WO2022106240A1 - Härteverfahren für ein legiertes werkstück sowie vorrichtung zum härten eines legierten werkstücks - Google Patents

Härteverfahren für ein legiertes werkstück sowie vorrichtung zum härten eines legierten werkstücks Download PDF

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manganese
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Lothar Foerster
Thomas Waldenmaier
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Robert Bosch Gmbh
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    • F27B5/06—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types
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    • F27B5/16—Arrangements of air or gas supply devices

Definitions

  • the invention relates to a hardening method for an alloyed workpiece and a device for hardening an alloyed workpiece according to the preambles of the independent claims.
  • the widely used controlled gas carburizing has the disadvantage that, for technical control reasons, it is necessary to work with oxygen-containing carburizing atmospheres, which inevitably leads to component surface layer damage in the form of surface oxidation. In order to suppress damage caused by oxidation and manganese effusion and also to keep system costs low, ...
  • the object of the invention is to create a method and a device with which alloyed workpieces can be hardened.
  • the invention relates to a hardening method of an alloyed workpiece containing at least a base element and an alloying element and which is heated in a chamber within a hardening furnace, the chamber being closed to the atmospheric pressure outside the hardening furnace for at least a period of time.
  • a sacrificial device is heated in the chamber, releasing the alloying element into a gas from which the workpiece absorbs the alloying element such that a proportion of the alloying element in a surface layer of the workpiece remains the same or increases.
  • the gas can of course also be a gas mixture.
  • a temperature-dependent equilibrium partial pressure of the alloying element results in the gas above a surface of the workpiece which contains the alloying element in solid solution. Due to the high temperature in the hardening furnace, the partial pressure of the gaseous alloying element, which is dependent on this temperature, develops in the chamber, as a result of which less alloying element effuses from the workpiece and a quasi-steady state results and the proportion of the alloying element in the edge area of the workpiece does not decrease any further.
  • a sacrificial device contains the alloying element in a sufficiently high quantity which ensures that a proportion of the alloying element in a surface layer of the workpiece does not decrease, the edge area of the workpiece becomes hard and therefore wear-resistant, whereas the areas of the workpiece that are far from the surface are particularly impact-resistant.
  • the workpiece has a surface and that the alloying element is manganese, which is released from the sacrificial device in an amount that ensures that the proportion of manganese in the surface layer of the workpiece is at least three times as high of the proportion of manganese in a region within the workpiece remote from the surface.
  • Manganese is a relatively common element and is used as an inexpensive alloying element to increase hardenability and through-hardenability in steels. In addition, it can be used as a nickel substitute in corrosion-resistant steels. Since there is no reduction in the manganese content in the workpiece near the surface, the hardenability is maintained or increased and the martensite start temperature is reduced.
  • the workpiece is not subjected to tensile stresses in the edge area, which improves the cyclic load capacity of the workpiece, for example with regard to internal pressure or bending load capacity.
  • Post-processing of the workpiece after hardening is not absolutely necessary.
  • the pressure within the chamber is below atmospheric pressure during the period of time.
  • Atmospheric pressure within the meaning of this application is to be understood as mean atmospheric pressure at sea level. In this respect, it is a low-pressure process which can be carried out, for example, at 2 to 30 mbar, in particular 10 mbar.
  • the workpiece is low-pressure carburized in the hardening furnace by adding a carburizing gas and then high-pressure gas quenching in the hardening furnace after the addition of an inert gas.
  • the workpiece is divided into at least two Carburizing periods of time which are interrupted by a diffusion period of time in which the carburizing gas inside the chamber is replaced by the inert gas.
  • the maximum pressure of the inert gas during the interrupting diffusion period is higher than the maximum pressure of the carburizing gas during the two carburizing periods in which the workpiece is low-pressure carburized becomes.
  • a diffusion time period to lie before and after the at least two carburizing time periods.
  • the workpiece contains at least one base element and one alloying element and that the workpiece is heated in a chamber within a hardening furnace, with a device for specifying a temperature in the chamber being provided which is at least is lockable in a period of time relative to the atmospheric pressure outside the hardening furnace.
  • a sacrificial device is arranged in the chamber, which has a higher proportion of the alloying element than the workpiece. In this respect, the sacrificial device with the alloying element is more highly alloyed than the workpiece.
  • a temperature-dependent equilibrium pressure of the alloying element results in the gas phase over a surface of the sacrificial device which contains the alloying element in solid solution.
  • the workpiece contains less alloying element in solid solution than the sacrificial device. Since the workpiece and the sacrificial device are surrounded by an almost common gas phase, the alloying element passes from the sacrificial device via the gas phase into the workpiece, at the surface layer of which the proportion of the alloying element increases.
  • the workpiece can consist of a steel whose basic element is iron, whereas the alloying element is manganese.
  • the sacrificial device has a proportion of manganese of more than 5% by weight, in particular more than 10% by weight.
  • the sacrificial device can be a charging device and/or set goods and/or bulk material and/or an insert that is replaceably inserted into the charging device.
  • FIG. 2 uses a diagram to show a process flow for low-pressure carburizing and high-pressure gas quenching of the workpiece from FIG. 1 ;
  • FIG. 3 shows the proportion of manganese over the distance from the surface of the workpiece according to FIG. 1 using a further diagram for three different hardening processes.
  • the device comprises a hardening furnace 2 with a chamber 4 which has an opening 6 through which a charging device 8 can be inserted into the chamber 4 .
  • the chamber 4 can be closed by means of a cover 10 .
  • the charging device 8 can be designed, for example, as a charging frame or as a charging basket. Workpieces 16 are placed on lattice-like floors 12, 14 of the charging device 8, which have surfaces 17 which are exposed to a surrounding gas with the exception of relatively small bearing surfaces on the lattice-like floors. For this purpose, the charging device 8 has an open structure.
  • the workpieces 16 are embodied in the present example as gear wheels of a transmission for an electric drive. This can be the electric drive of an electric vehicle.
