WO2022049150A1 - Verfahren und vorrichtung zur induktiven härtung einer randschicht - Google Patents

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cooling device
inductor
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inductor arrangement
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Stefan Dappen
Sascha Brill
Dirk MÜHLHOFF
Michael Dawidowicz
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Definitions

  • the invention relates to a method for the inductive hardening of a surface layer of a surface surrounding a ring-shaped component, the circumferential surface having a starting zone, an intermediate zone adjoining the starting zone and an end zone adjoining the starting zone and the intermediate zone.
  • the invention also relates to a device for the inductive hardening of a surface layer of a surface surrounding an annular component.
  • Methods for the inductive hardening of a surface layer refers to methods in which the surface layer of a material adjoining the surface to be hardened, in particular the steel material of which the component carrying the surface consists, is heated by means of an electromagnetic field induced in the component Hardening temperature is heated and in which the section of the surface layer thus heated is then cooled sufficiently quickly by application of a suitable quenching agent in order to produce a hardened structure in the relevant surface section.
  • inductive surface layer hardening is already known from the prior art and is explained, for example, in leaflet 236, "Heat treatment of steel - surface layer hardening", 2009 edition.
  • the aforementioned information sheet 236 is published by the Steel Industry Association and can be found at the following URL: https://www.stahl- online.de/wp-content/uploads/2019/04/MB236_Waermetreatment_von_Stahl_ Rand harshhaerten.pdf, retrieved on July 14, 2020.
  • the ring-shaped components on which surfaces can be surface layer hardened using the method according to the invention and the device according to the invention are typically bearing rings for large roller bearings or likewise.
  • Such bearing rings are used, for example, for the roller bearings in which the rotors of large wind turbines are mounted, or for roller bearings in which tower cranes and the like are mounted so as to be rotatable about a vertical axis.
  • the diameters of such bearings are typically in the range of 40 cm - 1000 cm.
  • Circumferential surfaces of such large ring-shaped components can be surface hardened particularly effectively by using inductor arrangements, with the inductor arrangements and the circumferential surface to be hardened being moved relative to one another.
  • the inductor arrangements successively heat the surface section of the circumferential surface that is covered by the electromagnetic field they generate to the hardening temperature.
  • the surface sections heated in this way are then quenched by cooling devices, for example by means of a shower following the inductor arrangements.
  • the start zone of the surface to be hardened proves to be less problematic than the end zone, since a previously heated surface section does not have to be quenched at the same time as the start zone is being heated, and there is therefore sufficient time available to also heat the area from to bring the electromagnetic fields of the inductor arrangement not directly swept area to hardening temperature.
  • the present invention is based on the object of creating a method and a device of the type mentioned at the outset, which enable a surface layer to be hardened in an advantageous and energy-efficient manner in terms of the process.
  • this object is achieved according to a first aspect of the invention by a method according to claim 1 and according to a second aspect of the invention by a device according to claim 12.
  • the method for the inductive hardening of a surface layer according to the first aspect of the invention comprises the following steps:
  • the initial zone, the intermediate zone and the final zone of the circumferential surface quenching the initial zone, the intermediate zone and the final zone of the circumferential surface with at least one first cooling device; Tempering the initial zone, the intermediate zone and the end zone of the circumferential surface by means of at least one second inductor arrangement to a tempering temperature, the device comprising the first inductor arrangement, at least one first cooling device and the second inductor arrangement and the annular component being moved relative to one another in a circumferential direction of the circumferential surface.
  • the device for inductive hardening of a surface layer of a surface surrounding a ring-shaped component comprises: a holder for a ring-shaped component; at least a first inductor arrangement for heating a peripheral surface of the component to a hardening temperature and at least a second inductor arrangement for tempering the peripheral surface of the component; and at least one first cooling device for quenching the peripheral surface heated to hardening temperature.
  • the hardening temperature and the tempering temperature depend on the materials of the ring-shaped components to be hardened and can be variably adjusted depending on the ring-shaped components.
  • the materials of the ring-shaped components can be 42CrMo4 (QT) or 100Cr6, for example.
  • the hardening temperature is above 723°C with the tempering temperature below 723°C.
  • the tempering temperature is preferably between 180°C and 350°C.
  • the device preferably includes all inductor arrangements and cooling devices, with the device and the component being moved relative to one another.
  • the initial zone, the intermediate zone and the final zone can be reliably hardened, quenched, tempered and cooled.
  • the entire circumference of the ring-shaped component can therefore be treated in one process, since the device and the component are moved relative to one another and the device has a second inductor arrangement for annealing the circumferential surface of the ring-shaped workpiece.
  • the hardness of the annular component can be adjusted without the need to temper the annular component in a furnace as a separate process step.
  • the hardness of the initial zone, the intermediate zone and the final zone of the annular member can be adjusted.
  • the productivity of the hardening process can be increased since the tempering process or the tempering of the peripheral surface of the ring-shaped workpiece can be carried out at least partially simultaneously with the hardening process.
  • starting by means of the second inductor arrangement is more energy-efficient, since a furnace does not have to be heated or preheated to start the ring-shaped component.
  • the required installation space can be reduced by omitting the furnace and charging times can be reduced.
  • the first inductor arrangement preferably first heats the initial zone, then the intermediate zone and finally the end zone. Rotation of the annular member or device enables the first inductor assembly to be engaged with the intermediate zone and the end zone.
  • engaged means that the intermediate zone and the end zone can also be heated to the hardening temperature by means of the first inductor arrangement. In particular, this is a thermal intervention between the first inductor arrangement and the intermediate zone as well as the end zone.
  • the first cooling device immediately thereafter quench the initial zone, intermediate zone and final zone, which have been brought to the hardening temperature, by means of a cooling medium.
  • the initial zone, the intermediate zone and the final zone have a temperature below the martensite finish temperature after quenching.
  • the first cooling device in particular the at least one shower of the first cooling device, can have an elongate extension in the peripheral direction of the ring-shaped component.
  • the second cooling device sets a desired entry temperature and/or defined tempering parameters for the start zone, intermediate zone and end zone for the second inductor arrangement.
  • cooling devices used according to the invention for quenching and/or cooling direct a single jet of a cooling medium onto the zone to be quenched in each case, provided this jet is sufficiently strong and the volume of liquid discharged is sufficiently large to cool the zone to be hardened at the required speed to extract heat.
  • cooling devices, in particular showers have proven themselves for this purpose, which emit a large number of individual jets at the same time in order to zone to be quenched safely and completely with a sufficient amount of cooling medium for heat dissipation.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the initial zone is tempered by means of the second inductor arrangement as soon as a region of the intermediate zone essentially opposite the initial zone is heated by means of the first inductor arrangement. In this way, sufficient quenching and cooling down of the peripheral surface can be ensured, so that the microstructure of the peripheral surface can be set with sufficient hardness.
  • the zone to be started is started by means of the second inductor arrangement as soon as the zone to be started has at least one defined starting parameter, in particular a defined temperature for starting.
  • Other preferred tempering parameters are, for example, the amount of water and temperature in front of the zone to be tempered.
  • the time interval between heating to the hardening temperature and tempering is preferably reduced, so that the process times can be reduced. It is advantageous for this that the second inductor arrangement is arranged as closely as possible along the circumferential direction of the ring-shaped component behind the first inductor arrangement.
