WO2024008331A1 - Verfahren zur herstellung eines werkstücks aus stahl und durch das verfahren hergestelltes werkstück - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines werkstücks aus stahl und durch das verfahren hergestelltes werkstück Download PDF

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WO2024008331A1
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Michael Maurer
Mahankali Chary RAGUVEERA
Mario Reichert
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Lsv Lech-Stahl-Veredelung Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for hardening an intermediate layer of a workpiece made of steel according to the preamble of patent claim 1.
  • surface hardening refers to a hardening process in which, starting from the application of heat to the surface, only a part of the entire workpiece volume is austenitized and then quenched with high cooling intensity. The aim is to achieve a very high hardness in a martensitic surface layer, while the majority of the cross section remains untouched by the heat treatment cycle.
  • WO 2018/007377 A1 discloses a method for producing a rack for a steering gear of a motor vehicle, which has at least one toothing section with a toothing and at least one shaft section with at least one threaded section with a coaxial thread.
  • the maximum hardness H that can be achieved here is almost exclusively dependent on the carbon content for low-alloy steels, ie for steels with an alloying element content of less than 5%, measured in mass percent (Fig. 1) .
  • the function shown in Fig. 1 describes the highest, theoretically achievable hardness value at a specific carbon content under the condition that 100% of the structure is hardened Austenitized steel can be converted into martensite. Such a transformation from the austenite requires quenching speeds in the range of one hundred Kelvin per second and more.
  • the hardness for example measured as Vickers hardness HV
  • the hardness runs in a characteristic manner, as shown in FIG. 2.
  • the hardness is shown as a percentage in relation to the maximum hardness of the material as a function of the distance d from the surface of a workpiece, for example a rod.
  • the rod At its edge, ie at the distance value do, the rod has a maximum hardness which forms a plateau value b up to a distance d 15 .
  • the hardness decreases essentially linearly to a value c, which in turn forms a plateau for all larger distances from the surface.
  • the value c represents the hardness value of the base material. It can therefore be seen that, according to the state of the art, hardness curves consist of a hardness plateau on the surface and a subsequent drop in hardness up to the hardness value of the base material. Due to the manufacturing process, the highest hardness values are always directly on the surface.
  • the edge area with hardness b is also the area of the workpiece or semi-finished product that is predominantly machined in the subsequent further processing and does not fulfill any function in the later application. This means that a significant amount of material is hardened, which then has to be removed by machining and, due to its hardness, makes the machining process even more difficult.
  • a section of a ball screw 1 manufactured according to the prior art is shown in a longitudinal view, in Fig. 3b in cross section, which represents a typical workpiece that has been subjected to such a hardening process.
  • the ball screw 1 has a trough-shaped, in particular semicircular or Gothic, helical contour 2 shaped in the manner of a Gothic pointed arch with a base line 4 for guiding balls.
  • the contact point of the balls in the ball orbit is with a line 3, the contact line, shown.
  • a line 5 indicates the point of highest stress B in the form of compressive stresses on the ball screw.
  • the stress B is shown in the form of a compressive stress as a function of the distance d from the surface of the ball screw 1, starting from the level of the stress along the contact line 3.
  • there is a high level of stress during the service life of the ball screw in use for example in a steering gear of a motor vehicle, in the area of the ball raceway, for example along the base line 4; This stress is generated by the direct contact of the balls with the raceway in contour 2.
  • the maximum stress lies below the foot line 4, approximately in the range of 1 mm below, at line 5, known as surface pressure or Hertzian pressure. From line 5, the stress B decreases again to a significantly lower value up to a distance 6.
  • the present invention provides a method for producing a semi-finished product made of steel with a defined hardness profile for further processing, for example into a rack for a steering gear in a motor vehicle or in linear technology.
  • the invention thus creates a method to better adapt the material properties to the stresses that occur during operation and to optimize production to form the functional areas of a workpiece.
  • the semi-finished product is heat treated in such a way that the subsequent manufacturing processes - especially machining processes - can be made more efficient.
  • more specifically specified properties with regard to wear resistance can be created for later applications and loads.
  • the semi-finished product in question in the form of solid material, steel bars, rods, steel rods or pipes in untreated, i.e. black or bright, i.e. H. Peeled or drawn, the design has a property progression from the surface to the core, which has an optimum in terms of machinability and subsequent loading of the end product made from the semi-finished product.