  • the workpieces 16 are made of an alloy containing at least one base element and a plurality of alloying elements, one of which is manganese.
  • the basic element is iron, which together with carbon forms a steel.
  • the charging device 8 has an area 18 in which bulk material 20 is heaped up. Additionally and/or alternatively, the charging device 8 has a receptacle 22 into which at least one replaceable insert 24 is inserted. In addition, at least one of the bases 12, 14 is set with 25 setting goods. A further replaceable manganese insert 26 is also provided in the chamber 4 .
  • the charging device 8, the bulk material 20, the insert 24, the setting goods 25 and the manganese insert 26 each form a sacrificial device.
  • This sacrificial device consists of another alloy in which an alloying element is also manganese.
  • the proportion of manganese in the alloy is so high that when the sacrificial device and the workpiece 16 are heated inside the chamber 4 at the same time, it is ensured that the proportion of the alloying element in the surface layer of the workpiece increases or at least does not decrease.
  • the sacrificial device can have a proportion of manganese of more than 5% by weight, in particular more than 10% by weight.
  • An example of an alloy that has such a high proportion of manganese is X120Mn12.
  • the proportion by weight of manganese in the sacrificial device is higher than in the workpiece.
  • the heater 27 is part of a device for specifying a temperature in the chamber 4. This device also includes a temperature controller, not shown in detail. Alternatively, however, it is also possible to control the temperature in the chamber 4 .
  • the workpieces 16 to be treated absorb additional manganese in the edge area.
  • the number of sacrificial devices that is necessary in order to be able to ensure a sufficiently high manganese partial pressure for a given heat treatment charge depends significantly on the proportion of manganese in the sacrificial devices.
  • the necessary number of sacrificial facilities also depends on their surface shape and size.
  • the necessary number of sacrificial devices depends on the manganese content of the workpieces 16 to be treated and on the treatment or hardening temperature.
  • the number of sacrificial devices required depends on the materials of the chamber 4 and the charging device 8 .
  • the number of sacrificial devices required depends on the location at which the workpieces 16 and the sacrificial device are located within the charging device 8 and in the chamber 4 .
  • gas In order to be able to carry out the hardening process described below, gas must be supplied to chamber 4 and it must be possible to evacuate it (but not continuously and not above 800° C.).
  • gas In addition has a wall of the hardening furnace on two openings 28, 30, which are designed as a gas inlet and a gas outlet.
  • the first opening 28 can be connected via valves 32, 34 to gas or liquid gas connections and can be shut off by the same.
  • the second opening can also be shut off by means of a valve 36 .
  • the chamber 4 is fluidically connected to a vacuum pump, which ideally can create a vacuum in the chamber 4 or can at least suck out the gas or liquid gas from the chamber 4 that previously entered the chamber 4 via the first opening 28 was filled.
  • the gas and/or the liquid gas can in particular be an inert gas and a hydrocarbon, which is also referred to as a carburizing gas.
  • Possible inert gases are, for example, nitrogen, helium and argon.
  • Possible hydrocarbons are, for example, acetylene and propane.
  • Case hardening includes low-pressure carburizing and high-pressure gas quenching.
  • Fig. 2 uses a diagram to show the hardening process of the alloyed workpieces from Fig. 1.
  • the time t is plotted on the abscissa.
  • the temperature T and the chamber pressure p in the chamber are plotted on the ordinate.
  • a bar graph shows the chamber pressure p and the line graph shows the temperature T.
  • the hardening process has individual time periods that follow one another in time, in which the chamber 4 is closed off from the air or the atmospheric pressure outside of the hardening furnace 2, these time periods a convection period B, two carburizing periods F1, F2, three diffusion periods D1, D2, D3, and a quenching period G.
  • the gas is evacuated from the chamber by means of the vacuum pump in evacuation periods E1, E2, E3, E4 and E5.
  • the evacuation periods E1, E2, E3, E4 and E5 are each shorter than each of the other periods B, F1, F2, D1, D2, D3 and G.
  • the evacuation periods E1, E2, E3, E4 and E5 are therefore kept as short as possible, to minimize manganese effusion.
  • the chamber is not evacuated between the convection period B and the first diffusion period D1.
  • the chamber is first filled with an inert gas which can be, for example, nitrogen, helium or argon. Subsequently or at the same time, the chamber is heated with a temperature rise A1.
  • an inert gas which can be, for example, nitrogen, helium or argon.
  • the pressure of the inert gas in the chamber is reduced to a few millibars, for example 30 mbar, and is kept constant over the second period, i.e. the first diffusion period D1.
  • the workpieces are then further heated to the carburizing temperature C2 with a temperature rise A2.
  • the carburizing gas is introduced into the chamber and the workpieces are carburized in the next period, ie the first carburizing period F1, at a pressure of, for example, 10 mbar.
  • the carbon content of the steel in the surface layer of the respective workpiece is increased.
  • the carburizing gas is removed from the chamber in the second evacuation period E2.
  • a treatment pressure of a few millibars, for example 30 mbar, is then set again with the inert gas and kept constant over the subsequent diffusion time segment D2.
  • the third and the fourth evacuation time segment E3, E4 respectively lie before and after the subsequent time segment, which represents the second carburizing time segment F2.
  • the maximum pressure of the inert gas during the interrupting second diffusion time segment D2 is higher than the maximum pressure of the carburizing gas, which is 10 mbar, during the two carburizing time segments F1, F2.
  • a treatment pressure of a few millibars, for example 30 mbar, is set and maintained with the inert gas.
  • the temperature of the workpieces is lowered via a temperature drop F to a hardening temperature C3.
  • an overpressure is set in the chamber with the inert gas. This overpressure is considerably higher than the maximum pressures that were built up in the chamber during the preceding periods of time B, D1, F1, D2, D3.
  • the workpieces are tempered over a constant temperature plateau I in order to achieve the desired degree of hardness/strength. Tempering reduces hardness and increases strength.
