DE3234299C2 - Verfahren zum Oberflächenhärten von Werkstücken und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Oberflächenhärten von Werkstücken und der Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens wird die zu härtende Werkstückoberfläche zunächst auf Härtetemperatur erwärmt und dann mit Hilfe eines relativ schwach wirkenden Abschreckmittels unter den Martensitpunkt abgekühlt. Um ein möglichst rißfreies Härteergebnis und einen möglichst gleichmäßigen Spannungszustand nach dem Härten zu erzeugen und dadurch den Härteverzug auf ein Minimum zu beschränken, wird das Werkstück nach Unterschreiten des Martensitpunktes mit einem Schroffer als das Abschreckmittel wirkenden Kühlmittel zum Einstellen der Temperaturverteilung des Ausgangszustandes behandelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenhärten von Werkstücken aus Stahl, insbesondere von Zahnrädern, bei dem die zu härtende Werkstückoberfläche zunächst auf Härtetemperatur erwärmt und dann mit Hilfe eines relativ schwach wirkenden Abschreckmittels gerade ausreichend schnell zum Erreichen der zum Unterschreiten des Martensitpunkts kritischen Abkühlgesschwindigkeit behandelt wird. Das Verfahren dient insbesondere zum progressiven Härten von Zahnrädern und ähnlichen Werkstücken mit nacheinander zu behandelnden, relativ nahe benachbarten Härtezonen; der Einfachheit halber wird im folgenden jedoch häufig nur von der Härtung von Zahnrädern gesprochen. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Aus der britischen Offenlegungsschrift 20 73 255 ist bereits ein Glühverfahren mit gestufter Abkühlung bekannt, bei dem ein legierter Stahl nach einem Glühen bei 800 bis 1200⁰C auf eine Temperatur von 400 bis 560⁰C und danach mit einem schroffer wirkenden Abkühlungsmedium abgekühlt wird, um sowohl Oberflächenfehler als auch ein Verziehen zu vermeiden.

Beim progressiven Härten von Zahnrädern mit Induktions- oder Flammenerwärmung entstehen bei gleichzeitigem Austenitisieren und Härten der Zahnlfikken bei unmittelbar nachfolgender Abschreckbrause Temperaturverteilungen im Umfeld der Härtezonen, die dem bereits vorhandenen Temperaturfeld überlagert werden. Das gilt vor allem, wenn beim progressiven Härten von Zahnrädern mit Induktions- oder Flammenerwärmung auch die Zahnlücke mit austenitisiert und damit gehärtet werden soll.
Während der Vorschubbewegung des Zahnrades zum Energieübertrager mit nachfolgender Abschreckbrause entstehen beim Härten der ersten Zahnlücke praktisch gleichmäßige Erwärmmgsverteilungen, die mit abnehmender Temperatur ins Innere des zu härtenden Werkstückquerschnitts eindringen. Bedingt durch den kontinuierlich fortschreitenden Arbeitsvorgang ergeben sich außerdem in Richtung der — vorzugsweise vertikalen — Vorschubbewegung laufend veränderte Erwärmungszonen. Beispielsweise ist die schon aus Zeitgründen besonders bei größeren Zahnbreiten und damit verbundenen größeren Härtewegen zwangsläufig entstehende Vorwärmung vor der eigentlichen Austenitisierungszone am Beginn der Härtezone anders ausgebildet als an deren Ende. Hinzu kommt dann beim Härten der zweiten Zahnlücke ein unvollständiges Härtebild bedingi durch die Wärme, die sich im Restquerschnitt des zuerst gehorteten Zahnes befindet. Das hat zusätzlich zu den eigentlichen Härtespannungen Ausdehnungsspannungen mit häufiger Rißbildung zur Folge.
Zum Vermeiden der Härte- und Ausdehnungsspannungen sowie der unsymmetrischen Erwärmung müssen daher sowohl für die eindringende Wärmeenergie als auch für die bereits unterhalb der Erwärmungszone im Werkstückinnern befindliche Wärme eine möglichst gleichmäßige Verteilung sichergestellt werden. Um das zu erreichen ist bereits versucht worden, beim Zahnradhärten immer eine Lücke zu überspringen und das Werkstück praktisch zweimal um 360° im Rhythmus des zweiten Modules zu teilen.
Zur Erhöhung der Dauerfestigkeit von Zahnrädern wird vielfach der Zahngrund mitgehärtet. Die besten Ergebnisse in diesem Sinne werden bei einer Härte von 45 bis 50 HRC ca. 2 mm unter der Zahngrundoberfläche erreicht Zum leichteren Erzielen der notwendigen Eindringtiefe werden legierte Vergütungsstähle eingesetzt.