  • the specific properties that can be produced in a defined manner in the individual layers after going through the process chain achieve two goals: On the one hand, more efficient and better machining of the semi-finished product is promoted with a longer tool life and thus production costs are reduced. Furthermore, maximum resistance to wear and abrasion is made possible during the use phase of the manufactured component and an increase in the service life of the component is achieved.
  • a hardness curve is achieved which meets the following criteria: surface hardening is achieved in the range between the maximum hardness of the material and the hardness of the base material for more efficient machining in the edge area (usually 60 to 90% of the maximum hardness), and maximum hardening is carried out in the area of subsequent stress in deeper areas up to the transition zone of the base material.
  • the material After the preferably inductive heating of the material areas to be hardened to temperatures above the austenitization temperature (Ac3), the material successively passes through several cooling sections of a cooling device, in which it is cooled with changing intensity and variable pause times. This creates a multi-stage cooling process with tempering effects during breaks. This creates a martensite with higher toughness in the material.
  • Ac3 austenitization temperature
  • this state is adjusted via a further tempering process on the conventionally surface-hardened material, preferably by means of high-frequency induction.
  • the multi-stage cooling process from the outside to the inside results in layers with the following structural structure: martensite tempered at medium or high temperature, martensite tempered at low temperature, martensite tempered at medium or high temperature or bainite or ferrite with carbides.
  • the invention also provides a workpiece that has been produced using a corresponding method according to the invention.
  • Advantageous refinements result from the subclaims.
  • the workpiece preferably has a round cross section with a diameter that is preferably in a range between 10 mm and 300 mm.
  • the workpiece is preferably a ball screw or a rack.
  • Fig. 5 shows the contour of a ball raceway in a rod with a recirculating ball thread and a representation of the hardness curve in the cross section of the rod, taking into account a previous abrasive process with an additional application of the hardness H in its course in the rod during interlayer hardening as a function of the distance d from the outside inwards on the workpiece,
  • Fig. 6 shows a schematic structure of a system for hardening workpieces
  • Fig. 7 shows a temperature curve of the workpiece as a function of time, based on the surface temperature of the workpiece during heating and gradual cooling.
  • a workpiece produced by a method according to the invention for example a steel rod made of solid material with a diameter of 30 mm.
  • the hardness then increases essentially linearly to a value b up to a distance d 13 .
  • the area with hardness B forms the intermediate layer. Up to a distance d 15, the hardness has the value b and drops to a level of the untreated or pretreated base material c with further distance from the surface at d 16 .
  • the hardness values in section a are in the range of 60 to 90% of the maximum hardness and the values in section b, ie, in the intermediate layer, are in the range of 90 to 100% of the maximum hardness of the material.
  • a contour Y (Fig. 5), which is in a rod 1 made of a solid material of a low-alloy steel with a carbon content between 0.20% and 1.20% (to achieve the maximum hardness required for use) and with other alloying elements such as Manganese in the range from 0.40% to 1.50% and chromium in the range from 0.05% to 1.50%, each measured in mass percent, is subjected to a surface grinding process together with the material Z surrounding this contour Y. The grinding process reduced the thickness of the contour. This means that the rod 1 has an outer contour at do before the grinding process, and after the grinding process the contour begins at d 11 .
  • the hardness of the steel has a value a over a distance from di 1 to d 12 and increases linearly, for example with a gradient of 200 HV/mm, to a value b up to a distance d 13 . Up to a distance d 15, the hardness takes on the value b. From the distance d 15 to a distance that decreases the hardness decreases linearly, for example with a gradient of -200 HV/mm, to a value c.
  • the area of maximum hardness begins at a distance d 13 , which at the same time forms the area of the contact points of a spherical orbit with balls (contact points of the balls 2, 3) inserted into the steel rod 1.
  • the base of the ball orbit begins at the distance du, which at the same time forms the end of the zone processed by material removal (cf. foot line 4 in Fig. 3a, 3b, 3c).
  • the zone with the highest hardness b ends, and at the distance the unhardened or slightly hardened base material begins.
  • the rod 10 is preferably moved, with the movement of the rod 10 through the entire system 20 taking place rotationally, translationally or in a combined manner.
  • the steel which is only partially austenitized across the cross section, ie up to a distance d 16 , based on the surface of the rod 10, passes through water cooling in a shower 22 with a flow of, for example, 100 l / min, the surface temperature being reduced briefly, for example for 1 s, is cooled to a temperature below the martensite starting temperature; this temperature is, for example, less than 300 °C. During this cooling process, the temperature of the rod 10 drops according to a curve 72.