  • the second inductor arrangement is arranged behind the first inductor arrangement in the circumferential direction of the ring-shaped component such that the zone of the ring-shaped component to be started has defined starting parameters at the start of starting by means of the second inductor arrangement.
  • the tempering parameters are preferably calculated and designed as a function of the workpiece geometry and/or the material of the ring-shaped component.
  • a further embodiment of the invention provides that the first inductor arrangement is switched off after the end zone has been heated up and the second inductor arrangement is switched off after the end zone has been started up. Likewise, it is preferred that the first and second inductor assemblies are disengaged from the annular member. It is preferred that the first and second inductor assemblies first heat or anneal the initial zone, then the intermediate zone, and then the final zone.
  • the initial zone, the intermediate zone and the final zone of the circumferential surface are quenched by the first cooling device after heating to the hardening temperature without any significant time delay.
  • the first cooling device is preferably arranged adjacent to the first inductor arrangement. Accordingly, the initial zone can be quenched by the first cooling device once the first inductor assembly has completed heating the initial zone to the hardening temperature. The same applies to the intermediate zone and the end zone of the circumferential area.
  • the first cooling device immediately follows the first inductor arrangement or is arranged directly adjacent to the first inductor arrangement. It is preferred that the initial zone, the intermediate zone and the end zone of the peripheral surface are quenched after heating to the hardening temperature, for example within 10 seconds, i.e. without any significant time delay, using the first cooling device, in particular are quenched to below the martensite finish temperature.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the initial zone, the intermediate zone and the end zone of the peripheral surface are cooled by means of at least one second cooling device after heating to hardening temperature and quenching.
  • a substantially constant temperature of the initial zone, the intermediate zone and the final zone can be set before the tempering will. In this way, for example, defined starting parameters can be made available. It is preferred that a certain time interval is maintained between the cooling using the second cooling device and the quenching using the first cooling device.
  • the initial zone is cooled by means of the second cooling device as soon as the initial zone is rotated by essentially 80° to 100° relative to the first inductor arrangement method, especially moved on, was. It is preferred that the second cooling device is only switched on when the initial zone has been moved, in particular further, by substantially 80° to 100° relative to the first inductor arrangement. Accordingly, the ring-shaped component is only cooled by means of the second cooling device when essentially a quarter of the circumference of the peripheral surface of the ring-shaped component has already been brought to the hardening temperature by means of the first inductor arrangement.
  • the initial zone, the intermediate zone and the end zone of the peripheral surface are cooled by means of at least one third cooling device after the tempering.
  • controlled cooling of the peripheral surface after tempering can be ensured and a specific hardness of the peripheral surface can be set.
  • the initial zone is cooled by means of the third cooling device as soon as the second inductor arrangement starts an area of the intermediate zone that is offset from the initial zone.
  • the third cooling device is only switched on and the initial zone cools down when the initial zone has been moved, in particular further, by substantially 80° to 100° relative to the second inductor arrangement. accordingly the ring-shaped component is only then cooled by means of the third cooling device when essentially a quarter of the circumference of the peripheral surface of the ring-shaped component has already been brought to the tempering temperature by means of the second inductor arrangement. This enables a delay in tempering, as a result of which the hardness properties of the peripheral surface of the ring-shaped component can be further optimized.
  • the first cooling device after reaching the end zone, further cools the circumferential surface cooled by the third cooling device.
  • the first cooling device preferably cools the peripheral surface down to touch temperature. It is also possible for the second and/or the third cooling device to cool further until a desired temperature of the peripheral surface is reached.
  • the ring-shaped component is rotated relative to the device comprising the first inductor arrangement, at least one first cooling device and the second inductor arrangement in a direction of rotation of the peripheral surface at a rotational speed of between 3 mm/s and 12 mm/s . It has been found advantageous in terms of process efficiency to rotate the annular member relative to the device. The rotational speeds mentioned above enable sufficient heating of the circumferential surface with the power provided by the inductor arrangements.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the second inductor arrangement is rotated in the opposite direction to the direction of rotation of the peripheral surface of the annular member. This enables a slower relative speed of the second inductor arrangement to the component, as a result of which sufficient heating of the peripheral surface can be ensured even when less heat is emitted. In particular, can as a result, a shorter second inductor arrangement can be provided, as a result of which material costs can be saved. It is further preferred that the rotational speed of the second inductor arrangement is between 0.5 mm/s and 2 mm/s. As a result, reliable starting of the peripheral surface can be ensured even with a short second inductor arrangement.
  • the circumferential speed of the ring-shaped component is increased in the direction of rotation of the circumferential surface during the method for inductive hardening of the surface layer.
  • the process for inductive hardening of a surface layer can be completed more quickly.
  • the rotational speed of the second inductor assembly is adjusted to the increase in the peripheral speed of the orbital surface so as to enable smooth start-up of the orbital surface.
  • the second inductor arrangement is arranged essentially opposite the first inductor arrangement.
  • a further preferred embodiment of the invention is characterized in that the mount for the ring-shaped component is designed to be self-centering and that the mount is rotatably mounted.
  • a self-centering bearing can ensure essentially the same distance from the inductor arrangements and/or the cooling devices and thus a uniform microstructure of the peripheral surface of the ring-shaped component. Since the component expands when it is heated and shrinks when it is quenched and/or cooled, it is advantageous for the component to be centered by means of the self-centering receptacle even when its dimensions change. Being rotatably mounted allows both the inductor assemblies and the cooling devices to reliably engage the circumferential surface of the annular member.
  • the surface of the first inductor arrangement assigned to the ring-shaped component is essentially planar and the surface of the second inductor arrangement assigned to the ring-shaped component essentially corresponds to the profile of the circumferential surface of the ring-shaped component . Since the tempering temperature is lower than the hardening temperature, reliable tempering of the peripheral surface of the component can be ensured by adapting the second inductor arrangement.
  • the surface assigned to the ring-shaped component or the circumferential surface of the ring-shaped component is preferably configured concavely and/or adapted to the curvature of the ring-shaped component.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the first inductor arrangement, the at least one cooling device and/or the second inductor arrangement are distributed essentially in a circle around the circumferential direction of the circumferential surface of the ring-shaped component.
  • the second and the third cooling device are also arranged in an essentially circular manner distributed around the circumferential direction of the circumferential surface of the ring-shaped component.
  • the circumferential direction of the circumferential surface preferably corresponds to a direction of rotation of the circumferential surface. It is preferred that the first inductor arrangement and the second inductor arrangement are arranged substantially opposite one another.
  • the first cooling device is preferably arranged adjacent to the first inductor arrangement, with the first cooling device being arranged behind the first inductor arrangement in the direction of rotation of the receptacle.
  • first the first inductor arrangement comes into contact with the start, the intermediate or the end zone of the circumferential area and only then does the first cooling device.
  • the second and the third cooling device are arranged essentially opposite one another. It is further preferred that the second cooling device is essentially offset by 80° to 100° to the first inductor arrangement and the third cooling device substantially 80° to 100° to the second inductor assembly along the circumferential portion of the annular member.