Diese Werkstoffe sind leichter zu härten und lassen sich zum Erzielen der vorgeschriebenen Härtewerte ohne Schwierigkeiten auch milder abschrecken als mit Wasser oder einer Emulsion. Als Abschreckmittel wird daher vielfach Preßluft mit einem Druck von 2 bis 6 bar benutzt. Zum Erreichen der vorgesehenen Härtewerte ist dabei lediglich notwendig, die Abschreckgeschwindigkeit und die Intensität so einzuregeln, daß die kritische Abkühlgeschwindigkeit zum Unterschreiten des Martensitpunktes gerade eben erreicht wird. Eine so geringe Wärmeabfuhr hat aber den Nachteil, daß Ausdehnungsspannungen durch die verbleibende größere Restwärme zunehmen und daß auch durch das Eindringen der Erwärmung in den Werkstückquerschnitt völlig unkontrollierbare Wärnieverteilungen im Werstückinnern auftreten.

Ein Problem besteht also darin, daß einerseits beim Erwärmen der Härtezone zu den Nachbarbereichen geleitete Wärmeenergie beim Abschrecken mit Druckluft

nur ungenügend zu beseitigen ist, andererseits aber das Abschrecken mit Druckgas zum Vermeiden von Wärmespannungen und sich daraus ergebenden Härterissen und sonstigem Verzug an sich wünschenswert ist Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein möglichst gleichmäßiges ständiges Terr.peraturfeld zum Ausgangspunkt des Härtens und damit einen für jede zu härtende Zahnflanke u. dgl. gleichmäßigen Ausgangszustand einzustellen, so daß entsprechend geringe und gleichmäßige Spannungsverteilungen mit der Folge eines geringen Verzugs erreicht werden.

Für das Verfahren zum Oberflächenhärten eingangs genannter Art, bei dem die zu härtende Werkstückoberfläche zunächst auf Hänetemperatur erwärmt und dann mit Hilfe eines relativ schwach wirkenden Abschreckmittels gerade ausreichend schnell zum Erreichen der zum Unterschreiten des Martensitpunkts kritischen Abkühlgeschwindigkeit behandelt wird, besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß nach Unterschreiten des Martensitpunkts die Temperaturverteilung des Ausgangszustandes des Werkstücks durch Beaufschlagen mit einem schroffer als das Abschreckmittel wirkenden Kühlmittel im wesentlichen wieder eingestellt wird. Vorzugsweise werden dabei gleichzeitig die Außenseiten der an den Härtebereichen angrenzenden Zonen, insbesondere die Zahnflanken, während des Härtens, d. h. während des Erhitzens und während des Abschrekkens, gekühlt.

Im Unterschied zu einem Härteverfahren mit gebrochenem oder unterbrochenem Abschrecken, nach dem in den verschiedensten Variationen zum Abschrecken beispielsweise Schnellarbeitsstähle zunächst in einem Salzbad und anschließend an ruhiger Luft bis zum eigentlichen Härten weiter abgeschreckt werden, betrifft die Erfindung vielmehr eine sich an das vollendete Härten anschließende Nachbehandlung zum Wiederherstellen möglichst gleichmäßiger Spannungszustände im jeweiligen Werkstück. Sie findet vorzugsweise Anwendung bei solchen Werkstücken, die progressiv, z. B. von unten nach oben, gehärtet werden, und bei denen am Umfang in gleichmäßigen Abständen verteilt, die eigentlichen Härtezonen nebeneinanderliegen sowie — etwa beim Härten von Zahnlücken — sich in gleichmäßigen Abständen ungleichmäßige Querschnitte wiederholen. Hierbei erfolgt erfindungsgemäß das eigentliche Härten in milde abschreckender Preßluft, und erst am Ende einer Härtezone also nach Abschluß des Abschreckens wird die Abschreckvorrichtung — gewissermaßen in atypischer Anwendung — mit einem Kühlmedium beaufschlagt, das schneller als das vorher benutzte Abschreckmittel abkühlt (aber nicht abschreckt), um nun den zuvor erwärmten Querschnitt des Werkstücks wieder auf die Ausgangs- bzw. Raumtemperatur zu bringen.