  • the duration of the diffusion time segment D2 or D3 increases with respect to the respective preceding diffusion time segment D1 or D2. Ie, the second Diffusion period D2 is longer than the first diffusion period D1. The third diffusion period D3 is longer than the second diffusion period D2.
  • FIG. 3 uses a further diagram for three different hardening processes to show the proportion of manganese in % by weight over the distance from the surface in ⁇ m up to a maximum material depth of 30 ⁇ m.
  • the proportion of manganese is plotted logarithmically on the ordinate.
  • the bottom solid line relates to a workpiece that was case-hardened in a hardening furnace, the chamber of which was almost completely evacuated in the diffusion phases. It can be clearly seen that the proportion of manganese decreases from a material depth of approx. 22 pm towards the surface. On the other hand, the proportion of manganese is almost constant from a material depth of 22 ⁇ m towards the interior of the workpiece.
  • the dotted line refers to a workpiece that was also case-hardened in a hardening furnace.
  • the chamber was evacuated as little as possible during the diffusion phases. It can be seen that the proportion of manganese from the surface to a material depth (ie a distance to the surface) of approx. 10 ⁇ m is higher than in the workpiece in which the chamber was evacuated to a greater extent in the diffusion phases. From a material depth of approx. 10 pm, however, there is hardly any difference with regard to the proportion of manganese Workpiece to be seen in which the chamber was evacuated to a greater extent in the diffusion phases.
  • the workpiece has a higher proportion of manganese over the entire material depth of up to 30 ⁇ m plotted in the diagram than the workpieces represented by the other two lines, in which no sacrificial device was placed in the hardening furnace.
  • another alloying element can of course also be used instead of the alloying element manganese, the proportion of which in the surface layer increases towards the surface.
  • the hardening furnace 2 could also be designed in such a way that the workpiece 16 is placed directly into the chamber 4 without a charging device 8 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Härteverfahren für ein legiertes Werkstück (16), das zumindest ein Basiselement und ein Legierungselement enthält und das in einer Kammer (4) innerhalb eines Härteofens (2) erhitzt wird, wobei die Kammer (4) zumindest in einem Zeitabschnitt gegenüber dem Atmosphärendruck außerhalb des Härteofens (2) abgeschlossen ist. In der Kammer (4) wird eine Opfereinrichtung erhitzt, die das Legierungselement in ein Gas abgibt, aus dem das Werkstück das Legierungselement aufnimmt, sodass ein Anteil des Legierungselements in einer Randschicht des Werkstücks (16) gleichbleibt oder zunimmt.

Description

Beschreibung
Titel
Härteverfahren für ein legiertes Werkstück sowie Vorrichtung zum Härten eines legierten Werkstücks
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Härteverfahren für ein legiertes Werkstück sowie eine Vorrichtung zum Härten eines legierten Werkstücks nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
Die im Internet veröffentlichte Publikation "Bischoff, S., Gasaufkohlen unter Normaldruck und ohne Randschichtschädigung - erste Ergebnisse*, 21.09.2020, https://www.rohdetherm.de/wp-content/uploads/2013/01/l-PDF- ROHDE_HT110197_HTM-2013-05_.pdf" offenbart Folgendes in deren Zusammenfassung:
"Das weit verbreitete geregelte Gasaufkohlen hat den Nachteil, dass aus regelungstechnischen Gründen mit sauerstoffhaltigen Aufkohlungsatmosphären gearbeitet werden muss, was zwangsläufig zu einer Bauteilrandschichtschädigung in der Form von Randoxidation führt. Um Schädigungen durch Oxidation und Manganeffusion zu unterdrücken und auch um Anlagenkosten niedrig zu halten, wurde ... gezielt im Normaldruckbereich geforscht. Mit einer an das verwendete sauerstofffreie Aufkohlungsgas angepassten Steuerung und Diffusionsberechnung ist es gelungen, eine gezielte Aufkohlung mit guter Gleichmäßigkeit in einer industriellen Anlage zu erzeugen, die beim verwendeten Werkstoff 18CrNiMo7-6 (1.6587) bei einer CHD von rund 1 mm eine Manganeffusion erfolgreich unterdrückt und die Randoxidation nahezu vollständig vermeidet." Ferner offenbart die besagte Publikation: "Von diesen Verfahren hat sich das Niederdruck-Aufkohlen mit Acetylen am besten etabliert, nicht zuletzt aufgrund der sehr guten Reproduzierbarkeit, die durch dieses Verfahren erreicht wird. Das Niederdruck-Aufkohlen vermeidet die Randoxidation, erfordert aber eine aufwendige Ofentechnik und ist nicht frei von einer Randschichtschädigung, da thermische Ätzeffekte auftreten und das Legierungselement Mangan aus dem Werkstoff diffundiert."
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen sich legierte Werkstücke härten lassen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 bzw. Patentanspruch 8 gelöst.
Die Erfindung betrifft ein Härteverfahren eines legierten Werkstücks, das zumindest ein Basiselement und ein Legierungselement enthält und das in einer Kammer innerhalb eines Härteofens erhitzt wird, wobei die Kammer zumindest in einem Zeitabschnitt gegenüber dem Atmosphärendruck außerhalb des Härteofens abgeschlossen ist. In der Kammer wird eine Opfereinrichtung erhitzt, die das Legierungselement in ein Gas abgibt, aus dem das Werkstück das Legierungselement aufnimmt, sodass ein Anteil des Legierungselements in einer Randschicht des Werkstücks gleich bleibt oder zunimmt. Bei dem Gas kann es sich selbstverständlich auch um ein Gasgemisch handeln.
