DE2940826C2

DE2940826C2 - Verfahren zur Tiefenhärtung von Werkstücken sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2940826C2
Application number: DE19792940826
Authority: DE
Inventors: Franz J. 5820 Gevelsberg Overkott
Original assignee: Firma Paul Ferd Peddinghaus
Current assignee: Firma Paul Ferd Peddinghaus
Priority date: 1979-10-09
Filing date: 1979-10-09
Publication date: 1987-03-26
Also published as: DE2940826A1

Description

Die Erfindung hetrifft ein Verfahren zur Tiefenhärtung von Werkstücken für spezifisch hohe Flächenpressungen, wobei das Werkstück zunächst auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend durch Zugabe eines Abschreckmittels abgeschreckt wird, sowie auf eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens mit einer Heizeinrichtung zum Erhitzen des Werkstückes auf Austenitisierungstemperatur und mit einer Abschreckstrecke durch die das Werkstück bewegt wird.

Werkstücke, die hohe spezifische Flächenpressungen

jo aufzunehmen haben, müssen häufig einer sogenanten Tiefenhärtung unterworfen werden, bei der Einhärtetiefen von 25 mm und mehr erreicht werden. Bei derart großen Einhärtetiefen treten Schwierigkeiten hinsichtlich des Einhärteverlaufes auf. Angestrebt wird ein

)5 möglichst langsam abfallender und gleichmäßiger Härteverlauf ohne große Unstetigkeiten. Dieses Ziel konnte jedoch bisher zuverlässig reproduzierbar nicht erreicht werden.

Bei einem bekannten Verfahren wird eine Tiefenhärtung dadurch erzielt, daß das Werkstück einer tiefgreifenden Austenitisierung unterworfen, nachfolgend zur Erzielung eines martensitischen Gefüges abgeschreckt und dann unter Ausnutzung der im Werkstück noch vorhandenen Restwärme wieder angelassen wird. Dieses Verfahren befriedigt jedoch nicht.

Versuche haben ergeben, daß ein Gefüge aus feinkörnigem Sorbit einen besseren Verschleißwiderstand bietet. Ein solches Gefüge noch dazu bei einem möglichst gleichmäßigen Härteverlauf zu erzielen, war bisher in einem zuverlässig reproduzierbaren Maße nicht möglich.

Es sind zwar Versuche angestellt worden, dieses Gefüge dadurch zu verwirklichen, daß mit Preßluft abgeschreckt wird, deren Menge bzw. Druck steuerbar ist. Damit wird eine bestimmte kritische Abkühlgeschwindigkeit erreicht, mit der sich durch Bildung des vorstehend beschriebenen Gefüges hohe Festigkeiten erzielen lassen. Auch hiermit ließ sich jedoch kein gleichmäßiger Härteverlauf erzeugen, da die Steuerung der Preßluft zu träge war. Außerdem sind mit der Handhabe der erforderlichen Preßluft so starke Geräusche verbunden, daß ein industrieller Einsatz nur mit aufwendigen Schutzmaßnahmen möglich ist.

In dieser Hinsicht wurden Verbesserungen durch den Vorschlag nach der DE-OS 26 27 791 erreicht, wonach dem Abschreckmittel ein Kälteträger zugemischt wird. Hierdurch konnte die erforderliche Preßluftmenge und

damit die Geräuschbelästigung erheblich reduziert werden. Zudem läßt sich die Abschreckgeschwindigkeit viel feinfühliger und reaktionsschneller steuern.

Obwohl mit diesem Verfahren hohe Festigkeiten erreichbar sind, blieb seine Anwendung bisher beschränkt, weil ein gleichmäßiger Härteverlauf in reproduzierbarer Weise nicht erreicht werden konnte. Es traten immer wieder Unstetigkeiten im Härteverlauf auf, die die Gefahr von Abbröckelungen in sich bergen und/oder zu einem Festigkeitsverlust führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Tiefenhärtung von Werkstücken vorzuschlagen, mit dem sich unter Bildung von feinkörnigem Sorbit ein gleichmäßiger und jeder Zeit reproduzierbarer Härteverlauf erzielen läßt. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu finden, die sich besonders zur Durchführung dieses Verfahrens eignet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem das Werks'ück mit einem Abschreckmittel zunächst nur bis in einen Bereich oberhalb der Martensitgrenze abgeschreckt und seine Temperatur dann durch Zufuhr eines regelbaren Kühlmittels bis zur zumindest annähernd vollständigen Gefügeumwandlung in ein feinkörniges Sorbit in diesem Bereich gehalten und erst dann weiter abgekühlt wird. Bevorzugt soll das Abschrecken dabei so erfolgen, daß die Perlitstufe umgangen wird.

Durch diese Aufteilung des Abschreckvorgangs in praktisch drei Stufen wird ein außerordentlich feinkörniges Sorbitgefüge hoher Festigkeit und ein gleichmäßiger Härteverlauf erreicht. Die Martensitstuie wirü dabei durch Abbiechen des Abschreckens im Bereich der Zwischenstufe und durch Zufuhr eines regelbaren Kühlmittels für den Zeitraum bis zur vollständigen Gefügeumwandlung völlig umgangen.

In Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Abschrecken auf einen Temperaturbereich von 350 bis 480°C erfolgt, um die Zwischenstufe zu erreichen. Als Abschreckmittel hat sich dabei Preßluft wegen seiner gleichmäßigen Abkühlwirkung bewährt.

Das Kühlmittel wird zweckmäßigerweise durch dosiertes Zumischen eines Kälteträgers geregelt, wodurch sich einerseits die Wärmeabfuhr sehr genau steuern läßt, andererseits die Geräuschbelästigung wegen des nunmehr wesentlich geringeren erforderlichen Luftaufkommens vermindert wird. Als besonders vorteilhaft und energiesparend hat sich für das Kühlmittel die Verwendung ungekühlter Preßluft und eines gekühlten Gases als Kälteträger erwiesen. Zur Vereinfachung kann für den Kälteträger dann ebenfalls Preßluft verwendet werden.

Damit eine wirksame Regelung und weitere Verminderung der Geräuschbelästigung erzielt wird, sollte der Kälteträger eine Temperatur unterhalb 0⁰C besitzen, vorzugsweise wesentlich niedriger als 0⁰C bis ca. -8O⁰C.

Die Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des Werkstückes auf Austeniüsierungstemperatur und eine Abschreckstrecke auf, durch die das Werkstück jeweils bewegt wird, wobei diese Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Abschreckstrecke zumindest in zwei Teile unterteilt ist, nämlich in eine Abschreckbrause und in eine nachgeschaltete regelbare Kühlbrause. Mit der erstgenannten Brause läßt sich somit das Werkstück schnell auf einen Bereich oberhalb der Martensitstufe abschrekken, während über die nachgeschaltete Kühlbrause aufgrund ihrer Regeleinrichtung die Wärmeabfuhr so gesteuert werden kann, daß die Temperatur bis zur vollständigen Gefügeumwandlung nahezu konstant gehalten wird.

Die Abschreckbrause ist dabei zweckmäßigerweise ab Preßluftbrause ausgebildet Sie kann mehrere hintereinander angeordnete Reihen von Düsen aufweisen, wobei es sich als eine besonders zweckmäßige

•o Ausbildung erwiesen hat, vier Reihen von Düsen hintereinander anzuordnen, von denen die beiden einlaufseitig vorne liegenden schräg in Bewegungsrichtung des Werkstückes und die beiden hintenliegenden gegen die Bewegungsrichtung geneigt sind. Hierdurch läßt sich ein gleichmäßiges Abschrecken des Werkstükkes mit der Folge eines ebenso gleichmäßigen Härteverlaufs erzielen. Die Winkel der Düsenwirkachsen zur Senkrechten können dabei zwischen 0° und 25° betragen.

Vorteilhafterweise ist die Abschreckbrause für den Schall- und Rauchschutz gekapselt ausgebildet, wobei dies beispielsweise mittels Asbestplatten geschehen kann. Auf diese Weise wird die Geräusch- und Rauchbelästigung auf ein erträgliches zulässiges Maß reduziert.

Schließlich sieht die Erfindung vor, daß die Kühlbrause als langgestreckte Preßluftbrause mit einem Kühlaggregat für einen Teil der Preßluft ausgebildet ist. Auf diese Weise kann das Werkstück solange unter dem

:o Einfluß der Kühlbrause gehalten werden, bis die Gefügeumwandlung beendet ist. Das Kühlaggregat sorgt dabei für einen Kälteträger, der in diesem Fall wie das normale Kühlmittel Preßluft ist.

Anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieis wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Seitenansicht einer Härtevorrichtung; und F i g. 2 den Härteverlauf eines Werkstückes nach Durchlaufender Härtevorrichtung gemäß Fig. !.

·»» F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Härtevorrichtung 1 zum Tiefenhärten eines in Richtung des Pfeiles A bewegten, langgestreckten Werkstücks 2. Die Härtevorrichtung weist in Bewegungsrichtung gesehen hiiitereinander drei Vorwärmbrenner 3, 4, 5, einen Härtebrenner 6, eine Abschreckbrause 7 und eine Kühlbrause 8 auf.

Mit den Vorwärmbrennern 3; 4, 5 und dem Hauptbrenner 6 wird das Werkstück 2 während seines Vorlaufs auf Austenitisierungstemperatur, ca. 850⁰C,

5u gebracht, während es im Bereich der Abschreckbrause 7 schnell auf etwa 450°C, also auf einen Bereich oberhalb der Martensitstufe und innerhalb der Zwischenstufe liegend heruntergekühlt wird.

Die Abschreckbrause 7 weist hierzu hintereinander vier Reihen von Düsen 9, 10, 11, 12 auf, von denen die einlaufseitig ersten beiden 9, 10 schräg zum Auslauf hin und die dritte Reihe 11 gegen die Bewegungsrichtung geneigt sind, während die letzte Reihe 12 annähernd senkrecht ausgerichtet ist. Auf diese Weise wird ein optimaler Abschreckverlauf im Werkstück 2 erzielt.

