WO1996033290A1 - Verfahren zur thermischen oder thermochemischen behandlung von präzisionsbauteilen aus stahl - Google Patents

Verfahren zur thermischen oder thermochemischen behandlung von präzisionsbauteilen aus stahl Download PDF

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Georg Schaeffler
Volker Ploetz
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Ina Wälzlager Schaeffler Kg
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/40—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rings; for bearing races
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article

Definitions

  • the invention relates to a method for the thermal or thermochemical treatment of precision components made of steel with different wall thicknesses, in particular cup tappets, roller bearing parts, gear and clutch elements with a hardening process.
  • Heat treatment is the collective name for manufacturing processes or the connection of several manufacturing processes for treating metallic materials in the solid state by thermal or thermochemical action with the aim of achieving certain processing and / or usage properties through structural changes.
  • Such processes have been known for a long time and have the aim of achieving the desired properties of steel alloys, for example high hardness due to the formation of martensite, by generating different phases and phase fractions, by phase conversion, or complete or partial carbide dissolution.
  • a disadvantage of such methods is that they cannot be used or can only be used to a limited extent for precision components with different wall thicknesses.
  • the entire precision component with its different wall thicknesses is always warmed through and, if necessary, is subjected to corresponding structural changes.
  • Such structural changes can, however, be undesirable for certain areas of the precision component if, for example, they are accompanied by a reduction in hardness.
  • the hardness is then also reduced in the areas where the highest possible hardness should be present due to the prevailing mechanical stress. If the hardened precision component, which is designed with different wall thicknesses, is not subjected to any subsequent heat treatment, cracking and susceptibility to breakage can subsequently occur in the thin-walled section due to the hardening.
  • this object is achieved in accordance with the characterizing part of the main claim in that the precision components are subjected to partial reheating, so that structural changes preferably take place at the points affected.
  • This procedure ensures that a precision component with different wall thicknesses can also be provided with different mechanical properties, some of which are diametrically opposed. For example, it is possible that such a component has a particularly high hardness on a certain functional surface, while it has a significantly lower hardness elsewhere and is therefore tougher, ie less susceptible to breakage.
  • the reheating is an inductive starting process or a starting process using a laser.
  • tempering is understood to mean a heat treatment which converts the material to a nearer equilibrium state if it has previously been brought into a physico-chemical unbalanced state during a cooling process.
  • the internal stresses are more or less reduced by tempering, the tendency to age and brittleness are reduced and the machinability is improved.
  • Hardness, tensile strength and yield strength also decrease during tempering, while elongation, constriction, impact strength and number of bends increase.
  • Inductive tempering is also to be understood in a known manner that the precision component is heated in the correspondingly desired sub-area by the development of eddy currents by resistance heating.
  • the cylindrical wall of a tappet should be left on. This is particularly advantageous since the bottom of the cup tappet, which is loaded with a cam, is not affected by the reduction in hardness associated with the tempering and consequently has a particularly high mechanical wear resistance. In contrast, the cylindrical wall, which is axially movable in a bore in a cylinder head, experiences a reduction in its sensitivity to fracture and an increase in its toughness as a result of the tempering treatment.
  • the method according to the invention is not limited to precision components made of steel with different wall thicknesses. Precision parts with the same wall thickness can be used just as well.
  • This relates, for example, to rolling bearing parts, gearbox and coupling elements which, according to claim 6, are subjected to partial reheating in the region of a break-sensitive zone following the hardening process, so that structural changes preferably take place at the places where the pressure is applied.
  • internal stresses are relieved and the brittleness reduced at the points where the force is applied, while the elongation and the number of bends increase.
  • a collar of an axial angle disk is left on according to claim 8.
  • This partial starting process influences the collar or the retaining projections located on it in the desired manner, i. H. ductile and thus correspondingly easier to deform, so that when there is a tight fit on a surrounding component, in particular in the case of high overlaps, there is no risk of the collar breaking or the retaining projections not breaking off.
  • FIG. 1 shows a temperature-time regime for a heat treatment variant
  • FIG. 2 shows a partial longitudinal section through a mechanical plunger construction
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a hydraulic tappet construction
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through an axial bearing
  • Figure 5 is an enlarged sectional view of the detail "Z" from Figure
  • the tappet 1 shown in Figure 2 consists of a hollow cylindrical wall 2, which in the direction of a cam, not shown, with a bottom
  • the bottom 3 has a substantially greater material thickness than the hollow cylindrical wall 2.