Gemäß weiterer Erfindung wird zum Durchführen des Verfahrens eine Vorrichtung verwendet, die eine wahlweise, insbesondere nach einem vorgegebenen Programm, mit gasförmigem und flüssigem Kühlmittel, insbesondere Druckluft oder Wasser, zu beschickende Abschreckbrause aufweist. Hiernach kann durch elektrisches oder mechanisches Schalten dieselbe Abschreckvorrichtung mit zwei verschiedenen Medien beschickt werden. Das erste Medium dient zum Abschrekken und Erzielen der geforderten Randschichthärte, wobei die Abkühlgeschwindigkeit so groß sein muß, daß der Martensitpunkt gerade mit ausreichender Geschwindigkeit unterschritten wird. Das zweite Medium dient dann nach erreichter Randschichthärte nur noch dazu, die Temperaturverteilung des Ausgangszustands wiederherzustellen und zu egalisieren.

Es kann noch zusätzlich die im Werkstück befindliche Restwärme zum Entspannen benutzt werden, indem nachfolgend zeitlich verzögert abgekühlt wird. Dieses Abkühlen wiederum soll vorzugsweise so lange durchgeführt werden, bis der gesamte zu härtende Werkstückkörper wieder auf die Ausgangstemperatur zurückgeführt worden ist.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein zu härtendes Werkstück im Querschnitt;

F i g. .2 bis 6 verschiedene Phasen des Härtevorgangs;

F i g. 7 den Sollzustand des Werkstücks gemäß F i g. 1 nach dem Härten;

F i g. 8 bis 11 prinzipiell auftretende Verformungen oder Spannungen des Werkstücks bei den Härtephasen nach F i g. 2 bis 5;

Fig. 12 bis 14 aufeinanderfolgende Phasen des längs der Werkstückbreite kontinuierlich fortschreitenden Härtens;

Fig. 15 die Kühlung der Außenflanken einer Zahnlücke mit einem flüssigen Abschreckmittel bei gleichzeitigem Abschrecken der Härtezone; und

Fig. 16 das Prinzip einer Schaltung zum wahlweisen bzw. programmierten Umschalten der Abschreckbrause von Preßluft auf Kühlflüssigkeit.

F i g. 1 zeigt einen Ausschnitt eines zu härtenden Werkstücks mit sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckenden Zähnen 11 und 12 mit dazwischenliegender Zahnlücke 13 mit Zahngrund 14. Die Zahnlücke 13 hat die Breite A, die Zähne 11 und 12 haben die Breite B und die Höhe H.

Es sei angenommen, die Zahnlücke 13, bestehend aus den Seiten 15 und 16 mit der Höhe H und dem Zahngrund 14 mit der Breite A, sei zu härten. Dazu wird zunächst gemäß F i g. 2 die Energie E möglichst gleichmäßig dem Querschnitt zugeführt. Wenn es sich um den Beginn der Härtung handelt, bauen sich dabei gleichmäßige Temperaturfelder entsprechend den mit 8, 5 und 3 bezeichneten Linien auf. Wird nun, nachdem bis zur Temperaturfeldlinie 8 austenitisiert wurde, die Energie Egemäß Fig.3 gleichmäßig wieder abgeführt, so verbleibt im Querschnitt eine entsprechend gleichmäßig verteilte Restwärme mit den Temperaturfeldlinien 0,5; 1 und 2. Beim Härten der nächsten Zahnlücke 17 gemäß Fig. 4 wird nun ähnlich wie in Fig. 2 zunächst wieder Energie E zugeführt. Das Temperaturfeld 8, 5, 3 kann sich aber nur in dem nächstbenachbarten Zahn 18 nicht aber im Zahn 12 aufbauen, weil in diesem das noch vorhandene Temperaturfeld 2, 1 und 0,5 zu dem neuen Energieangebot zu addieren ist. Es wird also ein ungleichmäßiges Temperaturfeld aufgebaut, das entsprechend der Austenitisierungszone 19 bei der Abfuhr der Energie £ ungleichmäßige Einhärtetiefen zur Folge hat. Fig. 5 zeigt, daß im rechten Zahn 18 etwa das gleiche Temperaturfeld wie in F i g. 3 aber im linken Zahn 12 ein demgegenüber stark verschobenes Temperaturfeld resultiert.