  • FIG. 1 to 6 schematic top views of an embodiment of different phases of a method for inductive hardening of a surface layer.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of an exemplary embodiment of a device 2 for the inductive hardening of a surface layer of a surface 6 surrounding an annular component 4 in a first phase.
  • the peripheral surface 6 has an initial zone 8 and an intermediate zone 10 adjoining the initial zone 8 .
  • An end zone 12 is arranged between the intermediate zone 10 and the start zone 8 . It can be seen that the intermediate zone 10 extends over a larger circumference of the circumferential surface 6 than the beginning zone 8 and the end zone 12.
  • a first inductor arrangement 14, a first cooling device 16, a second cooling device 18, a second inductor arrangement 20 and a third cooling device 22 are arranged around the circumference of the annular component 4, in particular around the circumference of the peripheral surface 6.
  • the ring-shaped component 4 is arranged on a rotatably mounted receptacle which can be rotated relative to the device comprising the first inductor arrangement 14 , the first cooling device 16 , the second cooling device 18 , the second inductor arrangement 20 and a third cooling device 22 .
  • the first cooling device 16 is offset in the radial direction and is arranged behind the first inductor arrangement 14 in the direction of rotation X with respect to the direction of rotation X of the ring-shaped component 4 .
  • the second cooling device 18 is substantially 90 degrees along the circumference of the annular member 4 behind the first inductor arrangement 14 arranged.
  • the second inductor arrangement 20 is arranged essentially opposite to the first inductor arrangement 14 along the circumference of the ring-shaped component 4 .
  • the profile of the surface pointing towards the ring-shaped component 4 corresponds essentially to the profile of the circumference of the ring-shaped component 4 and has a substantially concave curvature.
  • the second inductor arrangement 20 can be moved in the Y direction counter to the X direction of rotation.
  • the third cooling device 22 is arranged essentially opposite to the second cooling device 18 along the circumference of the ring-shaped component 4 .
  • the initial zone 8 is first heated to a hardening temperature by means of the first inductor arrangement 14. This is shown in fig.
  • the cooling devices 16, 18 and 22 and the second inductor arrangement 20 are initially switched off (indicated by the dashed representation).
  • the ring-shaped component 4 is rotated in the direction of rotation X by means of the rotatably mounted receptacle.
  • the speed of rotation in the direction of rotation X of the peripheral surface 6 of the ring-shaped component 4 is preferably between 3 mm/s and 12 mm/s.
  • FIG. 2 shows the state of the hardening process in which the initial zone 8 has already been completely heated to the hardening temperature and is being quenched by means of the first cooling device 16 .
  • a part of the intermediate zone 10 is heated to the hardening temperature by means of the first inductor arrangement 14 .
  • FIG. 3 shows a phase of the inductive hardening process in which the initial zone 8 is further cooled by means of the second cooling device 18 being switched on.
  • the initial zone 8 is heated to the tempering temperature by means of the second inductor arrangement 20 .
  • the second inductor arrangement 20 is switched on as soon as part of the initial zone 8 comes into the engagement area of the second inductor arrangement 20 .
  • the phase shown in Fig. 5 shows a cooling from the tempered initial zone 8.
  • the third cooling device 22 is turned on. Since the third cooling device 22 is arranged offset essentially by 90° around the circumference of the ring-shaped component 4 in relation to the second inductor arrangement 20, a sufficient duration of the temperature action on the tempered and circumferential surface 6 is ensured.
  • the first inductor assembly 14 is turned off. This is shown in FIG.
  • the first, second and third cooling devices 16, 20, 22 also remain in operation during a second complete rotation of the ring-shaped member 4 in order to further cool the peripheral surface 6 of the ring-shaped member 4.
  • the second inductor arrangement 20 preferably moves in direction Y, so that the relative speed of the peripheral surface 6 of the ring-shaped component 4 to the second inductor arrangement 20 is increased.
  • the second inductor device 20 is switched off as soon as the end region 12 of the annular component 4 has also been fully started.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur induktiven Härtung einer Randschicht einer um ein ringförmiges Bauteil (4) umlaufenden Fläche (6), wobei die umlaufende Fläche (6) eine Anfangszone (8), eine sich an die Anfangszone (8) anschließende Zwischenzone (10) und eine an die Anfangszone (8) und die Zwischenzone (10) angrenzende Endzone (12) aufweist, umfassend die nachfolgenden Schritte: Erwärmen der Anfangszone (8), der Zwischenzone (10) und der Endzone (12) der umlaufenden Fläche (6) mittels zumindest einer ersten Induktoranordnung (14) auf eine Härtetemperatur; Abschrecken der Anfangszone (8), der Zwischenzone (10) und der Endzone (12) der umlaufenden Fläche (6) mittels zumindest einer ersten Kühlvorrichtung (16); Anlassen der Anfangszone (8), der Zwischenzone (10) und der Endzone (12) der umlaufenden Fläche (6) mittels zumindest einer zweiten Induktoranordnung (20) auf eine Anlasstemperatur, wobei die Einrichtung umfassend erste Induktoranordnung (14), zumindest eine erste Kühlvorrichtung (16) sowie zweite Induktoranordnung (20) und das ringförmige Bauteil (4) relativ zueinander in einer Umfangsrichtung der umlaufenden Fläche (6) verfahren werden. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur induktiven Härtung einer Randschicht einer um ein ringförmiges Bauteil umlaufenden Fläche.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur induktiven Härtung einer Randschicht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur induktiven Härtung einer Randschicht einer um ein ringförmiges Bauteil umlaufenden Fläche, wobei die umlaufende Fläche eine Anfangszone, eine sich an die Anfangszone anschließende Zwischenzone und eine an die Anfangszone und die Zwischenzone angrenzende Endzone aufweist. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur induktiven Härtung einer Randschicht einer um ein ringförmiges Bauteil umlaufenden Fläche.
Mit „Verfahren zur induktiven Härtung einer Randschicht“ werden Verfahren bezeichnet, bei denen die an die jeweils zu härtende Fläche angrenzende Randschicht eines Materials, insbesondere des Stahlmaterials, aus dem das jeweils die Fläche tragende Bauteil besteht, mittels eines in das Bauteil induzierten elektromagnetischen Feldes auf Härtetemperatur erwärmt wird und bei dem anschließend der so erwärmte Abschnitt der Randschicht durch Beaufschlagung mit einem geeigneten Abschreckmittel ausreichend schnell abgekühlt wird, um in dem betreffenden Randabschnitt Härtegefüge zu erzeugen.
Die technischen und physikalischen Hintergründe des induktiven Randschichthärtens sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise im Merkblatt 236, "Wärmebehandlung von Stahl - Randschichthärten", Ausgabe 2009, erläutert. Vorgenanntes Merkblatt 236 wird von der Wirtschaftsvereinigung Stahl herausgegeben und ist unter folgender URL auffindbar: https:/ /www.stahl- online.de/wp-content/uploads/2019/04/MB236_Waermebehandlung_von_Stahl_ Randschichthaerten.pdf, abgerufen am 14. Juli 2020.