Wegen der hohen Geräuschentwicklung ist die Abschreckbrause 7 vorne und hinten sowie an beiden Seiten mit Asbestplatten 13, 14 gekapselt, die den Geräuschpegel stark herabdiücken, so daß weitere Schutzmaßnahmen entfallen können.

Im Anschluß an die Abschreckbrause 7 durchläuft das Werkstück 2 bzw. sein jeweils zu behandelnder Bereich, im dargestellten Beispiel ein Schienenkopf, die langge-

streckt ausgebildete Kühlbrause 8, die allein die Aufgabe hat, die Temperatur des Werkstückes 2 weitgehend konstant zu halten, also etwa in einem Bereich von 350 bis 480°C, insbesondere nicht in den Martensitbereich absinken zu lassen. Sie führt also die in dem Werkstück 2 noch vorhandene Restwärme nur soweit ab, daß im Behandlungsbereich kein Temperaturabfall erfolgt.

Hierzu weist die Kühlbrause 8 hier nicht näher dargestellte Preßluftdüsen auf, über die ein Gemisch von gekühlter und nicht gekühlter Preßluft auf das Werkstück gerichtet wird. Die über ein Kühlaggregat weit unter 0⁰C gekühlte Preßluft dient dabei als dem Kühlmittel — hier ebenfalls Preßluft — zuzumischender Kälteträger, mit dem sich nicht nur die erforderlichen Luftmengen und der damit verbundene Lärm merklich verringern lassen, sondern auch eine feinfühlige Regelung der Temperatur und Menge des Kühlmittels erzielen läßt, indem entsprechend die Zufuhr des Kälteträgers in Abhängigkeit von der erforderlichen Wärmeabfuhr gesteuert wird. Die Länge der Kühlbrause 8 ist dabei so bemessen, daß nach deren Durchlaufen die Gefügeumwandlung in ein feinkörniges Sorbit abgeschlossen ist, so daß dann die weitere Abkühlung mit üblichen Mitteln erfolgen kann.

Fig.2 zeigt ein Diagramm, in dem auf der Abszisse der Abstand von der Oberfläche des Werkstückes 2, also

ίο die Einhärtetiefe und auf der Ordinate die jeweilige Härte aufgetragen sind. Der Härteverlauf eines in der Härtevorrichtung 1 gemäß Fig. 1 gehärteten Werkstückes 2, hier ein Schienenkopf, ist durch Kreuze verdeutlicht. Dies zeigt, daß die ermittelten Werte innerhalb eines engen, reproduzierbaren Bereiches und nahe beim sowie teilweise auf dem idealen Härteprofil liegen, das durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Tiefenhärtung von Werkstücken für spezifisch hohe Flächenpressungen, wobei das Werkstück zunächst auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend durch Zugabe eines Abschreckmittels abgeschreckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mit dem Abschreckmittel zunächst nur bis in einen Bereich oberhalb der Martensitgrenze abgeschreckt und seine Temperatur dann durch Zufuhr eines regelbaren Kühlmittels bis zur zumindest annähernd vollständigen Gefügeumwandlung in ein feinkörniges Sorbit in diesem Bereich gehalten und erst dann weitei abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück unter Umgehung der Perlitstiife in die Zwischenstufe abgeschreckt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken auf einen Temperaturbereich von 350 bis 450"Cerfolgt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Abschreckmittel Preßluft verwendet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel durch dosiertes Zumischen eines Kälteträgers geregelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das Kühlmittel ungekühlte Preßluft und gekühltes Gas als Kälteträger verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältefäger ebenfalls Preßluft verwendet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kälteträger eine Temperatur unterhalb 0⁰C aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kälteträger auf eine Temperatur, die wesentlich unterhalb 0°C liegt und bis zu ca. —80⁰C beträgt, heruntergekühlt wird.

10. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Heizeinrichtung zum Erhitzen des Werkstückes auf Austenitisierungstemperatur und mit einer Abschreckstrecke, durch die das Werkstück bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckstrecke (7, 8) zumindest in zwei Teile unterteilt ist, nämlich in eine Abschreckbrause (7) und in eine nachgeschaltete, regelbare Kühlbrause (8).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckbrause (7) als Preßluftbrause ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckbrause (7) aus mehreren hintereinander angeordneten Reihen von Düsen (9,10,11,12) besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß vier Reihen von Düsen (9, 10, 11, 12) hintereinander angeordnet sind, von denen die beiden einlaufseitig vorne liegenden (9, 10) schräg in Bewegungsrichtung des Werkstückes (2) und die beiden hinten liegenden (11, 12) gegen die Bewegungsrichtung geneigt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch

gekennzeichnet, daß die Winkel der Düsen (9,10,11, 12) zur Senkrechten zwischen 0° und 25° betragen.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß

die Abschreckbrause (7) schall- und rauchgekapselt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckbrause (7) mit Asbestplatten (13,14) gekapselt ist.

ίο

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der

Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlbrause (8) als langgestreckte Preßluftbrause mit einem Kühlaggregat für einen Teil der Preßluft ausgebildet ist.