  • the hollow cylindrical wall 2 is provided in its lower part with a circumferential groove 4, so that there is a reduced wall thickness, particularly in this area.
  • this plunger construction in particular, the case can now occur that the cylindrical wall 2 in the region of the groove as a result of previous heat treatments
  • FIG. 3 shows a hydraulic tappet construction in which a funnel part 7 extends from the hollow cylindrical wall 2 and merges into a guide sleeve 8 in which a hydraulic play compensation element (not shown) is guided so as to be longitudinally displaceable.
  • a funnel part 7 extends from the hollow cylindrical wall 2 and merges into a guide sleeve 8 in which a hydraulic play compensation element (not shown) is guided so as to be longitudinally displaceable.
  • a hydraulic play compensation element not shown
  • FIG. It A possible thermal treatment process is shown schematically in FIG. It consists of the hardening and tempering sub-stages.
  • FIGS. 4 and 5 show an axial angle disk 9 as part of an axial bearing 10.
  • the axial angle disk 9 has a radial section 11 which merges into a collar 12 on the inner circumference.
  • a radially inwardly directed retaining projection 13 is attached, which has a flattened, rounded cross-sectional contour, as can be seen in the enlarged illustration of the detail "Z" in FIG. 5.
  • the holding projection 13 serves to center and hold the axial angle disk 9.
  • the collar 12 has an outwardly directed flange 14 for holding the cage 1 5.
  • the axial bearing is completed by a further axial angle disk 16 with a collar 17 and the rolling elements 18.
  • the axial angle disk 9 is supported with a contact side 19 on a component, for. B. a housing that is not shown in Figure 4.
  • the axial angle disk 9 is mutually provided with a run-on side 20 on which the rolling elements 18 are guided.
  • the collar 12 with the holding projections 1 3 is subjected to a starting process, the collar 12 will not tend to crack when the axial angle disk is fastened in a housing, or the holding projections 1 3 will not flake off. Since this tempering treatment only covers the collar 12 or the holding projections 1 3, the hardness of the radial section 11 of the axial angle disk 9, ie the track of the rolling elements 20, is not changed.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen oder thermochemischen Behandlung von Präzisionsbauteilen aus Stahl mit unterschiedlichen Wanddicken und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Präzisionsbauteile einer partiellen Nacherwärmung unterworfen sind, so daß Gefügeveränderungen bevorzugt an den beaufschlagten Stellen erfolgen. Dadurch wird erreicht, daß an derartigen Präzisionsbauteilen mit unterschiedlicher Wandstärke unterschiedliche mechanische Eigenschaften eingestellt werden können.

Description

Beschreibung
Verfahren zur thermischen oder thermochemischen Behandlung von
Präzisionsbauteilen aus Stahl
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen oder thermochemischen Behandlung von Präzisionsbauteilen aus Stahl mit unterschiedlichen Wanddik- ken, insbesondere Tassenstößel, Wälzlagerteile, Getriebe- und Kupplungsele¬ mente mit einem Härtevorgang.
Hintergrund der Erfindung
Unter Wärmebehandlung ist hierbei die Sammelbezeichnung für Fertigungsver¬ fahren oder die Verbindung mehrerer Fertigungsverfahren zur Behandlung metallischer Werkstoffe im festen Zustand durch thermische oder thermisch¬ chemische Einwirkung mit dem Ziel, durch Gefügeveränderungen bestimmte Verarbeitungs- und/oder Gebrauchseigenschaften zu erreichen. Derartige Ver¬ fahren sind seit langem bekannt und haben das Ziel, durch Erzeugung unter¬ schiedlicher Phasen und Phasenanteile, durch Phasenumwandlung, vollständige oder teilweise Karbidauflösung gewünschte Eigenschaften von Stahllegierungen zu erzielen, beispielsweise eine hohe Härte durch Martensitbildung. So ist es in diesem Zusammenhang bekannt, Präzisionsbauteile derart wärmezubehandeln, daß die zunächst gehärtet und anschließend insgesamt verschiedenen Wärmebe¬ handlungsverfahren unterworfen werden (Technologie der Wärmebehandlung von Stahl, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1 987, Seite 238 ff). Nachteilig bei solchen Verfahren ist, daß sie für Präzisionsbauteile mit unter¬ schiedlichen Wandstärken nicht bzw. nur bedingt anwendbar sind. So wird beispielsweise bei einer Wärmebehandlung immer das gesamte Präzisions¬ bauteil mit seinen unterschiedlichen Wandstärken durchgewärmt und somit ggf. entsprechenden Gefügeänderungen unterworfen. Derartige Gefügeänderungen können aber für bestimmte Bereiche des Präzisionsbauteiles unerwünscht sein, wenn sie beispielsweise mit einer Härteverminderung einhergehen. In diesen Fällen wird nämlich dann auch an den Bereichen die Härte verringert, an denen aber aufgrund der vorherrschenden mechanischen Beanspruchung eine mög- liehst hohe Härte vorhanden sein sollte. Wird das gehärtete, mit unterschiedli¬ chen Wandstärken ausgebildete Präzisionsbauteil keiner anschließenden Wär¬ mebehandlung unterzogen, so kann im dünnwandigen Abschnitt aufgrund der Durchhärtung anschließend Rißbildung und Bruchempfindlichkeit auftreten.