedeuten

C_Q = Kohlenstoffgehalt des Werkstücks vor dem Aufkohlen in %, Cp = Kohlenstoffgehalt des Dorns vor dem Aufkohlen in %,

C. = Kohlenstoffgehalt des Werkstücks nach dem Aufkohlen in %.

Mit den bereits genannten Daten: C = 0,2 %, C, = 0,65 %» folgt

O IC

_r 0,2 +C_n,
0,65 = \L , woraus

C_D = 2 χ 0,65 - 0,2 = 1,1 % Kohlenstoffgehalt

Der Dorn 26 hat einen langen zylindrischen Abschnitt 27» dessen Durchmesser um 2/10 mm kleiner ist als der Durchmesser des langen zylindrischen Abschnitts 17 im Düsenkörper 6 und dessen Länge größer ist als jene des langen, zylinderischen Abschnitts im Düsenkörper 6, so daß der vollständig in die Ausnehmung 16 des Düsenkörpers 6 eingeschobene Dorn 26 aus der Ausnehmung l6 des Düsenkörpers 6 vorsteht und nach dem Aufkohlen leicht aus der Ausnehmung 16 wieder herausgezogen werden kann.

An den zylindrischen Abschnitt·schließt sich ein trichterförmig sich verjüngender Abschnitt 28 an, der dem trichterförmig- sich verengenden Abschnitt 19 im Düsenkörper 6 entspricht und so bemessen ist, daß auch in diesem Abschnitt ein Spiel von 1/10 mm zwischen Dorn und Düsenkörper besteht.

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Der Dorn 26 kann statt mit der trichterförmigen Spitze mit einer kegelförmigen Spitze versehen werden, deren Kegelwinkel gleich groß ist wie der Kegelwinkel des trichterförmig sick verengenden Abschnitts im mittleren Bereich der Dichtuh'gsfläche im Düsenkörper 6. Die kegelförmige Spitze ist einfacher und billiger herzustellen als eine trichterförmige Spitze und sie ermöglicht die Aufkohlung der Dichtfläche im Diisenkörper nahezu gleichartig wie eine trichterförmige Spitze am Dorn, weil mit dieser Kegelfläche ein annähernd gleich großer Abstand zwischen Spitze des Dorns und Dichtungsfläche im Düsenkörper 6 eingehalten werden kann.

Versuche haben ergeben, daß die Aufkohlung sich am besten vollzieht, wenn für eine Bohrung von 5 mm Durchmesser ein Dorn mit 4,8 mm Durchmesser verwendet wird, d.h. wenn zwischen Dorn und Bohrung ein Spiel von 1/10 mm besteht. Es hat sich ferner gezeigt, daß dieses Spiel praktisch unabhängig ist vom Durchmesser der Bohrungen.

Da der Dorn 26 aus einem Stahl mit 1,1 % Kohlenstoff hergestellt ist und länger als die Ausnehmung 16 im Düsenkörper ist₃-werden auch diejenigen Innenflächen aufgekohlt, die wesentlich weniger beansprucht sind als die Dichtungsfläche und die Führungsfläche für die Düsennadel 7· Diese weniger beanspruchten Innenflächen sind der Ringkanal 18 mit etwa halbkreisförmigem Querschnitt und der vor dem Ringkanal 18 liegende Teil des langen zylindrischen Abschnitts 17 der Ausnehmung l6 des Düsenkörpers 6.

Dieser vordere Teil des zylindrischen Abschnitts 17 wird ebenso stark aufgekohlt wie der als Führungsfläche für die Düsennadel 7 dienende hintere Teil des Abschnitts 17, weil die entsprechenden Kohlenstoff übertragenden Oberflächen des Dorns 26 gleich groß sind wie die Kohlenstoff aufnehmenden

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2/,

zylindrischen Innenflächen im Düsenkörper 6. Dagegen ist die¹ Aufkohlung der Innenfläche des Ringkanals 18 mit etwa halbkreisförmigem Querschnitt nur etwa halb so stark wie die Aufkohlung der zylindrischen Innenflächen im Düsenkörper 6, weil die Oberfläche des Ringkanals 18 etwa doppelt so groß ist wie die entsprechende, Kohlen^abgebende Oberfläche des D.orns 26. ^toff*

₍Wenn Wert darauf gelegt wird, nur die Sitzfläche 9 aufzukohlen, so wird ein Dorn 29 (Fig. 5) benutzt^der zusammengefügt ist aus zwei Abschnitten mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten, nämlich einer Spitze 30 mit 1,1 5? Kohlenstoff, die aus einem kegelstumpfförmigen,und einem kurzen zylindrischen Abschnitt besteht, und einem langen,zylindrischen,hinteren Abschnitt 33> der sich über die restliche Länge der Düsennadel 6 erstreckt und 0,2 % Kohlenstoff hat. Mit diesem zusammengefügten Dorn wird erreicht, daß nur die Spitze 30 mit 0,6 % Kohlenstoffgehalt Kohlenstoff abgeben kann, so daß nur die Sitzfläche 9 des Düsenkörpers 6 aufgekohlt wird.

Mit einem aus mehreren Abschnitten mit verschieden hohen Kohlenstoffgehalten zusammengesetzten Dorn ist es auch möglich, die entsprechenden Abschnitte einer Ausnehmung unterschiedlich stark aufzukohlen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch anwendbar zum Aufkohlen von Außenflächen. Wenn die Außenflächen rotationssymmetrisch sind, werden zum Aufkohlen rotationssymmetrische Hülsen verwendet, deren Bohrungen den Außenflächen des aufzukohlenden Werkstücks entsprechen. Durch Verwendung mehrererhülsenförmiger Formkörper können auch die Außenflächen unterschiedlich stark aufgekohlt werden.

Es hat sich gezeigt, daß an Stelle von Stahl auch Grauguss oder Graphit als Werkstoff für den Kohlenstoff abgebenden Formkörper verwendet werden kann.

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Claims

J ί "\ 'Λ

Ansprüche

1. Verfahren zum Aufkohlen von Werkstücken aus Stahl an mindestens einem Teil ihrer Oberfläche durch Glühen der Werkstücke zusammen mit Kohlenstoff abgebenden Mitteln, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenstoff abgebendes Mittel ein Formkörper (5> 26, 29) verwendet wird, dessen Kohlenstoffgehalt in dem Kohlenstoff abgebenden Bereich höher ist als der Kohlenstoffgehalt des aufzükohrenden Werkstücks (1, 6) und dessen Kohlenstoff abgebende Fläche der aufzukohlenden Oberfläche (2, 16) des Werkstücks (1, 6) angepaßt i"st.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der aufzukohlende Teil der Oberfläche des Werkstücks die Innenflächen einer insbesondere langen, dünnen Ausnehmung ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper ein Dorn (5» 26, 29) ist, dessen Querschnitte wenig kleiner als die entsprechenden Querschnitte der Ausnehmung (2, 16) sind und dessen Länge mindestens gleich wie die Länge der Ausnehmung (2, 16) des Werkstücks (1, 6) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt des Kohlenstoff abgebenden Formkörpers aus der Beziehung ermittelt wird, daß der Kohleri-

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stoffgehalt des aufgekohlten Werkstücks das arithmetische Mittel ist aus den Kohlenstoffgehalten des Werk-

. U» 6), _(5, 26, 29),,

stücksvund aes Formkörpersyjeweiis vordem Aufkohlen.

1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (5> 26, 29) aus einer Eisenlegierung besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (5> 26, 29) aus Graphit besteht. *

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