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Verfahren und Vorrichtung zum fortschreitenden induktiven Oberflächenhärten
Das fortschreitende Oberflächenhärten von Werkstüc'ke:n aus ,Stahl mittels elektroinduktiv
betriebener Härtegeräte ist an sich bekannt. Die Härtegeräte bestehen aus dem elektroinduktiven
Heizgerät mit Heizleitern geeigneter Form und der Abschrecheinrichtung, aus derenAustrittsöffnungen
das Abschreckmittel auf ,die erhitzte Werkstückoberfläche austritt. Das Verfahren,
welches unter Relativbewegung zwischen Werkstück und Härtegerät ausgeübt wird, wird
beispielsweise bei sperrigen Werkstücken oder bei solchen mit großer Längenausdehnung
angewendet, um mit einer möglichst geringen Heizenergie auszukommen, und hat sich
in der Praxis gut bewährt.
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Es ergeben sich jedoch gewisse Schwierigkeiten, wenn verlangt wird,
daß am Auslauf der Härteschickt eine Beeinflussung des Werkstückgefüges im Bereich
dieser Auslaufzone vermieden werden soll. Eine solche Forderung wird beispielsweise
gestellt, wenn Kugellagerringe von großem Durchmesser an der Kugellauffläche einer
Oberflächenhärtung unterzogen werden sollen. Gegen Ende des einmaligen @Vierkstückumlaufes
wird vom Härtegerät die Stelle erreicht, an der die Härtung eingesetzt hat, und
es bildet sich hier eine sogenannte Stoßstelle zwischen Anfang und Ende der Härtezone.
Bei Anwendung des bekannten Verfahrens wird diese unvermeidliche Stoßstelle, d.
h. die Zone .der Kugeilauffläche, deren Härte infolge von Anlaßwirkun:gen u. dgl.
nicht der Härte der anderen Zonen der Kugellauffläche entspricht, sehr breit. Die
Breite ist abhängig von der Erstreckung
des Heizgerätes bzw. des
Heizleiters in Vorschubrichtung. Wird beispielsweise, wie vielfach üblich, ein Heizgerät
verwendet, dessen Heizleiter sich in Vorsohubrichtung erstreckt, so ergeben sich
Stoßstellen erheblicher Breite, an welchen entweder eine Oberflächenhärtung nicht
eingetreten ist oder aber durch unvermeidliches Aufheizen bereits gehärteter Abschnitte
ein Anlassen und damit eine Härteminderung erfolgt. Bei Heizgeräten, in denen der
eigentliche Heizleiter quer zur Vorschubrichtung angerdnet ist, treten die gleichen
Erscheinungen in gemilderter Masse auf. In keinem Fall aber ist es möglich, die,Stoßstelle
auf einGebiet zusammenzn;drängen; das schmaler wäre, als der Heizleitererstreckung
in Vörschubrichtung entspricht.
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Die Tatsache, @daß an der Stoßstelle das Wiericstück entweder überhaupt
nicht behandelt oder einer Doppelbehandlung unterworfen wird, hat für das Werkstück
nachteilige Folgen, da beispielsweise bei Beanspruchung auf Verschleiß dieser an
der Stoßstelle stärker ist als in den übrigen oberflächengehärteten !Gebieten. Weiterhin
treten bei Doppelbehandlung leicht Härtenisse auf. Es ist selbstverständlich, daß
diese Nachteile nicht nur bei Ringen, sondern bei allen Werkstücken eintreten, bei
-denen eine in sich geschlossene etwa ringförmige oberflächengehärtete ,Sohicht
erzeugt werden soll, wie beispielsweise bei Radbandagen.
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Es kommt häufig vor, daß auch bei nicht geschlossener Form der Härteschicht
zwei gehärtete Abschnitte ineinander verlaufen sollen, so beispielsweise bei geknickten
Schablonenführungen, bei denen in zwei Arbeitsgängen aufeinanderfolgend je .ein
Schenkel oberflächengehärtet wird. An der Stelle, an der sich -die Härteschichten
treffen, ergibt sieh die beschriebene Stoßstelle mit ihren Nachteilen. Solche Stoßstellen
können ferner bei der Behandlung von Maschinenbetten, Führungsleisten oder ähnlichen
@Werkstüäken auftreten.