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur thermischen bzw. thermo¬ chemischen Behandlung von Präzisionsbauteilen aus Stahl mit unterschiedlichen Wandstärken so weiter zu entwickeln, daß die die mechanischen Eigenschaften beeinflussenden Gefügeumwandlungen nur an den gewünschten Stellen statt¬ finden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem Kennzeichen des Hauptan¬ spruchs dadurch gelöst, daß die Präzisionsbauteile einer partiellen Nacherwär- mung unterworfen sind, so daß Gefügeveränderungen bevorzugt an den beauf¬ schlagten Stellen erfolgen. Durch diese Verfahrensweise ist gesichert, daß ein Präzisionsbauteil mit unterschiedlichen Wandstärken auch mit unterschiedli¬ chen, teils sich diametral gegenüberstehenden mechanischen Eigenschaften versehen werden kann. So ist es beispielsweise möglich, daß ein solches Bauteil an einer bestimmten Funktionsfläche eine besonders hohe Härte aufweist, während es an anderer Stelle eine wesentlich geringere Härte besitzt und dafür entsprechend zäher, d. h. weniger bruchempfindlich ist. 3
Weitere, erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprü¬ che und werden im folgenden näher beschriebe. So ist nach Anspruch 2 vor¬ gesehen, daß die Nacherwärmung ein induktiver Anlaßvorgang oder ein Anla߬ vorgang mittels Laser ist. In bekannter Weise wird dabei unter Anlassen eine Wärmebehandlung verstanden, die den Werkstoff in einen gleichgewichts¬ näheren Zustand überführt, wenn er zuvor bei einem Abkühlungsprozeß in einen physikalisch-chemischen Ungleichgewichtszustand versetzt wurde. Spe¬ ziell bei abgeschreckten bzw. gehärteten Eisenwerkstoffen werden durch das Anlassen die inneren Spannungen mehr oder weniger weitgehend abgebaut, Alterungsneigung und Sprödigkeit werden verringert und die Bearbeitbarkeit wird verbessert. Weiter nehmen Härte, Zugfestigkeit und Streckgrenze beim Anlassen ab, während Dehnung, Einschnürung, Kerbschlagzähigkeit und Biege¬ zahl zunehmen. Es ist erkennbar, daß dann durch diesen partiellen Anlaßvor¬ gang die gewüschten Eigenschaften an der bevorzugten Stelle des Präzisions- bauteiles eingestellt werden können. Unter induktivem Anlassen ist dabei in ebenfalls bekannter Weise zu verstehen, daß das Präzisionsbauteil durch das Entstehen von Wirbelströmen durch Widerstandserwärmung im entsprechend gewünschten Teilbereich erwärmt wird.
Aus Anspruch 3 geht hervor, daß mechanisch nicht so hoch beanspruchte Teile, d. h. Teile mit verringerter Wandstärke angelassen sind. Wie vorstehend be¬ schrieben, nimmt dann in diesem Bereich die Härte ab.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 4 soll die zylin- drische Wandung eines Tassenstößels angelassen sein. Dies ist besonders von Vorteil, da der mit einem Nocken beaufschlagte Boden des Tassenstößels nicht von der mit dem Anlassen verbundenen Härteverminderung erfaßt ist und demzufolge eine besonders hohe mechanische Verschleißfestigkeit aufweist. Dem gegenüber erfährt die in einer Bohrung eines Zylinderkopfes axial be- weglich angeordnete zylindrische Wandung durch die Anlaßbehandlung eine Verringerung ihrer Bruchempfindlichkeit und eine Zunahme ihrer Zähigkeit. Das gleiche gilt nach Anspruch 5 für ein Trichterteil eines hydraulischen Tassen¬ stößels. Natürlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf Präzisionsbauteile aus Stahl mit unterschiedlichen Wanddicken beschränkt. Genauso gut können Präzisionsteile eingesetzt werden, die eine gleiche Wandstärke besitzen. Dies betrifft beispielsweise Wälzlagerteile, Getriebe- und Kupplungselemente, die gemäß Anspruch 6 im Anschluß an den Härtevorgang im Bereich einer bruch¬ empfindlichen Zone einer partiellen Nacherwärmung unterworfen sind, so daß Gefügeveränderungen bevorzugt an den beaufschlagten Stellen erfolgen. Wie bereits beschrieben, werden dabei an den beaufschlagten Stellen innere Span¬ nungen abgebaut und die Sprödigkeit verringert, während Dehnung und Biege- zahl zunehmen.
