WO1995025182A1 - Verfahren und vorrichtung zum beeinflussen von mass- und formänderungen beim härten von werkstücken - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for influencing dimensional and shape changes when hardening, in particular, rotationally symmetrical workpieces.
  • Hardness refers to a heat treatment in which the workpiece is cooled in a quenching medium, starting from the hardening temperature with an austenitic structure, in such a way that martensite is formed.
  • warpage occurs, which can be subdivided into an unavoidable proportion resulting from structural changes and an avoidable proportion which depends on process-specific circumstances.
  • the workpieces are placed on mechanical aids with a predetermined diameter immediately after carburizing and cooled in the quenching medium. In the course of this cooling, the workpieces shrink to this diameter with plastic and elastic deformation.
  • dome fixtures are used in the context of the present invention.
  • the object of the present invention is to simplify and reduce the cost of the known methods for influencing dimensional and shape changes during hardening using dome fixings.
  • a method for influencing dimensional and shape changes during the hardening of workpieces according to the generic term, which comprises the process steps: stacking the workpieces on the mandrel fixture, carburizing and quenching the workpieces located on the mandrel fixture, and removing the workpieces from the Dornfixtur is marked.
  • the proposed method is associated with a number of valuable advantages.
  • the hardness results are highly reproducible. No complicated handling of the parts in the furnace is required. Due to the simplified process sequence, simpler and therefore cheaper ovens can be used.
  • the furnaces can easily be loaded automatically. Different parts can be produced in a single batch of furnace. As a result of the simplification, there is great potential for savings compared to the previous costs of heat treatment.
  • a mechanical aid according to the invention for hardening workpieces that shrink in a quenching medium to a predetermined diameter with plastic and elastic deformation consists in the fact that this aid is a mandrel fixture that does not carburize when the workpieces are carburized. Accordingly, the surface of the mandrel fixture is not converted into a hardness structure
  • the coating can preferably be produced by nickel plating or copper plating.
  • a thorn fixture with a high resistance to aging is characterized by the fact that it is made from a high-alloy steel.
  • the process is based on the knowledge that time and cost savings when hardening workpieces in ongoing production can be achieved if the individual work steps: carburizing the workpieces, stacking the workpieces on the mandrel fixture and quenching with plastic and elastic deformation of the workpieces , can be combined with one another in a process sequence.
  • the hardening process according to the invention is composed of the steps: stacking the workpieces on a mandrel fixture, carburizing and quenching the workpieces.
  • the mandrel fixture and the workpieces to be hardened are hardened brought temperature. When quenching under oil, the workpieces shrink onto the mandrel fixture.
  • the mandrel fixture takes longer to quench (to the oil temperature). Because of the difference in volume due to the temperature gradient between the workpieces and the mandrel fixture, the workpieces initially shrink - with predominantly plastic deformation - to a larger diameter of the mandrel fixture. As the cooling continues, the diameter of the mandrel fixture decreases, with the workpiece following this change in diameter. In this section of the process, plastic deformation can again take place, which, however, is significantly less, measured in terms of the proportion of plastic deformation in the first process step. In order to keep the workpieces flat during quenching, it is advantageous to weight the workpieces with a weight after stacking them on the mandrel fixture. After the final quenching of the workpieces, the mandrel fixture shrinks to its original size, so that the workpieces can be easily removed from the mandrel fixture.
  • the proposed method requires a mandrel fixture that does not carburize when the workpieces are carburized. H. there is no conversion of the surface of the mandrel fixture into a hardness structure. To prevent this carburizing of the mandrel fixture, it can be nickel-plated or copper-plated, for example. As an alternative to this, the mandrel fixture can be made from a high-alloy steel which does not follow the process of conversion into a hardness structure.
  • both a nickel-plated and copper-plated surface of the mandrel fixture and a mandrel fixture made of a high-alloy steel have shown excellent aging resistance in practical applications.
  • the advantages of the method according to the invention are that the hardness results are very reproducible.
  • the elaborate handling of the workpieces in the furnace, as is sometimes the case with the known methods, is eliminated.
  • Simpler and therefore cheaper ovens can be used.
  • the loading of the furnaces can be automated with simple means. A chaotic production of different parts in one furnace batch is possible.
  • the process is characterized by a high saving potential.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beeinflussen von Mass- und Formänderungen beim Härten von Werkstücken. Zum Härten von Werkstücken werden mechanische Hilfsmittel, insbesondere Dornfixturen, eingesetzt. Die aufgekohlten Werkstücke werden bei bekannten Verfahren auf diese Dornfixturen aufgelegt und abgeschreckt. Um ein Verfahren zum Härten unter Einsatz von Dornfixturen zu vereinfachen und zu verbilligen, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, die einzelnen Arbeitssgänge: Aufkohlen, Stapeln der Werkstücke auf der Dornfixtur und Abschrecken in einem Verfahrensablauf miteinander zu kombinieren. Ein mechanisches Hilfsmittel, das im Rahmen dieses Verfahrens eingesetzt wird, besteht aus einem Material, das beim Aufkohlen der Werkstücke nicht mit aufkohlt, d.h. es erfolgt keine Umwandlung der Oberfläche der Dornfixtur in ein Härtegefüge.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Beeinflussen von Maß- und Formänderungen beim Härten von Werkstücken
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Be¬ einflussen von Maß- und Formänderungen beim Härten von ins¬ besondere rotationssymmetrischen Werkstücken.