Um ein stabiles Temperaturfeld zu erhalten, können gemäß F i g. 6 die beiden der zu härtenden Zahnlücke 17 gegenüberliegenden bzw. abgewandten Zahnflanken 20 und 21 sorgfältig und gleichmäßig gekühlt werden. Die Kühlmenge und der Kühldruck sowie die Kühlrichtung beeinflussen dabei das Ergebnis maßgeblich.

F i g. 7 zeigt den Sollzustand der Geometrie des nunmehr die Härtezone 19 aufweisenden Werkstücks ee-

20

maß Fig. 1. Bedingt durch die Energiezufuhr E nach Fig. 2 ergibt sich durch die Wärmedehnung aber eine Verformung der Werkstückoberfläche nach F i g. 8. Aus der Sollbreite A 1 der Zahnlücke 13 wird an der Außenkante die Breite A 2. Bei der Energieabfuhr E nach Fig. 3 entsteht ferner gemäß F i g. 9 eine bleibende Formänderung, die durch das größere Volumen des martcnsitischen Gefüges bedingt ist, so daß die Zahnlükke 13 an der Spitze nicht die Sollbreite A J sondern die Breite A 3 erhält. Wenn die angegebenen Breitenänderungen nicht auftreten, bilden sich jedenfalls entsprechende vom Werkstoff aufzunehmende Spannungen aus.

Die ungleichmäßige Energiezufuhr nach F i g. 4 bedingt eine entsprechend ungleichmäßige Spannung oder Werks!ückverformung gemäß F i g. !0; d. h. an der Spitze hat die Zahnlücke 13 nicht die Breite A 1 sondern sogar die Breite A 4. Eine wesentliche Abhilfe würde an dieser Stelle auch nicht eintreten, wenn die eine Außenflanke 22, die bereits gehärtet war, mit zusätzlichem Kühlmittel 23 beaufschlagt würde, da sich dann ungleichmäßige Spannungszustände ausbildeten, die zu einer Rißbildung führen können, da sich der Werkstoff kinetisch bewegt. Analog F i g. 5 ergäbe sich dann gemäß F i g. 11 bei der Wärmeabfuhr eine ungleichmäßige Bewegung und Verformung des Werkstoffs bei ungleichmäßigen Härtetiefen, so daß die Spaltbreite A wiederum eine maßgebliche Änderung auf Λ 5 erführe.

Bei der vorstehenden Betrachtung ist zu beachten, daß das, Härten kein statischer sondern in der Praxis ein kontinuierlich über die zu härtende Werkstoffbreite fortschreitender, dynamischer Vorgang ist. Drei Phasen der kontinuierlich fortschreitenden Progression des Härtens vor; unten nach oben werden in den F i g. 12 bis 14 schematisch dargestellt. Die insgesamt mit 24 bezeichnete Härteeinrichtung besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Induktor 25 mit umgebendem, konzentrischem Magnetfeld 26 und einer nachfolgenden Abschreckbrause 27, aus der beim Härten ein kontinuierlicher Druckluftstrom 28 auf die Härtezone geblasen wird. Bei diesem kontinuierlich fortschreitenden Vorgang entsteht an der Werkstückoberfläche die Härtezone 29. Um das Maß des mechanischen Verzugs des Werkstücks möglichst gering zu halten, werden die beiden der gerade zu härtenden Zahnlücke 30 benachbarten Außenflanken 31 und 32 gemäß Fig. 15 mit einstellbaren bzw. gesteuerten Zusatzkühlaggregaten 33 (vgl. die Kühlmittel nach Fig.6) sorgfältig mit einem flüssigen Kühlmittel behandelt, während die eigentliche Härtezone 29 mit PreO'luft, z. B. unter einem Druck von 0,5 bis 6 bar, überkritisch abgekühlt, d. h. abgeschreckt chen gleichmäßiges Temperaturfeld zum Ausgangspunkt der Härtung erhalten, wenn die normale Abschreckbrause 27 nach Erreichen der oberen Position (an der Werkstückoberkante 34) gemäß F i g. 14 oder 16 anstelle mit Preßluft, insbesondere bei automatischer Umschaltung mit Kühlflüssigkeit beschickt wird, um das zu hartende Werkstück und die zu härtende Stelle immer wieder auf die Ausgangstemperatur zurückzubringen und um immer wieder temperaturstabilisierte, gleichmäßige Ausgangspositionen zu schaffen.