Dies wird nach Anspruch 7 dadurch möglich, daß für die Nacherwärmung ein induktiver Anlaßvorgang oder ein Anlaßvorgang mittels Laser verwendet wird.
In besonders vorteilhafter Weise wird dabei gemäß Anspruch 8 ein Kragen einer Axialwinkelscheibe angelassen. Durch diesen partiellen Anlaßvorgang werden der Kragen bzw. an ihm befindliche Haltevorsprünge in gewünschter Weise so beeinflußt, d. h. duktil und damit entsprechend leichter verformbar, so daß bei einem Festsitz an einem Umgebungsbauteil, insbesondere bei hohen Über- deckungen, keine Bruchgefahr des Kragens besteht bzw. die Haltevorsprünge nicht abbrechen.
Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 ein Temperatur-Zeit-Regime für eine Wärmebehandlungsva¬ riante;
Figur 2 einen teilweisen Längsschnitt durch eine mechanische Stößel¬ konstruktion; Figur 3 einen Längsschnitt durch eine hydraulische Stößelkonstruk¬ tion;
Figur 4 einen Längsschnitt durch ein Axiallager;
Figur 5 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Einzelheit "Z" aus Figur
4.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der in Figur 2 dargestellte Tassenstößel 1 besteht aus einer hohlzylindrischen Wandung 2, die in Richtung eines nicht dargestellten Nockens mit einem Boden
3 verschlossen ist. Der Boden 3 weist gegenüber der hohlzylindrischen Wan¬ dung 2 eine wesentlich größere Materialstärke auf. Die hohlzylindrische Wan- dung 2 ist in ihrem unteren Teil mit einer umlaufenden Nut 4 versehen, so daß besonders in diesem Bereich eine verringerte Wandstärke gegeben ist. Speziell bei dieser Stößelkonstruktion kann nun der Fall eintreten, daß infolge vorange¬ gangener Wärmebehandlungen die zylindrische Wandung 2 im Bereich der Nut
4 durchgehärtet, d. h. relativ bruchempfindlich ist. Würde nun der gesamte Tassenstößel 1 einer Anlaßbehandlung unterworfen, so würde insbesondere der verstärkt ausgebildete Boden 3 auch in seiner Härte verringert, so daß ein erhöhter abrasiver Verschleiß zwischen Boden 3 des Tassenstößels 1 und dem zeichnerisch nicht dargestellten Nocken auftreten würde. Wird demgegenüber der Tassenstößel 1 im Bereich der Nut 4 einer Anlaßbehandlung unterworfen, so wird nur in diesem Bereich 4 durch entsprechende Gefügeveränderungen die Bruchempfindlichkeit der zylindrischen Wandung verringert, während der Boden 3 in seiner Härte nicht beeinflußt ist.
Die in Figur 3 dargestellte Ausführung zeigt eine hydraulische Stößelkonstruk- tion, bei der von der hohlzylindrischen Wandung 2 ein Trichterteil 7 ausgeht, das in eine Führungshülse 8 übergeht, in der ein nicht dargestelltes hydrauli¬ sches Spielausgleichselement längsverschieblich geführt ist. Auch hier kann der Fall eintreten, daß infolge vorangegangener Wärmebehandlungen das Trichter- teil 7 durchgehärtet, d. h. bruchempfindlich ist. Dieses Trichterteil 7 wird daher nun ebenfalls einer Anlaßbehandlung unterworfen, so daß wiederum der Boden 3 in seiner Härte nicht beeinflußt ist.