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Aber nicht nur bei der Behandlung von Werkstücken, bei denen zwei
Härtezonen ineinander verlaufen, ergeben sich bei Anwendung des bekannten Verfahrens
Schwierigkeiten, sondern auch bei der Behandlung von Werkstücken, bei,denen die
Härteschicht an irgendeiner Stelle, jedoch nicht am Rande des Werkstückes, ihr Ende
finden soll. Bekanntlich werden dem Oberflächenhärten im allgemeinen vergütete Werkstücke
unterworfen, und es ist selbstverständlich erwünscht, daß die durch die Vergütung
erreichten Eigenschaften unmittelbar dort auftreten, wo die Härteschicht zu Ende
ist. Es kann aber beim elektroinduktiven Erhitzen nicht verhindert werden, daß der
im Augenblick der Beendigung der -Wärmebehandlung unter dem Reizgerät befindliehe
Werkstückabschnitt nicht mehr gehärtet, sondern nur auf eine. erhöhte Temperatur
gebracht wird. Diese Temperaturerhöhung hat eine Zerstörung des Vergütungsgefüges
in dieser Härteauslaufzone zur Folge.
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Diese Nachteile beim Verfahren zum fortschreitenden Oberflächenhärten
von ,Stahlwerkstücken unter Relativbewegung zwischen Werkstück und Härtegerät, welches
aus einem Heizgerät und einer diesem zugeordneten Abschreckeinrichtung besteht,
die gegenüber dem Heizgerät beweglich ist, lassen sich vermeiden oder zum mindesten
auf ein unschädliches Ausmaß beschränken, wenn gemäß der Erfindung verfahren wird.
Das Verfahren besteht darin, die Relativbewegung zwischen Werkstück und Härtegerät
praktisch in dem Augenblick zum Stillstand zu bringen, in welchem die rückwärtige
Begrenzung des Heizleiters das Ende des zu härtenden Werkstückabschnittes erreicht
hat, worauf bei eingeschaltetem Heizstrom durch Relativbewegung zwischen Abschreck
einrichtung und Heizgerät die Erhitzungszone und die Abschreckzone des Werkstückes
zur Deckung gebracht werden.
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Das Verfahren, das sich als außerordentlich wirksam erwiesen hat,
läßt sich in verschiedener Weise ausüben, wie im nachfolgenden an Hand der schematischen
Abbildungen näher erläutert ist.
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Die Abb. i bis 3 beziehen sich auf das Anwendungsbeispiel der Behandlung
der Außenfläche eines großen Ringes, wie er für Kugellager benötigt wird, wobei
jeweils nur der Teilabschnitt des Ringes. gezeigt ist, wo die Härtung begonnen hat
und wo sie nach einmaligem Umlauf ihr Ende findet. Es sind in jeder Abbildung zwei
Phasen -dargestellt: Die linksseitige bezieht sich auf die Verhältnisse während
.des fortschreitenden Härtans, die rechtsseitige dagegen .jeweils auf die Stellung
der einzelnen Teile zueinander, die kurz vor der endgültigen Beendigung der Härtung
besteht.
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In den Abbildungen ist ,das Werkstück i, bei z' beginnend; gehärtet
worden. Zur Behandlung der Wier'kstüekoberfläcihe im fortschreitenden Verfahren
dient :das schematisch ,dargestellte Härtegerät, bestehend aus deni Heizgerät a
und der Abschreckeinrichtung. Es findet gemäß den Beispielen ein I-feizgerät Verwendung,
dessen eigentlicher Heizleiter sich in Vorschubrichtung, d. h. in Richtung des-
Pfeiles q. erstreckt. Es kann jedoch auch ein aufklappbares Heizgerät benutzt werden,
welches den Werkstückquerscbnitt umfaßt, so daß der eigentliche Heizleiter quer
zur Vorschubrichtung angeordnet ist. Schließlich ist auch die Verwendung schleifenförmiger
Heizgeräte geeigneter Form möglich. Die zum Abschrecken dienende Einrichtung ist
der besseren Übersicht halber nicht dargestellt, sondern lediglich .das in Richtung
der Pfeile 3 austretende Abschreckmittel. Im Zuge der Rlelativbewegung zwischen
Härtegerät und Werkstück im Verlaufe der Härtung hat sich auf dem gesamten Umfang
des Werkstückes eine Härteschicht i" gebildet, die sich mit ihrem Ende dem Anfang
bei a' nähert.