  • inductive heating is then preferably carried out in a coil 25 to temperatures between 150 ° C and 300 ° C to remove stresses in the hardened edge layers to avoid cracks, with the temperature rising again according to a curve 75.
  • the temperature is then preferably held for a few seconds. According to a subsequent cooling time, the temperature drops along a curve 76 to room temperature.
  • the hardness layers produced here have a hardness of 600 HV from the surface do to the distance d 12 , a hardness of 730HV from d 13 to d 15 and a basic strength of less than 300 HV from a distance of more than that, based on the Surface of the rod 10.
  • the system 20 for producing an intermediate layer b (Fig. 4) extending between the distances d 13 and d 15 of the rod 10 contains one or more components: one or more devices 21 for heating the rod 10, several devices 22 to 24 for cooling the rod 10 initially formed by a raw material from an austenitization temperature above 850 ° C to a temperature below the martensite formation temperature below 300 ° C, variably controllable with regard to cooling intensity via the flow and pressure of the quenching medium, as well as spatially can be changed in the direction of material flow.
  • a temperature curve (FIG. 7) is achieved, wherein after a preferably inductive heating of the material areas of the workpiece to be hardened, in particular the rod 10, to temperatures above the austenitization temperature (Ac3), the workpiece successively passes through several cooling sections of a cooling device, in which are cooled from the surface with changing intensity and variable pause times.
  • the temperature increases that occur during break times are caused by the spread of heat from the uncooled areas inside the workpiece to the outside.
  • the variable break times are represented by the spatial arrangement of the system elements.
  • the workpiece is cooled to a temperature below the martensite start temperature (Ms) without falling below the martensite end temperature (martensite finish temperature (Mf)).
  • Ms martensite start temperature
  • Mf martensite finish temperature
  • rods made of solid material hollow cylindrical rods can also be provided with a hardness profile.
  • the rods have, for example, a rectangular or circular cross section.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Erzeugen eines Härteprofils an einem Werkstück aus Stahl geschaffen, das eine Grundhärte (c) aufweist und das, ausgehend von der Oberfläche des Werkstücks bis zu einer ersten Tiefe (d15) auf einen ersten, oberhalb der Grundhärte (c) liegenden Härtewert (b) gehärtet wird, wobei bis zu einer zweiten Tiefe (d12), welche geringer ist als die erste Tiefe (d15), ein zweiter Härtewert (a) eingestellt wird, dessen Härte unterhalb des ersten Härtewerts (b) liegt.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Stahl und durch das Verfahren hergestelltes Werkstück
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Härten einer Zwischenschicht eines Werkstücks aus Stahl nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .
Unter dem Begriff “Randschichthärten” wird ein Härtungsprozess verstanden, bei dem, ausgehend von einer Wärmeeinbringung an der Oberfläche, nur ein Teil des kompletten Werkstückvolumens austenitisiert und anschließend mit hoher Kühlintensität abgeschreckt wird. Ziel dabei ist es, eine sehr hohe Härte in einer martensitischen Randschicht einzustellen, während der überwiegende Teil des Querschnitts von dem Wärmebehandlungszyklus unberührt bleibt.
In WO 2018/007377 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs offenbart, die mindestens einen Verzahnungsabschnitt mit einer Verzahnung und mindestens einen Schaftabschnitt mit zumindest einem Gewindeabschnitt mit einem koaxialen Gewinde aufweist.
Dabei ist es bekannt, Zahnstangen für den Einsatz in einem Lenkgetriebe eines Kraftoder Nutzfahrzeugs aus einem randschichtgehärteten Vormaterial herzustellen. Ähnliche Vorgänge sind auch in der Lineartechnik bei der Fertigung von Komponenten zur Übertragung translativer Bewegungen bekannt.
Dies bedeutet allerdings, dass derartiges randschichtgehärtetes Vormaterial nachträglich durch spanende Bearbeitung teilweise wieder abgetragen werden muss, um ein Zahnsegment auf einer Zahnstange oder ein Gewinde auf einer Stange herzustellen.
Die hierbei zu erreichende maximale Härte H, gemessen als Vickers-Härte (HV), ist bei niedrig legierten Stählen, d. h., bei Stählen mit einem Legierungselementgehalt von weniger als 5 %, gemessen in Massenprozent, fast ausschließlich vom Kohlenstoffgehalt abhängig (Fig. 1 ). Die in Fig. 1 dargestellte Funktion beschreibt den höchsten, theoretisch erreichbaren Härtewert bei einem spezifischen Kohlenstoffgehalt unter der Bedingung, dass beim Härten 100 % des Gefüges eines austenitisierten Stahls in Martensit umgewandelt werden. Eine derartige Umwandlung aus dem Austenit erfordert Abschreckgeschwindigkeiten im Bereich von hundert Kelvin pro Sekunde und mehr.