Bei den ringförmigen Bauteilen, an denen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung Flächen randschichtgehärtet werden können, handelt es sich typischerweise um Lagerringe für Großwälzlager oder desgleichen. Solche Lagerringe werden beispielsweise für die Wälzlager, in denen die Rotoren von großen Windkraftanlagen gelagert sind, oder für Wälzlager eingesetzt, in denen Turmkräne und desgleichen um eine Vertikalachse drehbar gelagert sind. Die Durchmesser solcher Lager liegen typischerweise im Bereich von 40 cm - 1000 cm.
Besonders effektiv lassen sich umlaufende Flächen von derart großen ringförmigen Bauteilen durch den Einsatz von Induktoranordnungen randschichthärten, wobei die Induktoranordnungen und die zu härtende, umlaufende Fläche relativ zueinander bewegt werden. Die Induktoranordnungen erwärmen auf diese Weise sukzessive die jeweils von dem von ihnen erzeugten elektromagnetischen Feld erfassten Flächenabschnitt der umlaufenden Fläche auf Härtetemperatur. Die so erwärmten Flächenabschnitte werden anschließend durch Kühlvorrichtungen abgeschreckt, beispielsweise mittels einer den Induktoranordnungen nachgeführten Brause.
Den Vorteilen dieser Art der Randschichthärtung steht gegenüber, dass aufgrund der relativen Bewegung zwischen Induktoranordnung und zu härtender, umlaufender Fläche des ringförmigen Bauteils eine Zone der umlaufenden Fläche des ringförmigen Bauteils verbleibt, die nur unzureichend erwärmt wird und daher nicht die Härte erreicht, die über die restlichen Abschnitte der randschichtzuhärtenden Fläche erzielt worden ist.
Hierbei erweist sich in der Praxis die Anfangszone der zu härtenden Fläche als weniger problematisch als die Endzone, da während der Erwärmung der Anfangszone nicht zeitgleich auch schon ein zuvor erwärmter Flächenabschnitt abgeschreckt werden muss und somit ausreichend Zeit zur Verfügung steht, um durch Wärmewanderung auch den von den elektromagnetischen Feldern der Induktoranordnung nicht direkt überstrichenen Bereich auf Härtetemperatur zu bringen.
Ohne besondere Gegenmaßnahmen verbleibt jedoch in der Endzone der zu härtenden
Fläche ein Bereich, der nur unzureichend erwärmt wird und daher nicht die Härte erreicht, die über die restlichen Abschnitte der randschichtzuhärtenden Fläche erzielt worden ist. Dieser nur unvollkommen gehärtete Bereich wird in der Fachsprache auch als "Schlupf" bezeichnet und kann im praktischen Einsatz insbesondere bei Anwendungen, bei denen die randschichtgehärteten Flächen regelmäßig über ihren gesamten Umfang belastet werden, zu einem frühzeitigen Ausfall führen. So verschleißt der Schlupfbereich aufgrund seiner geringeren Härte schneller als der restliche höher gehärtete Bereich der randschichtgehärteten Fläche.
Aus der Praxis ist es bekannt, ein derart gehärtetes, Schlupf aufweisendes Bauteil nach dem Randschichthärten in einem separaten Prozessschritt in einem Ofen anzulassen. Hierzu muss das ringförmige Bauteil aus der Vorrichtung zur induktiven Härtung einer Randschicht entfernt werden und in einem separaten Ofen angelassen werden. Dies ist sowohl in energetischer als auch in prozessualer Hinsicht nachteilig.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine in prozessualer Hinsicht vorteilhafte und energieeffiziente Härtung einer Randschicht ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12 gelöst.
Ein Fachmann ergänzt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner hier erläuterten Varianten und Ausbaumöglichkeiten diejenigen vorliegend nicht explizit erwähnten Arbeitsschritte, von denen er aufgrund seiner praktischen Erfahrung weiß, dass sie bei der Durchführung solcher Verfahren regelmäßig angewendet werden. Gleiches gilt bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Verfahren zur induktiven Härtung einer Randschicht gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst die nachfolgenden Schritte:
Erwärmen der Anfangszone, der Zwischenzone und der Endzone der umlaufenden Fläche mittels zumindest einer ersten Induktoranordnung auf eine Härtetemperatur;
Abschrecken der Anfangszone, der Zwischenzone und der Endzone der umlaufenden Fläche mittels zumindest einer ersten Kühlvorrichtung; Anlassen der Anfangszone, der Zwischenzone und der Endzone der umlaufenden Fläche mittels zumindest einer zweiten Induktoranordnung auf eine Anlasstemperatur, wobei die Einrichtung umfassend erste Induktoranordnung, zumindest eine erste Kühlvorrichtung sowie zweite Induktoranordnung und das ringförmige Bauteil relativ zueinander in einer Umfangsrichtung der umlaufenden Fläche verfahren werden.
Die Vorrichtung zur induktiven Härtung einer Randschicht einer um ein ringförmiges Bauteil umlaufenden Fläche gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung, umfasst: eine Aufnahme für ein ringförmiges Bauteil; zumindest eine erste Induktoranordnung zum Erwärmen einer umlaufenden Fläche des Bauteils auf eine Härtetemperatur und zumindest eine zweite Induktoranordnung zum Anlassen der umlaufenden Fläche des Bauteils; und zumindest eine erste Kühlvorrichtung zum Abschrecken der auf Härtetemperatur erwärmten umlaufenden Fläche. Nachfolgend werden weitere beispielhafte Merkmale beider Aspekte der Erfindung im Einzelnen näher erläutert.
Die Härtetemperatur und die Anlasstemperatur sind abhängig von den Werkstoffen der zu härtenden, ringförmigen Bauteile und können in Abhängigkeit der ringförmigen Bauteile variabel angepasst werden. Bei den Werkstoffen der ringförmigen Bauteile kann es sich beispielsweise um 42CrMo4 (QT) oder um 100Cr6 handeln. Vorzugsweise liegt die Härtetemperatur bei über 723°C, wobei die Anlasstemperatur unter 723°C liegt. Bevorzugt liegt die Anlasstemperatur zwischen 180°C und 350°C.
Die Einrichtung umfasst vorzugsweise alle Induktoranordnungen und Kühlvorrichtungen, wobei die Einrichtung und das Bauteil relativ zueinander verfahren werden. Hierdurch können die Anfangszone, die Zwischenzone und die Endzone in zuverlässiger Weise gehärtet, abgeschreckt, angelassen und gekühlt werden. Es kann also der gesamte Umfang des ringförmigen Bauteils in einem Prozess behandelt werden, da die Einrichtung und das Bauteil relativ zueinander verfahren werden und die Einrichtung eine zweite Induktoranordnung zum Anlassen der umlaufenden Fläche des ringförmigen Werkstücks aufweist.
Indem der Anlassschritt bzw. das Anlassen der umlaufenden Fläche des ringförmigen Werkstücks mittels der zweiten Induktoranordnung durchgeführt wird, kann die Härte des ringförmigen Bauteils eingestellt werden, ohne dass die Notwendigkeit besteht, das ringförmige Bauteil im Rahmen eines separaten Prozessschritts in einem Ofen anzulassen. Insbesondere kann die Härte der Anfangszone, der Zwischenzone und der Endzone des ringförmigen Bauteils eingestellt werden. Hierdurch kann die Produktivität des Härtungsverfahrens erhöht werden, da der Anlassprozess bzw. das Anlassen der umlaufenden Fläche des ringförmigen Werkstücks zumindest teilweise simultan zu dem Härteprozess durchgeführt werden kann. Ebenfalls ist das Anlassen mittels der zweiten Induktoranordnung energieeffizienter, da kein Ofen zum Anlassen des ringförmigen Bauteils erhitzt bzw. vorgeheizt werden muss. Zudem kann die benötigte Aufstellfläche durch Weglassen des Ofens reduziert werden und Chargierzeiten können reduziert werden.