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In dem Beispiel nach =Abb. i ist angenommen, daß sich,das Härtegerät
während .der Härtung in Ruhe befindet und daß das Werkstück sich in stetiger Bewegung
an dem Härtegerät vorbeidreht. Die Ruhestellung für :das Heizgerät sei durch den
Punkt 5 gekennzeichnet und .die Ruhestellung für die Abschreckvorrichtung durch
den Punkt 6. Die Härtung bei .i" soll nun der technischen Forderung gemäß ihr Ende
in dem Punkt finden, in dem bei i'
die Härtung angesetzt hat. Wie
rechtsseitig veranschaulicht, wird die Vorschubbewegung des Werkstückes in Richtung
des Pfeiles 4. in dem Augenblick zum Stillstand gebracht, in dem die rückwärtige
Begrenzung des Heizgerätes 2 sich über dieser Stelle bei i' befindet, was in der
Zeichnung durch den Haltepunkt q.' gekennzeichnet sei. In diesem Augenblick setzt
bei eingeschaltetem Strom eine Bewegung der Abschreckeinrichtung in Richtung des
Pfeiles 6' ein, bis die Heizzone des Heizleiters und die Abschreckzone der Abschreckeinrichtung
zur Deckung gebracht sind. Da die Einwirkung des Heizleiters 2 andauert, wird trotz
des Stillstandes des Werkstückes @i die Härteschicht i" bis an die Schicht i' herangezogen.
,Sobald dies erreicht ist, wird die Leistung albgeschaltet und das Abschrecken noch
kurze Zeit fortgesetzt, um schädliche Wärmewanderung zu verhindern. Die Zeitdauer
vom Stillsetzen der Vorschubbewegung des -Werkstückes und Einleiten des Vorschubes
der Abschreckeinrichtun ,g bis zum Abschalten der Leistung ergibt sich in einfachster
Weise durch wenige Stichversuche.
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Die Relativbewegung zwischen Heizgerät und Abschreckvorrichtung kann
auch in anderer Weise erreicht werden. Diese Art,der Ausübung des Verfahrens ist
in Abb. 2 dargestellt. Es wird hierbei so verfahren, d;lß bei Erreichen der rechtsseitigen
Relativstellung zwischen Werkstück und Härtegerät (die Vorschubbewegung des Werkstückes
in Pfeilrichtung q. nicht stillgesetzt, sondern das Heizgerät durch geeignete Mittel
vom Werkstück in Richtung des Pfeiles 5 mitgenommen wird, während die Abschreckeinrichtung,
wie durch den Punkt 6 gekennzeichnet, in ihrer Lage verharrt. Das Heizgerät dreht
sich somit unter eingeschaltetem Strom gewissermaßen in die Abschreckeinrichtung
bzw. in die Abschreckstrahlen hinein. Diese Ausführungsfarm (des Verfahrens hat
den besonderen Vorzug, daß die Abschreckeinrichtung nicht bewegt werden braucht.
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Nach Abb. 3 verharrt das Wlerkstück, wie durch den Punkt q. gekennzeichnet
sein soll, in Ruhe, während sich das Härtegerät in Richtung der Pfeile 5, 6 bewegt.
Wenn im Zuge der Relativbewegung zwischen Härtegerät und Werkstück die rechtsseitige
Stellung erreicht ist, wird das Heizgerät, wie durch den Punkt 5 angedeutet, stillgesetzt,
während die Abschreckeinrichtung sich in Richtung des Pfeiles 6 weiterbewegt, bis
Heizzone und Abschreckzone zur Deckung gebracht sind.
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In manchen Fällen kann es zweckmäßig ,sein, der Relativbewegung es
Heizgerätes und der Abschreckvorrichtung zueinander eine andere Geschwindigkeit
zu erteilen als der Relativbewegung zwischen Werkstück und Härtegerät während des
Härtens, um auf besondere Anforderungen der Härtung indem kritischen Abschnitt der
Stoßstelle Rücksicht nehmen zu können.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Heizwiri#:ung eines Heizleiters
durch Joche aus Blechpaketen oder sogenannter Masse zu beeinflussen. In Ausnutzung
:der Wirkung solcher Joche kann bei dem Verfahren gemäß der Erfindung zusätzlich
noch so verfahren werden, das die Heizeinwirkung des Heizleiters vom Augenblick
des, Stillstandes zwischen Werkstück und Härtegerät an sprunghaft oder stetig zum
Ende des zu härtenden Werkstückabschnittes verlagert wird. Das kann geschehen durch
Verschwenken oder Kippen des Joches.
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Bei einem linearen Heizleiter wäre zu diesem Zweck beispielsweise
ein bogenförmi.ge@s Joch vorzusehen, wie in Abb. 4. schematisch diargestellt. Der
gestreckte Heizleiter 7 wird in einem bestimmten Augenblick in Richtung des Pfeiles
vom Strom durchflossen. Auf den Heizleiter ist das bogenförmige Magnetjoch g aufgesetzt.