Beim Vorgeben, insbesondere Steuern oder Regeln, einer Temperatur innerhalb der Kammer des Härteofens ergibt sich in dem Gas über einer Oberfläche des Werkstückes, welches das Legierungselement in fester Lösung enthält, ein temperaturabhängiger Gleichgewichtspartialdruck des Legierungselements. Durch die hohe Temperatur im Härteofen bildet sich der von dieser Temperatur abhängige Partialdruck des gasförmigen Legierungselements in der Kammer aus, wodurch weniger Legierungselement aus dem Werkstück effundiert und sich ein quasistationärer Zustand ergibt und der Anteil des Legierungselements in dem Randbereich des Werkstücks nicht weiter absinkt. Dadurch, dass eine Opfereinrichtung das Legierungselement in einer ausreichend hohen Menge abgibt, die sicherstellt, dass ein Anteil des Legierungselements in einer Randschicht des Werkstücks nicht abnimmt, wird der Randbereich des Werkstücks hart und mithin verschleißfest, wohingegen die oberflächenfernen Bereiche des Werkstücks insbesondere schlagzäher sind.
Besonders vorteilhaft ist, wenn vorgesehen ist, dass das Werkstück eine Oberfläche aufweist und dass das Legierungselement Mangan ist, das von der Opfereinrichtung in einer Menge abgegeben wird, die sicherstellt, dass der Anteil des Mangans in der Randschicht des Werkstücks an dessen Oberfläche mindestens das Dreifache von dem Anteil des Mangans in einem von der Oberfläche entfernten Bereich innerhalb des Werkstücks beträgt. Mangan ist ein relativ häufiges Element und wird zur Steigerung der Härtbarkeit und Durchhärtbarkeit bei Stählen als kostengünstiges Legierungselement verwendet. Darüber hinaus kann es als Nickel-Ersatz bei korrosionsbeständigen Stählen eingesetzt werden. Da es nicht zur oberflächennahen Verminderung des Anteils des Mangans im Werkstück kommt, wird die Härtbarkeit beibehalten oder erhöht und es verringert sich die Martensitstarttemperatur. Das Werkstück kommt im Randbereich beim Härten nicht unter Zugspannungen, wodurch sich die zyklische Beanspruchbarkeit des Werkstücks beispielsweise hinsichtlich einer Innendruck- oder Biegebeanspruchbarkeit verbessert. Eine Nachbearbeitung des Werkstücks nach dem Härten ist nicht unbedingt notwendig.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass während des Zeitabschnitts ein Druck innerhalb der Kammer unterhalb des Atmosphärendrucks liegt. Als Atmosphärendruck im Sinne dieser Anmeldung ist ein mittlerer atmosphärischer Druck auf Meereshöhe zu verstehen. Insofern handelt es sich um ein Niederdruckverfahren, welches beispielsweise bei 2 bis 30 mbar, insbesondere 10 mbar durchgeführt werden kann.
Um beim Einsatzhärten des Werkstücks eine Randschichtoxidation zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass das Werkstück im Härteofen durch Zugabe eines Aufkohlungsgases niederdruckaufgekohlt wird und anschließend im Härteofen nach Zugabe eines Inertgases hochdruckgasabgeschreckt wird.
Um eine Effusion von Mangan zwischen Aufkohlungszeitabschnitten zu verhindern, kann vorgesehen sein, dass das Werkstück in mindestens zwei Aufkohlungszeitabschnitten niederdruckaufgekohlt wird, die von einem Diffusionszeitabschnitt unterbrochen werden, in dem das Aufkohlungsgas innerhalb der Kammer durch das Inertgas ersetzt wird.
Um sicherzustellen, dass in vorgegebener Zeit eine relativ hohe Menge des Mangans in das Werkstück diffundiert, kann vorgesehen sein, dass der maximale Druck des Inertgases während des unterbrechenden Diffusionszeitabschnitts höher ist als der maximale Druck des Aufkohlungsgases während der beiden Aufkohlungszeitabschnitte, in denen das Werkstück niederdruckaufgekohlt wird.
Um den Mangangehalt im Werkstück noch weiter zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass vor und nach den mindestens zwei Aufkohlungszeitabschnitten jeweils ein Diffusionszeitabschnitt liegt.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Härten eines legierten Werkstücks ist vorgesehen, dass das Werkstück zumindest ein Basiselement und ein Legierungselement enthält und dass das Werkstück in einer Kammer innerhalb eines Härteofens erhitzt wird, wobei eine Einrichtung zur Vorgabe einer Temperatur in der Kammer vorgesehen ist, die zumindest in einem Zeitabschnitt gegenüber dem Atmosphärendruck außerhalb des Härteofens abschließbar ist. In der Kammer ist eine Opfereinrichtung angeordnet, die einen höheren Anteil des Legierungselements aufweist als das Werkstück. Insofern ist die Opfereinrichtung mit dem Legierungselement höher legiert als das Werkstück. Es ergibt sich in der Gasphase über einer Oberfläche der Opfereinrichtung, die das Legierungselement in fester Lösung enthält, ein temperaturabhängiger Gleichgewichtsdruck des Legierungselements. Das Werkstück enthält jedoch weniger Legierungselement in fester Lösung als die Opfereinrichtung. Da das Werkstück und die Opfereinrichtung von einer nahezu gemeinsamen Gasphase umgeben werden, geht insofern das Legierungselement von der Opfereinrichtung über die Gasphase in das Werkstück über, an dessen Randschicht sich der Anteil des Legierungselements erhöht.
Das Werkstück kann insbesondere aus einem Stahl bestehen, dessen Basiselement Eisen ist, wohingegen das Legierungselement Mangan ist. Um bei üblichen Stählen mit Mangan, insbesondere bei niedriglegierten Einsatzstählen, sicherzustellen, dass der Anteil des Mangans im Werkstück beim Härten nicht abnimmt, kann vorgesehen sein, dass die Opfereinrichtung einen Anteil des Mangans von mehr als 5 Gew-%, insbesondere mehr als 10 Gew-% aufweist.