Vorzugsweise erwärmt die erste Induktoranordnung zunächst die Anfangszone, anschließend die Zwischenzone und abschließend die Endzone. Durch eine Drehung des ringförmigen Bauteils oder der Einrichtung kann die erste Induktoranordnung mit der Zwischenzone und mit der Endzone in Eingriff gebracht werden. In Eingriff bedeutet vorliegend, dass ebenfalls die Zwischenzone und die Endzone mittels der ersten Induktoranordnung auf Härtetemperatur erwärmt werden können. Insbesondere handelt es sich somit um einen thermischen Eingriff zwischen erster Induktoranordnung und der Zwischenzone sowie der Endzone.
Es ist bevorzugt, dass die erste Kühleinrichtung die auf Härtetemperatur gebrachte Anfangszone, Zwischenzone und Endzone unmittelbar nachfolgend mittels eines Kühlmediums abschreckt. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Anfangszone, die Zwischenzone und die Endzone nach dem Abschrecken eine Temperatur von unter Martensitfinishtemperatur aufweisen. Zur Verstärkung des Abschreckens der umlaufenden Fläche des ringförmigen Bauteils kann die erste Kühleinrichtung, insbesondere die zumindest eine Brause der ersten Kühleinrichtung, eine längliche Erstreckung in Umfangsrichtung des ringförmigen Bauteils aufweisen. Ebenfalls ist es vorteilhaft, dass die zweite Kühleinrichtung eine gewünschte Eingangstemperatur und/oder definierte Anlassparameter der Anfangszone, Zwischenzone und Endzone für die zweite Induktoranordnung einstellt.
Grundsätzlich kann es ausreichen, wenn die erfindungsgemäß eingesetzten Kühleinrichtungen zum Abschrecken und/oder Kühlen einen einzigen Strahl eines Kühlmediums auf die jeweils abzuschreckende Zone richten, sofern dieser Strahl ausreichend stark und das ausgebrachte Flüssigkeitsvolumen ausreichend groß ist, um der zu härtende Zone mit der erforderlichen Geschwindigkeit Wärme zu entziehen. In der Praxis haben sich hierzu Kühlvorrichtungen, insbesondere Brausen, bewährt, die eine Vielzahl von Einzelstrahlen gleichzeitig ausbringen, um die abzuschreckende Zone sicher und vollständig mit einer für den Wärmeabtransport ausreichenden Menge an Kühlmedium zu beaufschlagen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangszone mittels der zweiten Induktoranordnung angelassen wird, sobald ein der Anfangszone im Wesentlichen gegenüberliegenden Bereich der Zwischenzone mittels der ersten Induktoranordnung erwärmt wird. Hierdurch kann ein ausreichendes Abschrecken und Herunterkühlen der umlaufenden Fläche sichergestellt werden, sodass die Gefügestrukturen der umlaufenden Fläche mit einer ausreichenden Härte eingestellt werden können.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die anzulassende Zone mittels der zweiten Induktoranordnung angelassen, sobald die anzulassende Zone zumindest einen definierten Anlassparameter, insbesondere eine definierte Temperatur zum Anlassen, aufweist. Weitere bevorzugte Anlassparameter sind beispielsweise auch die Wassermenge und Temperatur vor der anzulassenden Zone. Vorzugsweise wird der zeitliche Abstand zwischen dem Erwärmen auf Härtetemperatur und dem Anlassen reduziert, so dass die Prozesszeiten verringert werden können. Hierfür ist es vorteilhaft, dass die zweite Induktoranordnung möglichst nah entlang der Umfangsrichtung des ringförmigen Bauteils hinter der ersten Induktoranordnung angeordnet ist. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die zweite Induktoranordnung derart hinter der ersten Induktoranordnung in Umfangsrichtung des ringförmigen Bauteils angeordnet ist, dass die anzulassende Zone des ringförmigen Bauteils definierte Anlassparameter beim Beginn des Anlassens mittels der zweiten Induktoranordnung aufweist. Die Anlassparameter werden vorzugsweise in Abhängigkeit der Werkstückgeometrie und/oder des Materials des ringförmigen Bauteils berechnet und ausgelegt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Induktoranordnung nach dem Erwärmen der Endzone ausgeschaltet wird und die zweite Induktoranordnung nach dem Anlassen der Endzone ausgeschaltet wird. Gleichermaßen ist es bevorzugt, dass die erste und die zweite Induktoranordnung außer Eingriff mit dem ringförmigen Bauteil gebracht werden. Es ist bevorzugt, dass die erste und die zweite Induktoranordnung zunächst die Anfangszone, dann die Zwischenzone und anschließend die Endzone erwärmen oder anlassen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden die Anfangszone, die Zwischenzone und die Endzone der umlaufenden Fläche nach Erwärmen auf Härtetemperatur ohne wesentliche zeitliche Verzögerung von der ersten Kühlvorrichtung abgeschreckt. Vorzugsweise ist die erste Kühlvorrichtung hierzu benachbart zu der ersten Induktoranordnung angeordnet. Demensprechend kann die Anfangszone von der ersten Kühlvorrichtung abgeschreckt werden, sobald die erste Induktoranordnung die Erwärmung der Anfangszone auf Härtetemperatur abgeschlossen hat. Gleiches gilt für die Zwischenzone und die Endzone der umlaufenden Fläche. Durch ein sich unmittelbar an das Erwärmen auf Härtetemperatur anschließendes Abschrecken können ausreichend harte Gefügestrukturen für den bestimmungsgemäßen Gebrauch des ringförmigen Bauteils vorgesehen werden. Ohne wesentliche zeitliche Verzögerung bedeutet vorliegend, dass die erste Kühlvorrichtung der ersten Induktoranordnung unmittelbar nachläuft bzw. unmittelbar benachbart zu der ersten Induktoranordnung angeordnet ist. Es ist bevorzugt, dass die Anfangszone, die Zwischenzone und die Endzone der umlaufenden Fläche nach Erwärmen auf Härtetemperatur beispielswiese innerhalb von 10 Sekunden, also ohne wesentliche zeitliche Verzögerung, mittels der ersten Kühlvorrichtung abgeschreckt werden, insbesondere auf unter Martensitfinishtemperatur abgeschreckt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangszone, die Zwischenzone und die Endzone der umlaufenden Fläche mittels zumindest einer zweiten Kühlvorrichtung nach Erwärmen auf Härtetemperatur und Abschrecken gekühlt werden. Mittels der weiteren Kühlung der zweiten Kühlvorrichtung kann eine im Wesentlichen konstante Temperatur der Anfangszone, der Zwischenzone und der Endzone vor dem Anlassen eingestellt werden. Hierdurch können beispielsweise definierte Anlassparameter zur Verfügung gestellt werden. Dabei ist es bevorzugt, dass ein gewisser zeitlicher Abstand zwischen der Kühlung mittels der zweiten Kühlvorrichtung und dem Abschrecken mittels der ersten Kühlvorrichtung eingehalten wird.