Durch ein Verschwenken kann dieses bogenförmige Magnetjoch g in die ,Stellung g'
bzw. in die Stellung g" und darüber hinaus in eine Vielzahl von Zwischenstellungen
gebracht werden. In der Stellung 9 ist die Aufheizerregung in dem zu behandelnden
Werdcstfick ro an der Stelle i i am stärksten. In der Stellung g' ist die Aufheizerregung
am stärksten an der Stelle ri'. In der Stellung g" ist die Auf'heizerregung an der
Werkstückoberfläche am stärksten an, der Stelle r.i". Durch geeignete Ausbildung
des Heizleiters und des .schwenkbaren bogenförmigen Joches kann erreicht werden,
daß die Heizwirkung an den jeweils eingestellten bevorzugten Heizstellen -iii, iii',
i i" so stark ist, daß die Heizwirkung auf der übrigen Erstreckung des Heizleiters
praktisch überhaupt nicht in Erscheinung tritt. Ein solches schwenkbares, Magnetjoch
kann sinngemäß auch auf einer Heizleiterschleife vorgesehen werden.
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Auch bei spulenförmigen Heizleitern ist die erwähnte Maßnahme durchführbar,
wie sich aus Abb. 5 ergibt. Es ist 112 der in schematischer Darstellung wiedergegebene
Heizleiter. Dieser ist gemäß der Erfindung mit einem kreisringförmigen Joch
13 ausgerüstet. Dieses Joch 13 kann beliebig ,auf der Spule 12 so verschoben
werden, daß es beispielsweise auch in die bei 13' dargestellte Lage kommt.
Entsprechend der ,Stellung der Spule i2 zum Joch ,i%3 ist das Aufheizen im ersten
Fall am stärksten an der Stelle il! des Heizleiters. In der anderen Stellung ist
das Aufheizen am stärksten an der Stelle 1q." des Heizleiters. Auch hier ist eine
Vielzahl von Zwischenstellungen möglich. Es kann aber auch ohne Joche eine ähnliche
Verlagerung der Heizzone erreicht werden, wenn dem Heizleiter geeignete Gestalt
verliehen und dieser dann gekippt oder geschwenkt wird.
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Unter Anwendung dieser Maßnahmen gelingt es, die Stoßstellen ineinander
verlaufender Härteschichten auf ein außerordentlich geringes, praktisch zu vernachlässigendes
Ausmaß zu beschränken. Das gleiche gilt für die Fälle, in denen es sich nur darum
handelt, in der Nähe verlaufender Härteschichten eine Beeinträchtigung der Vergütungseigenschaften
des Werkstückes in .der Auslaufzone zu vermeiden.
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Um :die Wirkung des Verfahrens zu unterstützen, ist es zweckmäßig,
Abschreckeinri.chtungen
zu benutzen, deren Spritzbrause in Richtung
des Vorschubes eine größere Erstreckung aufweist, als der Heizleiter in Vorsichubricbtung
besitzt. Es kann ferner zur Verbesserung der Wirkung des Verfahrens beitragen, wenn
das Heizgerät selbst mit einer Abschreckeinrichtung versehen ist, und zwar wird
diese vorzugsweise so ausgebildet, daß sie von .dem im Heizleiter fließenden Kühlwasser
gespeist wird. Wie an sich schon vorgeschlagen, können ferner an den zu verwendenden
Vorrichtungen Mittel vorgesehen sein, die ein unerwünschtes Zurücklaufen des Abschreckmittels
unter .das Heizgerät verhindern, wie z. B. an geeigneter Stelle vorgesehene Preßluftdüsen,
die einen Luftstrom unter der Heizeinrichtung hindurchblasen.
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Bei der Ausübung des Verfahrens, gemäß welchem das Heizgerät vom umlaufenden
Werkstück auf einer kurzen Wiegstrecke mitgenommen wird, ist es zweckmäßig, sich
mechanisch, hydraulisch oder magnetisch am Werkstück befestigter Klammern zu bedienen,
die als Nocken oder Mitnehmer ausgebildetdas Heizgerät im vorbestimmten Augenblick
erfassen und bis zum Stillstand der Gesamteinrichtung mitnehmen.
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Das Verfahren und die Vorrichtung können auch bei der Behandlung anderer
metallischer Werkstoffe als Stahl angewendet werden, sofern diese Legierungen infolge
ihres Gefügeaufbaues auf eine solche Wärmebehandlung ansprechen.