Je nach Größe und Formgebung des Härteofens sind verschiedene Arten von Opfereinrichtungen von Vorteil. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Opfereinrichtung eine Chargiereinrichtung und/oder Setzware und/oder Schüttgut und/oder ein Einsatz ist, der wechselbar in die Chargiereinrichtung eingesetzt ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Härten eines legierten Werkstücks;
Fig. 2 anhand eines Diagrammes eine Prozessführung zum Niederdruckaufkohlen und Hochdruckgasabschrecken des Werkstücks aus Fig. 1 ; und
Fig. 3 anhand eines weiteren Diagrammes für drei verschiedene Härteverfahren den Anteil des Mangans über dem Abstand zur Oberfläche des Werkstücks nach Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Härten eines legierten Werkstücks. Die Vorrichtung umfasst einen Härteofen 2 mit einer Kammer 4, die eine Öffnung 6 aufweist, durch die eine Chargiereinrichtung 8 in die Kammer 4 eingesetzt werden kann. Die Kammer 4 ist mittels eines Deckels 10 verschließbar.
Die Chargiereinrichtung 8 kann beispielsweise als Chargiergestell oder als Chargierkorb ausgeführt sein. Auf gitterartige Böden 12, 14 der Chargiereinrichtung 8 sind Werkstücke 16 gelegt, die Oberflächen 17 aufweisen, die bis auf verhältnismäßig kleine Auflageflächen auf den gitterartigen Böden einem umgebenden Gas gegenüber exponiert sind. Dazu weist die Chargiereinrichtung 8 eine offene Struktur auf. Die Werkstücke 16 sind vorliegend beispielhaft als Zahnräder eines Getriebes für einen Elektroantrieb ausgeführt. Dabei kann es sich um den Elektroantrieb eines Elektrofahrzeugs handeln.
Die Werkstücke 16 bestehen aus einer Legierung die zumindest ein Basiselement und mehrere Legierungselemente enthält, von denen ein Legierungselement Mangan ist. Das Basiselement ist Eisen, das zusammen mit Kohlenstoff einen Stahl bildet.
Die Chargiereinrichtung 8 weist einen Bereich 18 auf, in dem Schüttgut 20 aufgeschüttet ist. Zusätzlich und/oder alternativ weist die Chargiereinrichtung 8 eine Aufnahme 22 auf, in die zumindest ein austauschbarer Einsatz 24 eingesetzt ist. Überdies ist auf zumindest einen der Böden 12, 14 Setzware 25 aufgesetzt. Ferner ist in die Kammer 4 ein weiterer austauschbarer Manganeinsatz 26 vorgesehen.
Die Chargiereinrichtung 8, das Schüttgut 20, der Einsatz 24, die Setzware 25 und der Manganeinsatz 26 bilden jeweils eine Opfereinrichtung. Diese Opfereinrichtung besteht aus einer weiteren Legierung, in der ein Legierungselement ebenfalls Mangan ist. Der Anteil des Mangans an der Legierung ist so hoch, dass bei gleichzeitiger Erhitzung der Opfereinrichtung und des Werkstücks 16 innerhalb der Kammer 4 sichergestellt ist, dass der Anteil des Legierungselements in der Randschicht des Werkstücks zunimmt oder zumindest nicht abnimmt. Insofern kann die Opfereinrichtung einen Anteil des Mangans von mehr als 5 Gew-%, insbesondere mehr als 10 Gew-% aufweisen. Eine Legierung, die einen solch hohen Anteil des Mangans aufweist, ist beispielsweise X120Mn12. Insofern ist der gewichtsmäßige Anteil des Mangans bei der Opfereinrichtung höher als beim Werkstück. Je höher der Anteil des Mangans im Werkstück bzw. der Opfereinrichtung ist, desto höher ist der jeweils daraus resultierende Partialdruck des gasförmigen Mangans, das beim Heizen der Kammer 4 mittels einer Heizung 27 des Härteofens 2 aus der Chargiereinrichtung 8, dem Werkstück 16, dem Schüttgut 20, dem Einsatz 24, der Setzware 25 und dem Manganeinsatz 26 effundiert. Die Heizung 27 ist Teil einer Einrichtung zur Vorgabe einer Temperatur in der Kammer 4. Diese Einrichtung umfasst zusätzlich einen nicht näher dargestellten Temperaturregler. Es ist jedoch alternativ auch möglich, die Temperatur in der Kammer 4 zu steuern.
Beim Heizen oberhalb einer Temperatur von ungefähr 800 °C ergibt sich in einem Gas bzw. Gasgemisch über einer Oberfläche der metallischen Teile, die Mangan in fester Lösung enthalten, ein temperaturabhängiger Mangangleichgewichtspartialdruck. Würde das mit Mangan angereicherte Gas kontinuierlich abgesaugt, so würde unter diesen Bedingungen andauernd Mangan aus den Randbereichen der metallischen Teile effundieren. Um diese Effusion zu verhindern wird ein Härteverfahren angewendet, das nachstehend erläutert wird. Bei dem Härteverfahren wird die Effusion von Mangan insbesondere aus den Werkstücken 16 verringert, indem ein kontinuierliches Evakuieren des Härteofens bei Temperaturen oberhalb 800 °C vermieden wird. Dadurch bildet sich nur der von der Temperatur abhängende Manganpartialdruck im Gas innerhalb der Kammer 4 aus, wodurch deutlich weniger Mangan aus den Werkstücken 16 effundiert und sich ein quasistationärer Zustand ergibt und der Mangangehalt oberflächennah nicht weiter absinkt.