Hinsichtlich eines vorzusehenden zeitlichen Abstands zwischen der Kühlung mittels der zweiten Kühlvorrichtung und dem Abschrecken mittels der ersten Kühlvorrichtung ist es vorteilhaft, wenn die Anfangszone mittels der zweiten Kühlvorrichtung abgekühlt wird, sobald die Anfangszone um im Wesentlichen 80° bis 100° relativ zu der ersten Induktoranordnungverfahren, insbesondere weiterbewegt, wurde. Es ist bevorzugt, dass die zweite Kühlvorrichtung erst dann eingeschaltet wird, wenn die Anfangszone um im Wesentlichen 80° bis 100° relativ zu der ersten Induktoranordnungverfahren, insbesondere weiterbewegt, wurde. Demensprechend wird das ringförmige Bauteil erst dann mittels der zweiten Kühlvorrichtung gekühlt, wenn im Wesentlichen ein Viertel des Umfangs der umlaufenden Fläche des ringförmigen Bauteils bereits mittels der ersten Induktoranordnung auf Härtetemperatur gebracht wurde.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Anfangszone, die Zwischenzone und die Endzone der umlaufenden Fläche mittels zumindest einer dritten Kühlvorrichtung nach dem Anlassen gekühlt werden. Hierdurch kann eine kontrollierte Abkühlung der umlaufenden Fläche nach dem Anlassen sichergestellt werden und eine bestimmte Härte der umlaufenden Fläche eingestellt werden.
Des Weiteren liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Anfangszone mittels der dritten Kühlvorrichtung gekühlt wird, sobald die zweite Induktoranordnung einen zu der Anfangszone versetzen Bereich der Zwischenzone anlässt. Es ist bevorzugt, dass die dritte Kühlvorrichtung erst dann eingeschaltet wird und die Anfangszone ab kühlt, wenn die Anfangszone um im Wesentlichen 80° bis 100° relativ zu der zweiten Induktoranordnungverfahren, insbesondere weiterbewegt, wurde. Demensprechend wird das ringförmige Bauteil erst dann mittels der dritten Kühlvorrichtung gekühlt, wenn im Wesentlichen ein Viertel des Umfangs der umlaufenden Fläche des ringförmigen Bauteils bereits mittels der zweiten Induktoranordnung auf Anlasstemperatur gebracht wurde. Hierdurch wird eine Anlassverzögerung ermöglich, wodurch die Härteeigenschaften der umlaufenden Fläche des ringförmigen Bauteils weiter optimiert werden können.
Hinsichtlich der einzustellenden Materialeigenschaften des ringförmigen Bauteils ist es vorteilhaft, dass die die erste Kühlvorrichtung nach Erreichen der Endzone die mittels der dritten Kühlvorrichtung gekühlte umlaufende Fläche weiter abkühlt. Vorzugsweise kühlt die erste Kühlvorrichtung die umlaufende Fläche bis auf Berührtemperatur ab. Es ist ebenfalls möglich, dass die zweite und/oder die dritte Kühlvorrichtung weiter abkühlen, bis eine gewünschte Temperatur der umlaufenden Fläche erreicht ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es bevorzugt, dass das ringförmige Bauteil relativ zu der Einrichtung umfassend erste Induktoranordnung, zumindest eine erste Kühlvorrichtung sowie zweiter Induktoranordnung in einer Drehrichtung der umlaufenden Fläche mit einer Drehgeschwindigkeit zwischen 3 mm/s bis 12 mm/s gedreht wird. Es hat sich hinsichtlich der Verfahrenseffizienz als vorteilhaft erwiesen, das ringförmige Bauteil relativ zu der Einrichtung zu drehen. Vorgenannte Drehgeschwindigkeiten ermöglichen eine ausreichende Erwärmung der umlaufenden Fläche bei der von den Induktoranordnungen zur Verfügung gestellten Leistung.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Induktoranordnung in zu der Drehrichtung der umlaufenden Fläche des ringförmigen Bauteils entgegengesetzter Richtung gedreht wird. Hierdurch wird eine langsamere Relativgeschwindigkeit der zweiten Induktoranordnung zu dem Bauteil ermöglicht, wodurch auch bei Abgabe einer geringeren Wärme, ein ausreichendes Erhitzen der umlaufenden Fläche sichergestellt werden kann. Insbesondere kann hierdurch eine kürze zweite Induktoranordnungvorgesehen werden, wodurch Materialkosten eingespart werden können. Weiter ist bevorzugt, dass die Drehgeschwindigkeit der zweiten Induktoranordnung zwischen 0,5 mm/s und 2 mm/s liegt. Hierdurch kann ein zuverlässiges Anlassen der umlaufenden Fläche auch bei einer kurzen zweiten Induktoranordnung gewährleistet werden.
Dabei ist es bevorzugt, dass die Umfangsgeschwindigkeit des ringförmigen Bauteils in Drehrichtung der umlaufenden Fläche während des Verfahrens zur induktiven Härtung der Randschicht erhöht wird. Hierdurch kann das Verfahren zur induktiven Härtung einer Randschicht schneller beendet werden. In Abhängigkeit der Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit des ringförmigen Bauteils ist es bevorzugt, dass die Drehgeschwindigkeit der zweiten Induktoranordnung an die Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit der umlaufenden Fläche angepasst wird, so dass ein gleichmäßiges Anlassen der umlaufenden Fläche ermöglicht wird.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Induktoranordnung im Wesentlichen gegenüberliegend der ersten Induktoranordnung angeordnet.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme für das ringförmige Bauteil selbstzentrierend ausgestaltet ist und dass die Aufnahme drehbar gelagert ist. Durch eine selbstzentrierende Lagerung kann der im Wesentlichen selbe Abstand zu den Induktoranordnungen und/oder den Kühlvorrichtungen und somit eine einheitliche Gefügestruktur der umlaufenden Fläche des ringförmigen Bauteils sichergestellt werden. Da sich das Bauteil bei der Erwärmung ausdehnt und beim Abschrecken und/oder beim Abkühlen schrumpft, ist es vorteilhaft, dass das Bauteil auch bei Änderungen seiner Abmessungen mittels der selbstzentrierenden Aufnahme zentriert wird. Durch eine drehbare Lagerung können sowohl die Induktoranordnungen als auch die Kühlvorrichtungen in zuverlässiger Weise in Eingriff mit der umlaufenden Fläche des ringförmigen Bauteils treten. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, die dem ringförmigen Bauteil zugeordnete Fläche der ersten Induktoranordnung im Wesentlichen plan ausgebildet ist und die dem ringförmigen Bauteil zugeordnete Fläche der zweiten Induktoranordnung im Wesentlichen zu dem Verlauf der umlaufenden Fläche des ringförmigen Bauteils korrespondiert. Da die Anlasstemperatur geringer als die Härtetemperatur ist, kann durch eine Anpassung der zweiten Induktoranordnung ein zuverlässiges Anlassen der umlaufenden Fläche des Bauteils sichergestellt werden. Hierzu ist die dem ringförmigen Bauteil bzw. der umlaufenden Fläche des ringförmigen Bauteils zugeordnete Fläche vorzugsweise konkav ausgestaltet und/oder an die Krümmung des ringförmigen Bauteils angepasst.