In F i g. 16 wird das Schaltprinzip für die Abschreckbrause 27 zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Zuleitung 35 der Abschreckbrause 27 besitzt hiernach zwei alternativ zu öffnende Zuführungsleitungen 36 und 37, die mit entsprechend alternativ zu öffnenden Ventilen 38 bzw, 39 ausgestattet sind. Beispielsweise kann über das Ventil 38 Preßluft 40 und über das Ventil 39 Kühlwasser 41 zur Abschreckbrause 27 geleitet werden.

Die Zeit der Rückkühlung richtet sich nach Form und Größe der jeweiligen Härtefläche und kann entsprechend unterschiedlich sein. Nach Ablauf der Kühlzeit fährt die Härteeinrichtung 24 in die unterste Position gemäß Fig. 12 der nächsten Zahnlücke zurück und die Zufuhr des Kühlwassers zur Brause 27 über das Ventil 39 wird abgeschaltet, sowie die Brause selbst durch öffnen des Ventils 38 freigeblasen. Anschließend wiederholt sich das Härten mit Abschrecken sowie das nachfolgende Kühlen in der beschriebenen Weise. Durch die erfindungsgemäße Doppelfunktion der Abschreckbrause als eigentliches Abschreckmittel und als nachgeschaltete Kühleinrichtung wird jederzeit zu Beginn des Härtevorgangs bei dem jeweils nächsten Zahn eine gleichmäßige und immer gleiche Wärmeverteilung erreicht und damit der Härteverzug auf ein Minium beschränkt sowie ein rißfreies Härteergebnis erzielt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

40

45

50

An der oberen Werkstückkante 34 nach Fig. 14 erfolgt vorzugsweise eine ruckartige Vorschubbewegung nach oben bei gleichzeitigem Abschalten der Energiezufuhr des Induktors 25, um ein Überhitzen dieser Kante zu verhindern. Die Härteeinrichtung 24 fährt dann wieder nach unten und der Arbeitstakt wiederholt sich in der nächsten Lücke.

Zum einen bedingt durch das Preßluftabschrecken und zum anderen bedingt durch die Restwärme im Werkstück würde nun ein Wärmespannungszustand in der gehärteten Lücke 30 verbleiben und sich gemäß F i g. 4 und 5 ein nach den Seiten hin unterschiedliches Temperaturfeld aufbauen, auch wenn die Zusatzküh- es lung 33 gemäß Fig.6 oder 15 auf beiden Seiten eingeschaltet ist

Erst erfindungsgemäß wird ein ständig im wesentli-

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Oberflächenhärten von Werkstücken aus Stahl, insbesondere von Zahnrädern, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Härtetemperatur erwärmte Oberfläche zunächst mit einem milden Abschreckmittel bis unter den Martensitpunkt und danach mit einem schroffer wirkenden Kühlmittel abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die die Wärmezufuhr und Abschreckung bewirkenden Vorrichtungen abschnittsweise unmittelbar nacheinander über die Werkstückoberfläche geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der jeweiligen Härtezone die Wärmezufuhr abgeschaltet und vom Abschreckmittel auf dar schroffer wirkende Kühlmittel umgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Härten eines etwa horizontal liegenden Zahnrades die jeweilige Zahnlücke von unten nach oben gehärtet und anschließend sofort aus der von der Abschreckfunktion auf die Kühlfunktion umgeschalteten Abschreckvorrichtung im wesentlichen auf die Ausgangstemperatur-Verteilung gekühlt wird und daß danach die nächstfolgend benachbarte Zahnlücke wieder von unten nach oben gehärtet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckvorrichtung von der Härtefunktion auf die Kühlfunktion programmgesteuert umgeschaltet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite der an den Härtebereich angrenzenden Zonen während des Härtens gekühlt werden.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine wahlweise mit gasförmigem und flüssigem Kühlmittel zu beschickende Abschreckbrause (27).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckbrause (27) ortsfest angeordnet ist.