Es ist bekannt, daß die Martensit-Bildung eine erheb- liehe Härtesteigerung von Stahl bewirkt. Mit Härten be¬ zeichnet man eine Wärmebehandlung, bei der das Werkstück, ausgehend von der Härtetemperatur bei austenitischem Gefü¬ ge, in einem Abschreckmedium in der Weise abgekühlt wird, daß es zur Martensit-Bildung kommt. Beim Härten von Bautei- len tritt Verzug auf, der in einen unvermeidbaren Anteil, resultierend aus den Gefügeumwandlungen, und einen vermeid¬ baren Anteil, der von prozeßspezifischen Gegebenheiten ab¬ hängt, unterteilt werden kann.
Zum Härten werden die Werkstücke unmittelbar nach dem Aufkohlen auf mechanische Hilfsmittel mit einem vorgegebe¬ nen Durchmesser aufgelegt und im Abschreckmedium abgekühlt. Im Verlauf dieser Abkühlung schrumpfen die Werkstücke auf diesen Durchmesser unter plastischer und elastischer Ver- formung auf .
Zu den erwähnten mechanischen Hilfsmitteln zählen so¬ genannte Domfixturen sowie kraftgebundene Vorrichtungen, sogenannte Spreizwerkzeuge. Im Rahmen der vorliegenden Er- findung werden Domfixturen eingesetzt.
Aus der DE-A 41 33 799 ist ein Verfahren zum Härten von rotationssymmetrischen Werkstücken bekanntgeworden, bei dem das Abschrecken der Werkstücke in mindestens zwei Zeit- abschnitten erfolgt. In einem ersten Zeitabschnitt schrumpft das Werkstück auf einen ersten Durchmesser des mechanischen Hilfsmittels unter vorwiegend plastischer Ver¬ formung auf. In einem anschließenden weiteren Zeitabschnitt wird dieser Vorgang fortgesetzt in der Weise, daß das Werk- stück auf einen geringeren zweiten Durchmesser auf¬ schrumpft. Der Anteil der plastischen Verformung ist wäh¬ rend dieses Zeitabschnitts wesentlich geringer.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren zum Beeinflussen von Maß- und Form¬ änderungen beim Härten unter Einsatz von Domfixturen zu vereinfachen und zu verbilligen.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Verfahren zum Beeinflussen von Maß- und Formänderungen beim Härten von Werkstücken nach dem Gattungsbegriff bereitgestellt, das durch die Verfahrensschritte: Stapeln der Werkstücke auf der Dornfixtur, Aufkohlen und Abschrecken der auf der Dornfixtur befindlichen Werkstücke sowie Entfernen der Werkstücke von der Dornfixtur gekennzeichnet ist. Das vor¬ geschlagene Verfahren ist mit einer Reihe von wertvollen Vorteilen verbunden. Die Härteergebnisse sind in hohem Maße reproduzierbar. Es ist kein aufwendiges Handhaben der Teile im Ofen erforderlich. Durch den vereinfachten Verfahrens- ablauf können einfachere und damit preiswertere Öfen ver¬ wendet werden. Das Beschicken der Öfen kann einfach automa¬ tisiert werden. In einer einzigen Ofencharge können unter¬ schiedliche Teile gefertigt werden. Durch die Vereinfachung steht ein hohes Einsparungspotential im Vergleich zu den bisherigen Kosten einer Wärmebehandlung zur Verfügung.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Werk¬ stücke nach dem Stapeln auf der Dornfixtur zu fixieren. Um auf diese Weise Verzug zu vermeiden, können die Werkstücke beispielsweise beschwert werden. Ein erfindungsgemäßes mechanisches Hilfsmittel zum Härten von Werkstücken, die in einem .Abschreckmedium auf einen vorgegebenen Durchmesser unter plastischer und ela¬ stischer Verformung aufschrumpfen, besteht darin, daß die- ses Hilfsmittel eine Dornfixtur ist, die beim Aufkohlen der Werkstücke nicht mit aufkohlt. Es findet demnach keine Um¬ wandle g der Oberfläche der Dornfixtur in ein Härtegefüge statt
Es hat sich herausgestellt, daß eine Beschichtung der Dornfixtur mit einem Material, die ein Aufkohlen verhin¬ dert, eine, insbesondere hinsichtlich ihres Verschleißes, vorteilhafte Lösung darstellt. Die Beschichtung kann vor¬ zugsweise durch Vernickeln oder Verkupfern erzeugt werden.
Eine Dornfixtur mit einer hohen Beständigkeit gegen Altern zeichnet sich dadurch aus, daß sie aus einem hoch¬ legierten Stahl gefertigt ist.