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Induktoranordnung, die zumindest eine Kühlvorrichtung und/oder die zweite Induktoranordnung im Wesentlichen kreisförmig um die Umfangsrichtung der umlaufenden Fläche des ringförmigen Bauteils verteilt angeordnet sind. Dabei ist es weiter bevorzugt, dass die zweite und die dritte Kühlvorrichtung ebenfalls im Wesentlichen kreisförmig um die Umfangsrichtung der umlaufenden Fläche des ringförmigen Bauteils verteilt angeordnet sind. Vorzugsweise korrespondiert die Umfangsrichtung der umlaufenden Fläche zu einer Drehrichtung der umlaufenden Fläche. Es ist bevorzugt, dass die erste Induktoranordnung und die zweite Induktoranordnung im Wesentlichen gegenüberliegend zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise ist die erste Kühlvorrichtung benachbart zu der ersten Induktoranordnung angeordnet, wobei die erste Kühlvorrichtung in Drehrichtung der Aufnahme hinter der ersten Induktoranordnung angeordnet ist. Hierdurch tritt zunächst die erste Induktoranordnung in Kontakt mit der Anfangs-, der Zwischenoder der Endzone des umlaufenden Bereichs und anschließend erst die erste Kühlvorrichtung. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die zweite und die dritte Kühlvorrichtung im Wesentlichen gegenüberliegend zueinander angeordnet sind. Dabei ist es weiter bevorzugt, dass die die zweite Kühlvorrichtung im Wesentlichen 80° bis 100° versetzt zu der ersten Induktoranordnung und die dritte Kühlvorrichtung im Wesentlichen 80° bis 100° zu der zweiten Induktoranordnung entlang des umlaufenden Bereichs des ringförmigen Bauteils angeordnet sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 bis 6 schematische Draufsichten eines Ausführungsbeispiels verschiedener Phasen eines Verfahrens zur induktiven Härtung einer Randschicht.
Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 2 zur induktiven Härtung einer Randschicht einer um ein ringförmiges Bauteil 4 umlaufenden Fläche 6 in einer ersten Phase. Die umlaufende Fläche 6 weist eine Anfangszone 8 und eine sich an die Anfangszone 8 anschließende Zwischenzone 10 auf. Zwischen der Zwischenzone 10 und der Anfangszone 8 ist eine Endzone 12 angeordnet. Es ist erkennbar, dass die Zwischenzone 10 sich über einen größeren Umfang der umlaufenden Fläche 6 erstreckt als die Anfangszone 8 und die Endzone 12.
Um den Umfang des ringförmigen Bauteils 4, insbesondere um den Umfang der umlaufenden Fläche 6, sind eine erste Induktoranordnung 14, eine erste Kühlvorrichtung 16, eine zweite Kühlvorrichtung 18, eine zweite Induktoranordnung 20 sowie eine dritte Kühlvorrichtung 22 angeordnet. Das ringförmige Bauteil 4 ist auf einer drehbar gelagerten Aufnahme angeordnet, welche relativ zu der Einrichtung umfassend erste Induktoranordnung 14, erste Kühlvorrichtung 16, zweite Kühlvorrichtung 18, zweite Induktoranordnung 20 und eine dritte Kühlvorrichtung 22 drehbar ist.
Die erste Kühlvorrichtung 16 ist in radialer Richtung versetzt und bezogen auf die Drehrichtung X des ringförmigen Bauteils 4 in Drehrichtung X hinter der ersten Induktoranordnung 14 angeordnet. Die zweite Kühlvorrichtung 18 ist um im Wesentlichen 90 Grad entlang des Umfangs des ringförmigen Bauteils 4 hinter der ersten Induktoranordnung 14 angeordnet. Die zweite Induktoranordnung 20 ist im Wesentlichen gegenüberliegend zu der ersten Induktoranordnung 14 entlang des Umfangs des ringförmigen Bauteils 4 angeordnet. Der Verlauf der zu dem ringförmigen Bauteil 4 zeigenden Fläche korrespondiert im Wesentlichen zu dem Verlauf des Umfangs des ringförmigen Bauteils 4 und weist eine im Wesentlichen konkave Krümmung auf. Die zweite Induktoranordnung 20 ist entgegen der Drehrichtung X in Richtung Y verfahrbar. Die dritte Kühlvorrichtung 22 ist im Wesentlichen gegenüberliegend zu der zweiten Kühlvorrichtung 18 entlang des Umfangs des ringförmigen Bauteils 4 angeordnet.
Zur Härtung der Randschicht der umlaufenden Fläche 6 wird zunächst die Anfangszone 8 mittels der ersten Induktoranordnung 14 auf eine Härtetemperatur erwärmt. Dies ist in Fig. 1 dargestellt. Die Kühleinrichtungen 16, 18 und 22 sowie die zweite Induktoranordnung 20 sind zunächst ausgeschaltet (kenntlich durch gestrichelte Darstellung).
Nach Erwärmung der Anfangszone 8 mittels der ersten Induktoranordnung 14 auf Härtetemperatur wird das ringförmige Bauteil 4 mittels der drehbar gelagerten Aufnahme in Drehrichtung X gedreht. Die Drehgeschwindigkeit in Drehrichtung X der umlaufenden Fläche 6 des ringförmigen Bauteils 4 liegt vorzugweise zwischen 3 mm/s bis 12 mm/s.
Sobald ein Teil der Anfangszone 8 in den Eingriffsbereich der ersten Kühlvorrichtung 16 kommt, wird die Kühlvorrichtung 16 eingeschaltet und der auf Härtetemperatur erwärmte Bereich der Anfangszone 8 abgeschreckt. In Fig. 2 ist der Zustand des Verfahrens zur Härtung dargestellt, in welchem die Anfangszone 8 bereits vollständig auf Härtetemperatur erwärmt worden ist und mittels der ersten Kühlvorrichtung 16 abgeschreckt wird. Ein Teil der Zwischenzone 10 wird mittels der ersten Induktoranordnung 14 auf Härtetemperatur erwärmt. Fig. 3 zeigt eine Phase des Verfahrens zur induktiven Härtung, bei welcher die Anfangszone 8 mittels der eingeschalteten zweiten Kühlvorrichtung 18 weiter abgekühlt wird.
In der in Fig. 4 dargestellten Phase wird die Anfangszone 8 mittels der zweiten Induktoranordnung 20 auf Anlasstemperatur erwärmt. Hierzu wird die zweite Induktoranordnung 20 eingeschaltet sobald ein Teil der Anfangszone 8 in den Eingriffsbereich der zweiten Induktoranordnung 20 kommt.
Die in Fig. 5 dargestellte Phase zeigt ein Ab kühlen der angelassenen Anfangszone 8. Hierzu wird die dritte Kühlvorrichtung 22 eingeschaltet. Da die dritte Kühlvorrichtung 22 im Wesentlichen um 90° um den Umfang des ringförmigen Bauteils 4 versetzt zu der zweiten Induktoranordnung 20 angeordnet ist, wird eine ausreichende Dauer der Temperatureinwirkung der angelassenen und umlaufenden Fläche 6 sichergestellt.