Im Falle eines nach dem Stand der Technik gefertigten Werkstücks, beispielsweise einer Zahnstange, verläuft die Härte, beispielsweise gemessen als Vickers-Härte HV, in charakteristischer Weise, wie in Fig. 2 dargestellt. Hierbei ist die Härte prozentual in Relation zur Maximalhärte des Werkstoffs als Funktion des Abstands d von der Oberfläche eines Werkstücks, beispielsweise einer Stange, dargestellt. An ihrem Rande, d. h., bei dem Abstandswert do, weist die Stange eine maximale Härte auf, die bis zu einem Abstand d15 einen Plateauwert b bildet. In einem sich an das Plateau anschließenden Bereich zwischen einem Abstand d15 und einem Abstand d16 nimmt die Härte im Wesentlichen linear auf einen Wert c ab, der für alle größeren Abstände von der Oberfläche wiederum ein Plateau ausbildet. Der Wert c stellt den Härtewert des Grundwerkstoffs dar. Es zeigt sich somit, dass nach dem Stand der Technik Härteverläufe aus einem Härteplateau an der Oberfläche und einem folgenden Härteabfall bis zu dem Härtewert des Grundwerkstoffs bestehen. Die höchsten Härtewerte liegen dabei herstellungsbedingt stets direkt an der Oberfläche vor.
Allerdings ist der Randbereich mit der Härte b aber auch gleichzeitig der Bereich des Werkstücks oder Halbzeugs, der in der nachfolgenden Weiterverarbeitung überwiegend zerspant wird und auch im späteren Anwendungsfall keine Funktion erfüllt. Dies bedeutet, dass zu einem erheblichen Teil Material gehärtet wird, das anschließend durch Spanen entfernt werden muss und zusätzlich aufgrund seiner Härte den Zerspanungsprozess noch erschwert.
In Fig. 3a ist ein Abschnitt einer nach dem Stand der Technik gefertigten Kugelumlaufspindel 1 in einer längsseitigen Ansicht, in Fig. 3b im Querschnitt dargestellt, die ein typisches Werkstück darstellt, das einem solchen Härtungsprozess unterworfen wurde. Die Kugelumlaufspindel 1 weist eine trogförmige, insbesondere halbrunde oder gotische, nach der Art eines gotischen Spitzbogens geformte wendeiförmige Kontur 2 mit einer Fußlinie 4 zur Führung von Kugeln auf. Der Berührpunkt der Kugeln in der Kugelumlaufbahn ist mit einer Linie 3, der Berührlinie, dargestellt. Eine Linie 5 bezeichnet die Stelle der höchsten Beanspruchung B in Form von Druckspannungen der Kugelumlaufspindel.
In Fig. 3c ist die Beanspruchung B in Form einer Druckspannung als Funktion des Abstands d von der Oberfläche der Kugelumlaufspindel 1 , ausgehend von dem Niveau der Belastung entlang der Berührlinie 3, dargestellt. Dabei liegt, wie Fig. 3c zeigt, eine hohe Beanspruchung während der Lebensdauer der Kugelumlaufspindel im Einsatz vor, beispielsweise in einem Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs, im Bereich der Kugellaufbahn, beispielsweise längs der Fußlinie 4; diese Beanspruchung wird durch den direkten Kontakt der Kugeln mit der Laufbahn in der Kontur 2 erzeugt. Das Maximum der Beanspruchung liegt unterhalb der Fußlinie 4, etwa im Bereich von 1 mm darunter, bei der Linie 5, bekannt als Flächenpressung oder Hertzsche Pressung. Von der Linie 5 nimmt die Beanspruchung B bis zu einem Abstand 6 wieder auf einen deutlich niedrigeren Wert ab.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Werkstück beanspruchungsgerecht dort mit der maximalen Härte auszustatten, wo dieses während seines betrieblichen Einsatzes seine höchste Beanspruchung erfährt. Gleichzeitig soll das Werkstück erfindungsgemäß an den Stellen eine geringere Härte aufweisen, an denen in einem späteren Arbeitsgang Material abgetragen werden soll, beispielsweise durch Zerspanen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie in Patentanspruch 1 angegeben.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus Stahl mit einem definierten Härteprofil für die Weiterverarbeitung, beispielsweise zu einer Zahnstange für ein Lenkgetriebe in einem Kraftfahrzeug oder in der Lineartechnik, zur Verfügung gestellt.