Das Verfahren nach der Erfindung sowie eine zur Durch¬ führung des Verfahrens geeignete Vorrichtung wird im fol¬ genden näher erläutert:
Das Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß eine Zeit- und Kostenersparnis beim Härten von Werkstücken in der laufenden Fertigung dann erzielt werden kann, wenn die einzelnen Arbeitsgänge: Aufkohlen der Werkstücke, Stapeln der Werkstücke auf der Dornfixtur und Abschrecken unter plastischer und elastischer Verformung der Werkstücke, in einem Verfahrensablauf miteinander kombiniert werden kön¬ nen. Demzufolge setzt sich das erfindungsgemäße Härtever¬ fahren aus den Arbeitsschritten: Stapeln der Werkstücke auf einer Dornfixtur, Aufkohlen und Abschrecken der Werkstücke, zusammen. Im Unterschied zu den bekannten Verfahren werden die Dornfixtur und die zu härtenden Werkstücke auf Härte- temperatur gebracht. Beim Abschrecken unter Öl schrumpfen die Werkstücke auf die Dornfixtur auf . Die Dornfixtur benö¬ tigt aufgrund ihrer größeren Masse länger, bis sie (auf die Öltemperatur) abgeschreckt ist. Wegen der Volumendifferenz aufgrund des Temperaturgefälles zwischen den Werkstücken und der Dornfixtur schrumpfen die Werkstücke zunächst - unter vorwiegend plastischer Verformung - auf einen grö¬ ßeren Durchmesser der Dornfixtur auf. Im weiteren Verlauf der Abkühlung verringert sich der Durchmesser der Dornfix- tur, wobei das Werkstück dieser Durchmesseränderung folgt. In diesem Verfahrensabschnitt kann nochmals eine plastische Verformung stattfinden, die, gemessen am Anteil der plasti¬ schen Verformung im ersten Verfahrensschritt, jedoch wesentlich geringer ist. Um die Werkstücke beim Abschrecken plan zu halten, ist es vorteilhaft, die Werkstücke nach dem Stapeln auf der Dornfixtur mit einem Gewicht zu beschweren. Nach dem endgültigen Abschrecken der Werkstücke schrumpft die Dornfixtur auf ihr Ausgangsmaß, so daß die Werkstücke problemlos von der Dornfixtur abgenommen werden können.
Das vorgeschlagene Verfahren setzt eine Dornfixtur voraus, die beim Aufkohlen der Werkstücke nicht mit auf¬ kohlt, d. h. es erfolgt keine Umwandlung der Oberfläche der Dornfixtur in ein Härtegefüge. Um dieses Aufkohlen der Dornfixtur zu verhindern, kann sie beispielsweise vernik- kelt oder verkupfert sein. Alternativ hierzu kann die Dorn¬ fixtur aus einem hochlegierten Stahl gefertigt sein, der den Umwandlungsprozeß in Härtegefüge nicht mitvollzieht.
Sowohl eine vernickelte als auch verkupferte Oberflä¬ che der Dornfixtur als auch eine Dornfixtur aus einem hoch¬ legierten Stahl haben bei praktischen Einsätzen eine her¬ vorragende Alterungsbeständigkeit gezeigt. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen zusammenfassend darin, daß die Härteergebnisse sehr gut reproduzierbar sind. Die aufwendige Handhabung der Werk¬ stücke im Ofen, wie sie teilweise bei den bekannten Verfah- ren anfällt, entfällt. Es können einfachere und damit preiswertere Öfen verwendet werden. Ferner kann das Be¬ schicken der Öfen mit einfachen Mitteln automatisiert wer¬ den. Es ist eine chaotische Fertigung unterschiedlicher Teile in einer Ofencharge möglich. Darüber hinaus zeichnet sich das Verfahren durch ein hohes Einsparungspotential aus .

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Beeinflussen von Maß- und Formände- rungen beim Härten von Werkstücken, die in einem Abschreck¬ medium auf mechanische Hilfsmittel, insbesondere eine Dorn¬ fixtur, mit einem vorgegebenen Durchmesser unter plasti¬ scher und elastischer Verformung aufschrumpfen, g e ¬ k e n n z e i c h n e t durch die Verfahrensschritte: Stapeln der Werkstücke auf der Dornfixtur, Aufkohlen und
Abschrecken der auf der Dornfixtur befindlichen Werkstücke sowie Entfernen der Werkstücke von der Dornfixtur.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n - z e i c h n e t , daß die Werkstücke nach dem Stapeln auf der Dornfixtur fixiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß die Werkstücke beschwert werden.
4. Mechanisches Hilfsmittel zum Härten von Werkstük- ken, die in einem Abschreckmedium auf einen vorgegebenen Durchmesser unter plastischer und elastischer Verformung aufschrumpfen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das mechanische Hilfsmittel eine Dornfixtur ist, die beim Aufkohlen der Werkstücke nicht mit aufkohlt, so daß keine Umwandlung der Oberfläche der Dornfixtur in ein Här¬ tegefüge erfolgt.
5. Mechanisches Hilfsmittel nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dornfixtur mit einer Beschichtung, die ein Aufkohlen verhindert, versehen ist.
6. Dornfixtur nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ihre Oberfläche vernickelt oder verkupfert ist.
7. Dornfixtur nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sie aus einem hochlegierten Stahl gefertigt ist.
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