In Figur 1 ist schematisch ein mögliches thermisches Behandlungsverfahren dargestellt. Es besteht aus den Teilstufen Härten und Anlassen.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine Axialwinkelscheibe 9 als Bestandteil eines Axiallagers 10. Die Axialwinkelscheibe 9 weist einen Radialabschnitt 1 1 auf, der am inneren Umfang in einen Kragen 12 übergeht. Im Bereich des Kragens 12 ist ein radial nach innen gerichteter Haltevorsprung 13 angebracht, der eine abgeflachte, gerundete Querschnittskontur aufweist, wie in der vergrößerten Abbildung der Einzelheit "Z" in Figur 5 zu ersehen ist. Der Haltevorsprung 13 dient der Zentrierung und der Halterung der Axialwinkelscheibe 9. Der Kragen 12 besitzt einen nach außen gerichtete Umbördelung 14 zur Halterung des Käfigs 1 5. Das Axiallager wird durch eine weitere Axialwinkelscheibe 16 mit Kragen 1 7 und den Wälzkörpern 18 komplettiert. Die Axialwinkelscheibe 9 stützt sich mit einer Anlageseite 19 an einem Bauteil ab, z. B. einem Gehäuse, das in Figur 4 nicht abgebildet ist. Gegenseitig ist die Axialwinkelscheibe 9 mit einer Anlaufseite 20 versehen, auf der die Wälzkörper 18 geführt sind.
Wird nun in der erfindungsgemäß beanspruchten Weise der Kragen 12 mit den Haltevorsprüngen 1 3 einem Anlaßvorgang unterworfen, so wird bei einer Befestigung der Axialwinkelscheibe in einem Gehäuse der Kragen 12 nicht zur Rißbildung neigen bzw. die Haltevorsprünge 1 3 werden nicht abplatzen. Da diese Anlaßbehandlung nur den Kragen 12 bzw. die Haltevorsprünge 1 3 erfaßt, wird der Radialabschnitt 1 1 der Axialwinkelscheibe 9, d. h. die Laufbahn der Wälzkörper 20 in ihrer Härte nicht verändert. Bezugszeichen
1 Stößel
2 zylindrische Wandung
3 Boden
4 Nut 5 Härten
6 Anlassen
7 Trichterteil
8 Führungshülse
9 Axialwinkelscheibe 10 Axiallager
1 1 Radialabschnitt
12 Kragen
13 Haltevorsprung
14 Umbördelung 15 Käfig
16 Axialwinkelscheibe
1 7 Kragen
18 Wälzkörper
19 Anlageseite 20 Anlaufseite

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur thermischen oder thermochemischen Behandlung von Präzi¬ sionsbauteilen aus Stahl mit unterschiedlichen Wanddicken, insbesondere Tassenstößel (1 ), Wälzlagerteile, Getriebe- und Kupplungselemente mit einem Härtevorgang, dadurch gekennzeichnet, daß die Präzisionsbauteile im Anschluß an den Härtevorgang im Bereich ihrer geringeren Wanddicke bzw. einer bruch¬ empfindlichen Zone einer partiellen Nacherwärmung unterworfen sind, so daß Gefügeveränderungen bevorzugt an den beaufschlagten Stellen erfolgen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Nacherwär- mung ein induktiver Anlaßvorgang (6) oder ein Anlaßvorgang (6) mittels Laser ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mechanisch nicht so hoch beanspruchte Teile, die eine verringerte Wandstärke aufweisen, ange- lassen sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß eine zylindrische Wandung (2) des Tassenstößels (1 ) angelassen ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Trichterteil (7) des Tassenstößels (1 ) angelassen ist.
6. Verfahren zur thermischen oder thermochemischen Behandlung von Präzi¬ sionsbauteilen aus Stahl, insbesondere Wälzlagerteile, Getriebe- und Kupplungs- elemente mit einem Härtevorgang, dadurch gekennzeichnet, daß die Präzisions¬ bauteile im Anschluß an den Härtevorgang im Bereich einer bruchempfindli¬ chen Zone einer partiellen Nacherwärmung unterworfen sind, so daß Gefüge¬ veränderungen bevorzugt an den beaufschlagten Stellen erfolgen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Nacher¬ wärmung ein induktiver Anlaßvorgang (6) oder ein Anlaßvorgang (6) mittels Laser verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kragen (12) und/oder radiale Haltevorsprünge (13) einer Axialwinkelscheibe (9) eines Axiallagers (10) angelassen sind.
PCT/EP1996/000661 1995-04-18 1996-02-16 Verfahren zur thermischen oder thermochemischen behandlung von präzisionsbauteilen aus stahl WO1996033290A1 (de)

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