Mit zunehmendem Manganpartialdruck nehmen die zu behandelnden Werkstücke 16 im Randbereich zusätzliches Mangan auf. Die Zahl der Opfereinrichtungen, die notwendig ist, um für eine gegebene Wärmebehandlungscharge einen ausreichend hohen Manganpartialdruck gewährleisten zu können, hängt maßgeblich davon ab, welchen Anteil des Mangans die Opfereinrichtungen aufweisen. Die notwenige Zahl der Opfereinrichtungen hängt auch von deren Oberflächenform und -große ab. Außerdem hängt die notwendige Zahl der Opfereinrichtungen vom Mangangehalt der zu behandelnden Werkstücke 16 und von der Behandlungs- bzw. Härtetemperatur ab. Überdies hängt die notwendige Zahl der Opfereinrichtungen von den Werkstoffen der Kammer 4 sowie der Chargiereinrichtung 8 ab. Darüber hinaus hängt die Zahl der notwendigen Opfereinrichtungen von dem Ort ab, an dem die Werkstücke 16 und die Opfereinrichtung innerhalb der Chargiereinrichtung 8 und in der Kammer 4 angeordnet sind.
Um das nachstehend beschriebene Härteverfahren durchführen zu können, muss der Kammer 4 Gas zugeführt und aus derselben (allerdings nicht kontinuierlich und nicht oberhalb von 800 °C) evakuiert werden können. Dazu weist eine Wand des Härteofens zwei Öffnungen 28, 30 auf, die als Gaseinlass und als Gasauslass ausgestaltet sind. Die erste Öffnung 28 ist über Ventile 32, 34 mit Gas- bzw. Flüssiggasanschlüssen verbindbar und von denselben absperrbar.
Die zweite Öffnung ist ebenfalls mittels eines Ventils 36 absperrbar. Bei geöffnetem Ventil 36 ist die Kammer 4 fluidisch mit einer Vakuumpumpe verbunden, die im Idealfall ein Vakuum in der Kammer 4 erzeugen kann oder aber zumindest das Gas oder Flüssiggas aus der Kammer 4 absaugen kann, das zuvor über die erste Öffnung 28 in die Kammer 4 eingefüllt wurde. Bei dem Gas und/oder dem Flüssiggas kann es sich insbesondere um ein Inertgas und einen Kohlenwasserstoff handeln, der auch als Aufkohlungsgas bezeichnet wird. Mögliche Inertgase sind beispielsweise Stickstoff, Helium und Argon. Mögliche Kohlenwasserstoffe sind beispielsweise Acetylen und Propan.
Damit wird bei den Behandlungstemperaturen, die beispielsweise beim Einsatzhärten auftreten, ein ausreichend hoher Manganpartialdruck gewährleistet. Das Einsatzhärten umfasst ein Niederdruckaufkohlen und ein Hochduckgasabschrecken.
Zusätzlich soll mit nachfolgend beispielhaft beschriebener Prozessführung beim Härteverfahren der Einfluss der notwendigen Evakuierschritte auf die Manganeffusion im Randbereich der Werkstücke 16 minimiert werden.
Fig. 2 zeigt anhand eines Diagrammes das Härteverfahren der legierten Werkstücke aus Fig. 1.
Auf der Abzisse ist die Zeit t aufgetragen.
Auf der Ordinate sind die Temperatur T und der Kammerdruck p in der Kammer aufgetragen. Dabei zeigt ein Balkendiagramm den Kammerdruck p und das Liniendiagramm die Temperatur T.
Das Härteverfahren weist einzelne zeitlich aufeinander folgende Zeitabschnitte auf, in denen die Kammer 4 gegenüber der Luft bzw. dem Atmosphärendruck außerhalb des Härteofens 2 abgeschlossen ist, wobei diese Zeitabschnitte einen Konvektionszeitabschnitt B, zwei Aufkohlungszeitabschnitte F1, F2, drei Diffusionszeitabschnitte D1 , D2, D3, und einen Abschreckzeitabschnitt G umfassen.
Zwischen den einzelnen Zeitabschnitten nach dem Konvektionszeitabschnitt B, d.h. beginnend mit dem ersten Diffusionszeitabschnitt D1 und endend mit dem Abschreckzeitabschnitt G, wird das Gas mittels der Vakuumpumpe in Evakuierungszeitabschnitten E1 , E2, E3, E4 und E5 aus der Kammer evakuiert. Die Evakuierungszeitabschnitte E1, E2, E3, E4 und E5 sind jeweils kürzer als jeder der übrigen Zeitabschnitte B, F1 , F2, D1 , D2, D3 und G. Die Evakuierungszeitabschnitte E1, E2, E3, E4 und E5 sind deshalb möglichst kurz gehalten, um die Manganeffusion zu minimieren. Zwischen dem Konvektionszeitabschnitt B und dem ersten Diffusionszeitabschnitt D1 erfolgt keine Evakuierung der Kammer.
Die Kammer wird im ersten Zeitabschnitt - d.h. dem Konvektionszeitabschnitt B - zunächst mit einem Inertgas gefüllt, das beispielsweise Stickstoff, Helium oder Argon sein kann. Anschließend oder zeitlich parallel dazu wird die Kammer mit einem Temperaturanstieg A1 erwärmt.
Nach dem Erwärmen der Werkstücke auf eine Behandlungstemperatur C1 von beispielsweise 800 °C wird der Druck des Inertgases in der Kammer auf wenige Millibar, beispielsweise 30 mbar, abgesenkt und über den zweiten Zeitabschnitt, d.h. den ersten Diffusionszeitabschnitt D1 , konstant gehalten. Daran anschließend werden die Werkstücke mit einem Temperaturanstieg A2 weiter auf die Aufkohlungstemperatur C2 erwärmt.
Nach dem ersten Evakuierungszeitabschnitt E1 wird das Aufkohlungsgas in die Kammer eingeleitet und die Werkstücke werden in dem nächsten Zeitabschnitt, d.h. dem ersten Aufkohlungszeitabschnitt F1 bei einem Druck von beispielsweise 10 mbar aufgekohlt. Beim Aufkohlen wird der Kohlenstoffanteil des Stahls in der Randschicht des jeweiligen Werkstücks erhöht. Anschließend wird das Aufkohlungsgas in dem zweiten Evakuierungszeitabschnitt E2 aus der Kammer entfernt. Daraufhin wird mit dem Inertgas wieder ein Behandlungsdruck von wenigen Millibar, beispielsweise 30 mbar, eingestellt und über den darauf folgenden Diffusionszeitabschnitt D2 konstant gehalten.