Nachdem das ringförmige Bauteil um im Wesentlichen 360° gedreht worden ist, wird die erste Induktoranordnung 14 ausgeschaltet. Dies ist in Fig. 6 dargestellt. Die erste die zweite und die dritte Kühlvorrichtung 16, 20, 22 bleiben auch bei einer zweiten vollständigen Drehung des ringförmigen Bauteils 4 in Betrieb, um die umlaufende Fläche 6 des ringförmigen Bauteils 4 weiter abzukühlen. Dabei bewegt sich die zweite Induktoranordnung 20 vorzugsweise in Richtung Y, so dass die relative Geschwindigkeit der umlaufenden Fläche 6 des ringförmigen Bauteils 4 zu der zweiten Induktoranordnung 20 erhöht wird.
Vorzugsweise wird die zweite Induktorvorrichtung 20 abgeschaltet, sobald auch der Endbereich 12 des ringförmigen Bauteils 4 vollständig angelassen wurde.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind zahlreiche Varianten denkbar, die auch bei einer von den Ausführungsbeispielen abweichenden Gestaltung von der Erfindung und ihren in den beigefügten Ansprüchen angegebenen Ausgestaltungen Gebrauch machen. Bezugszeichen
2 Vorrichtung zur induktiven Härtung einer Randschicht
4 ringförmiges Bauteil 6 umlaufende Fläche des ringförmigen Bauteils 4
8 Anfangszone
10 Zwischenzone
12 Endzone
14 erste Induktoranordnung 16 erste Kühlvorrichtung
18 zweite Kühlvorrichtung
20 zweite Induktoranordnung
22 dritte Kühlvorrichtung X Drehrichtung des ringförmigen Bauteils 4
Y Drehrichtung der zweiten Induktoranordnung 20

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Verfahren zur induktiven Härtung einer Randschicht einer um ein ringförmiges Bauteil (4) umlaufenden Fläche (6), wobei die umlaufende Fläche (6) eine Anfangszone (8), eine sich an die Anfangszone (8) anschließende Zwischenzone (10) und eine an die Anfangszone (8) und die Zwischenzone (10) angrenzende Endzone (12) aufweist, umfassend die nachfolgenden Schritte:
Erwärmen der Anfangszone (8), der Zwischenzone (10) und der Endzone (12) der umlaufenden Fläche (6) mittels zumindest einer ersten Induktoranordnung (14) auf eine Härtetemperatur;
Abschrecken der Anfangszone (8), der Zwischenzone (10) und der Endzone (12) der umlaufenden Fläche (6) mittels zumindest einer ersten Kühlvorrichtung [16);
Anlassen der Anfangszone (8), der Zwischenzone (10) und der Endzone (12) der umlaufenden Fläche (6) mittels zumindest einer zweiten Induktoranordnung (20) auf eine Anlasstemperatur, wobei eine Einrichtung umfassend erste Induktoranordnung (14), zumindest eine erste Kühlvorrichtung (16) sowie zweite Induktoranordnung (20) und das ringförmige Bauteil (4) relativ zueinander in einer Umfangsrichtung der umlaufenden Fläche (6) verfahren werden. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die anzulassende Zone (8, 10, 12) mittels der zweiten Induktoranordnung (20) angelassen wird, sobald die anzulassende Zone (8, 10, 12) zumindest einen definierten Anlassparameter, insbesondere eine definierte Temperatur zum Anlassen, aufweist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Induktoranordnung (14) nach dem Erwärmen der Endzone (12) ausgeschaltet wird und bei dem die zweite Induktoranordnung (20) nach dem Anlassen der Endzone (12) ausgeschaltet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Anfangszone (8), die Zwischenzone (10) und die Endzone (12) der umlaufenden Fläche (6) nach Erwärmen auf Härtetemperatur ohne wesentliche zeitliche Verzögerung von der ersten Kühlvorrichtung (16) abgeschreckt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Anfangszone (8), die Zwischenzone (10) und die Endzone (12) der umlaufenden Fläche (6) mittels zumindest einer zweiten Kühlvorrichtung (18) nach Erwärmen auf Härtetemperatur und Abschrecken gekühlt werden. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Anfangszone (8) mittels der zweiten Kühlvorrichtung (18) abgekühlt wird, sobald die Anfangszone (8) um im Wesentlichen 80° bis 100° relativ zu der ersten Induktoranordnung (14) verfahren wurde. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Anfangszone (8), die Zwischenzone (10) und die Endzone (12) der umlaufenden Fläche (6) mittels zumindest einer dritten Kühlvorrichtung (22) nach dem Anlassen gekühlt werden. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Anfangszone mittels der dritten Kühlvorrichtung (22) gekühlt wird, wenn die zweite Induktoranordnung (20) einen zu der Anfangszone (8) versetzen Bereich der Zwischenzone (10) anlässt. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, 19 bei dem die erste Kühlvorrichtung (16) nach Erreichen der Endzone (12) die mittels der dritten Kühlvorrichtung (22) gekühlte umlaufende Fläche (6) weiter ab kühlt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das ringförmige Bauteil (4) relativ zu der Einrichtung umfassend erste Induktoranordnung (14), zumindest eine erste Kühlvorrichtung (16) sowie zweite Induktoranordnung (20) in eine Drehrichtung (X) der umlaufenden Fläche (6) mit einer Drehgeschwindigkeit zwischen 3 mm/s bis 12 mm/s gedreht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die zweite Induktoranordnung (20) in zu der Drehrichtung (X) der umlaufenden Fläche (6) des ringförmigen Bauteils (4) entgegengesetzter Richtung (Y) gedreht wird.
12. Vorrichtung zur induktiven Härtung einer Randschicht einer um ein ringförmiges Bauteil umlaufenden Fläche, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend: eine Aufnahme für ein ringförmiges Bauteil (4); zumindest eine erste Induktoranordnung (14) zum Erwärmen einer umlaufenden Fläche (6) des Bauteils (4) auf eine Härtetemperatur und zumindest eine zweite Induktoranordnung (20) zum Anlassen der umlaufenden Fläche (6) des Bauteils (4); und zumindest eine erste Kühlvorrichtung (16) zum Abschrecken der auf Härtetemperatur erwärmten umlaufenden Fläche (6).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme selbstzentrierend ausgestaltet ist und dass die Aufnahme drehbar gelagert ist. 20
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dem ringförmigen Bauteil (4) zugeordnete Fläche der ersten Induktoranordnung (14) im Wesentlichen plan ausgebildet ist und - dass die dem ringförmigen Bauteil (4) zugeordnete Fläche der zweiten
Induktoranordnung (20) im Wesentlichen zu dem Verlauf der umlaufenden Fläche (6) des ringförmigen Bauteils (4) korrespondiert.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Induktoranordnung (14), die zumindest eine Kühlvorrichtung (16) und die zweite Induktoranordnung (20) im Wesentlichen kreisförmig um eine Umfangsrichtung der umlaufenden Fläche (6) des ringförmigen Bauteils (4) verteilt angeordnet sind.
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