Zeitlich vor und nach dem darauf folgenden Zeitabschnitt, der den zweiten Aufkohlungszeitabschnitt F2 darstellt, liegen der dritte bzw. der vierte Evakuierungszeitabschnitt E3, E4.
Mithin werden die Werkstücke in jedem der beiden Aufkohlungszeitabschnitte F1 , F2 niederdruckaufgekohlt. Diese beiden Aufkohlungszeitabschnitte F1, F2 werden von dem vierten Zeitabschnitt D2 unterbrochen, in dem das Aufkohlungsgas innerhalb der Kammer durch das Inertgas ersetzt wird.
Der maximale Druck des Inertgases während des unterbrechenden zweiten Diffusionszeitabschnitts D2 ist mit 30 mbar höher als der 10 mbar betragende maximale Druck des Aufkohlungsgases während der beiden Aufkohlungszeitabschnitte F1 , F2.
Während des darauf folgenden dritten Diffusionszeitabschnitts D3 wird mit dem Inertgas ein Behandlungsdruck von wenigen Millibar, beispielsweise 30 mbar eingestellt und gehalten. In diesem dritten Diffusionszeitabschnitt D3 wird die Temperatur der Werkstücke über einen Temperaturabfall F auf eine Härtetemperatur C3 abgesenkt. Vor dem Abschrecken der Werkstücke über einem Temperaturabfall H liegt der letzte Evakuierungszeitabschnitt E5. Für das Abschrecken wird in der Kammer ein Überdruck mit dem Inertgas eingestellt. Dieser Überdruck ist erheblich höher als die maximalen Drücke, die während der vorhergehenden Zeitabschnitte B, D1 , F1 , D2, D3 in der Kammer aufgebaut wurden. Nach dem Abkühlen der Werkstücke auf Raumtemperatur werden die Werkstücke über einem konstant gehaltenen Temperaturplateau I angelassen, um den gewünschten Härte-/Festigkeitsgrad zu erzielen. Mit dem Anlassen wird die Härte reduziert und die Festigkeit erhöht.
Die Dauer des Diffusionszeitabschnittes D2 bzw. D3 nimmt zum jeweils vorhergehenden Diffusionszeitabschnitt D1 bzw. D2 zu. D.h., der zweite Diffusionsabschnitt D2 ist länger als der erste Diffusionszeitabschnitt D1. Der dritte Diffusionsabschnitt D3 ist länger als der zweite Diffusionszeitabschnitt D2.
Es können auch weniger als drei Diffusionszeitabschnitte D1 bis D3 vorgesehen sein. Beispielsweise können zwei Diffusionszeitabschnitte D1 bis D2 ausreichend sein.
Fig. 3 zeigt anhand eines weiteren Diagrammes für drei verschiedene Härteverfahren den Anteil des Mangans in Gew-% über dem Abstand zur Oberfläche in pm bis zu einer maximalen Materialtiefe von 30 pm. Der Anteil des Mangans ist auf der Ordinate logarithmisch aufgetragen.
Bei allen drei Härteverfahren wurde ein Einsatzstahl 20MnCrS5 gehärtet, indem er im Niederdruck aufgekohlt und anschließend hochdruckgasabgeschreckt wurde.
Die unterste durchgezogene Linie betrifft ein Werkstück, das in einem Härteofen einsatzgehärtet wurde, dessen Kammer in den Diffusionsphasen nahezu vollständig evakuiert wurde. Deutlich ist zu ersehen, dass der Anteil des Mangans ab einer Materialtiefe von ca. 22 pm zur Oberfläche hin abnimmt. Hingegen ist der Anteil des Mangans ab einer Materialtiefe von 22 pm zum Werkstückinneren hin nahezu konstant.
Das liegt daran, dass bei dem manganhaltigen Werkstück aus Einsatzstahl, das im Heizofen gehärtet wurde, der Anteil des Mangans oberflächennah durch Abdampfen des Mangans abgenommen hat, was als Manganeffusion beim Aufkohlen vom Werkstück im Niederdruck bezeichnet wird.
Die punktierte Linie betrifft ein Werkstück, das ebenfalls in einem Härteofen einsatzgehärtet wurde. Jedoch wurde die Kammer in den Diffusionsphasen möglichst wenig evakuiert. Es ist ersichtlich, dass der Anteil des Mangans von der Oberfläche bis zu einer Materialtiefe (d.h. einem Abstand zur Oberfläche hin) von ca. 10 pm höher ist als bei dem Werkstück, bei dem die Kammer in den Diffusionsphasen stärker evakuiert wurde. Ab einer Materialtiefe von ca. 10 pm ist hinsichtlich des Anteils des Mangans jedoch kaum ein Unterschied zu dem Werkstück zu sehen, bei dem die Kammer in den Diffusionsphasen stärker evakuiert wurde.
Ein deutlicher Unterschied ist hingegen bei dem Werkstück zu sehen, das von der obersten durchgezogenen Linie repräsentiert wird. Ausschließlich bei diesem Werkstück nimmt der Anteil des Mangans zur Oberfläche hin zu. Mangan wurde nämlich von der Opfereinrichtung in einer Menge abgegeben, die sicherstellt, dass der Anteil des Mangans in der Randschicht des Werkstücks an dessen Oberfläche mindestens das dreifache von dem Anteil des Mangans in einem von der Oberfläche entfernten Bereich innerhalb des Werkstücks beträgt.
Auch ist zu sehen, dass das Werkstück über die gesamte im Diagramm aufgetragene Materialtiefe von bis zu 30 pm einen höheren Anteil des Mangans aufweist als die durch die beiden anderen Linien repräsentierten Werkstücke, bei denen keine Opfereinrichtung in dem Härteofen angeordnet wurde.
Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens kann selbstverständlich anstelle des Legierungselements Mangan auch ein anderes Legierungselement verwendet werden, dessen Anteil in der Randschicht zur Oberfläche hin zunimmt.
Der Härteofen 2 könnte auch so ausgestaltet sein, dass das Werkstück 16 ohne Chargiereinrichtung 8 unmittelbar in die Kammer 4 eingelegt wird.

Claims

Ansprüche
1. Härteverfahren für ein legiertes Werkstück (16), das zumindest ein Basiselement und ein Legierungselement enthält und das in einer Kammer (4) innerhalb eines Härteofens (2) erhitzt wird, wobei die Kammer (4) zumindest in einem Zeitabschnitt gegenüber dem Atmosphärendruck außerhalb des Härteofens (2) abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammer (4) eine Opfereinrichtung erhitzt wird, die das Legierungselement in ein Gas abgibt, aus dem das Werkstück das Legierungselement aufnimmt, sodass ein Anteil des Legierungselements in einer Randschicht des Werkstücks (16) gleich bleibt oder zunimmt.
2. Härteverfahren nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (16) eine Oberfläche (17) aufweist und dass das Legierungselement Mangan ist, das von der Opfereinrichtung in einer Menge abgegeben wird, die sicherstellt, dass der Anteil des Mangans in der Randschicht des Werkstücks (16) an dessen Oberfläche (17) mindestens das Dreifache von dem Anteil des Mangans in einem von der Oberfläche (17) entfernten Bereich innerhalb des Werkstücks (16) beträgt.
3. Härteverfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Zeitabschnitts ein Druck innerhalb der Kammer (4) unterhalb des Atmosphärendrucks liegt.
4. Härteverfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (16) im Härteofen (2) durch Zugabe eines Aufkohlungsgases niederdruckaufgekohlt wird und anschließend im Härteofen (2) nach Zugabe eines Inertgases hochdruckgasabgeschreckt wird.
5. Härteverfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (16) in mindestens zwei Aufkohlungszeitabschnitten (F1 , F2) niederdruckaufgekohlt wird, die von einem Diffusionszeitabschnitt (D2) unterbrochen werden, in dem das Aufkohlungsgas innerhalb der Kammer (4) durch das Inertgas ersetzt wird. Härteverfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Druck des Inertgases während des unterbrechenden Diffusionszeitabschnitts (D2) höher ist als der maximale Druck des Aufkohlungsgases während der beiden Aufkohlungszeitabschnitte (F1 , F2), in denen das Werkstück (16) niederdruckaufgekohlt wird. Härteverfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor und nach beiden Aufkohlungszeitabschnitten (F1 , F2) jeweils ein Diffusionszeitabschnitt (D1 bzw. D3) liegt. Vorrichtung zum Härten eines legierten Werkstücks (16), das zumindest ein Basiselement und ein Legierungselement enthält und das in einer Kammer (4) innerhalb eines Härteofens (2) erhitzt wird, wobei eine Einrichtung zur Vorgabe einer Temperatur (T) in der Kammer (4) vorgesehen ist, die zumindest in einem Zeitabschnitt gegenüber dem Atmosphärendruck außerhalb des Härteofens (2) abschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammer (4) eine Opfereinrichtung angeordnet ist, die einen höheren Anteil des Legierungselements aufweist als das Werkstück (16). Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement Eisen und das Legierungselement Mangan ist und dass die Opfereinrichtung einen Anteil des Mangans von mehr als 5 Gew-%, insbesondere mehr als 10 Gew-% aufweist. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Opfereinrichtung eine Chargiereinrichtung (8) und/oder Setzware (25) und/oder Schüttgut (20) und/oder ein Einsatz (24) ist, der wechselbar in die Chargiereinrichtung (8) eingesetzt ist.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0544059A (ja) * 1991-08-09 1993-02-23 Toyota Motor Corp 摺動部材
US20040116242A1 (en) * 2002-12-12 2004-06-17 Nissan Motor Co., Ltd. Roller bearing
WO2004063399A1 (en) * 2003-01-13 2004-07-29 Sandvik Intellectual Property Ab Suface hardened stainless steel with improved wear resistance and low static friction properties
DE102018128131A1 (de) * 2018-11-09 2020-05-14 Thyssenkrupp Ag Gehärtetes Bauteil umfassend ein Stahlsubstrat und eine Korrosionsschutzbeschichtung, entsprechendes Bauteil zur Herstellung des gehärteten Bauteils sowie Herstellverfahren und Verwendung
CN111690794A (zh) * 2020-01-17 2020-09-22 济宁学院 一种工程机械终传动齿轮的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0544059A (ja) * 1991-08-09 1993-02-23 Toyota Motor Corp 摺動部材
US20040116242A1 (en) * 2002-12-12 2004-06-17 Nissan Motor Co., Ltd. Roller bearing
WO2004063399A1 (en) * 2003-01-13 2004-07-29 Sandvik Intellectual Property Ab Suface hardened stainless steel with improved wear resistance and low static friction properties
DE102018128131A1 (de) * 2018-11-09 2020-05-14 Thyssenkrupp Ag Gehärtetes Bauteil umfassend ein Stahlsubstrat und eine Korrosionsschutzbeschichtung, entsprechendes Bauteil zur Herstellung des gehärteten Bauteils sowie Herstellverfahren und Verwendung
CN111690794A (zh) * 2020-01-17 2020-09-22 济宁学院 一种工程机械终传动齿轮的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MATTOX D M: "Physical vapor deposition (PVD) processes", METAL FINISHING : DEVOTED EXCLUSIVELY TO METALLIC SURFACE TREATMENTS, ELSEVIER, NEW YORK, NY, US, vol. 100, 1 January 2002 (2002-01-01), pages 394 - 408, XP004681990, ISSN: 0026-0576, DOI: 10.1016/S0026-0576(02)82043-8 *

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