Durch die Erfindung wird somit ein Verfahren geschaffen, um die Materialeigenschaften an die im Betrieb auftretenden Beanspruchungen besser anzupassen und die Fertigung zur Ausbildung der Funktionsbereiche eines Werkstücks zu optimieren. Das Halbzeug wird derart wärmebehandelt, dass zum einen die nachfolgenden Fertigungsprozesse - vor allem zerspanende Prozesse - effizienter gestaltet werden können. Zum anderen können für den späteren Anwendungs- und Belastungsfall zielgerichteter spezifizierte Eigenschaften hinsichtlich des Verschleißwiderstands erzeugt werden.
Das betreffende Halbzeug in Form von Vollmaterial, Stabstahl, Stangen, Stahlstäben oder Rohren in unbehandelter, d.h. schwarzer oder blanker, d. h. geschälter oder gezogener, Ausführung weist dafür einen Eigenschaftsverlauf von der Oberfläche bis zum Kern auf, der ein Optimum aus Bearbeitbarkeit und späterem Belastungsfall des aus dem Halbzeug hergestellten Endprodukts aufweist.
Durch die definiert herstellbaren spezifischen Eigenschaften in den einzelnen Schichten nach dem Durchlaufen der Prozesskette werden zwei Ziele erreicht: Einerseits werden eine effizientere und bessere Zerspanung des Halbzeugs bei höheren Standzeiten der Werkzeuge begünstigt und damit Fertigungskosten reduziert. Ferner werden ein maximaler Widerstand gegen Verschleiß und Abrieb während der Nutzungsphase des gefertigten Bauteils ermöglicht und eine Steigerung der Lebensdauer des Bauteils erreicht.
Auf diese Weise kann bei gleichem Energieeinsatz in der Vormaterialproduktion eine ressourcenschonendere Weiterverarbeitung gewährleistet werden bei gleichwertigen mechanischen Eigenschaften und Verschleißwiderständen bei Vormaterialprodukten, die gemäß einem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt worden sind.
Im Unterschied zu einem Verfahren zum Härten einer Randschicht nach dem Stand der Technik schafft die Erfindung ein Härtungsverfahren, mit dem sich ein fertigungs- und beanspruchungsgerechter Härteverlauf erzielen lässt.
Insbesondere wird erfindungsgemäß ein Härteverlauf erreicht, der den folgenden Kriterien genügt: Es wird eine Oberflächenhärtung im Bereich zwischen der Maximalhärte des Werkstoffs und der Härte des Grundwerkstoffs für eine effizientere Zerspanung im Randbereich (üblicherweise 60 bis 90 % der Maximalhärte) erreicht, und ein maximales Härten wird im Bereich der späteren Beanspruchung in tieferen Bereichen bis zur Übergangszone des Grundmaterials durchgeführt.
Mit einem solchen Härteprofil ergibt sich beispielsweise für den Einsatz bei einer Kugelumlaufspindel, kombiniert mit dem Querschnittsprofil einer Kugelumlaufbahn, ein optimierter Härteverlauf der Zonen des Werkstoffs von außen nach innen unter Einschluss einer durch Zwischenschichthärten erzeugten Zwischenschichtzone.
Zur Erzeugung derartiger Härteverläufe an einem stangenförmigen Material oder Langmaterial wird ein Verfahren geschaffen, bei dem im Unterschied zum Standardverfahren des Randschichthärtens eine sequentielle Kühlung mit wechselnder Intensität erfolgt.
Nach dem vorzugsweise induktiven Erwärmen der zu härtenden Materialbereiche auf Temperaturen oberhalb der Austenitisierungstemperatur (Ac3) durchläuft das Material nacheinander mehrere Kühlstrecken einer Kühlvorrichtung, in denen es mit wechselnder Intensität und variablen Pausenzeiten abgekühlt wird. Dadurch wird ein mehrstufiger Abkühlprozess mit Anlasseffekten während der Pausenzeiten realisiert. Hierdurch wird in dem Material ein Martensit höherer Zähigkeit erzeugt.
Alternativ wird dieser Zustand über einen weiteren Anlassvorgang am konventionell randschichtgehärteten Material, vorzugsweise mittels hochfrequenter Induktion, eingestellt. Durch den mehrstufigen Abkühlprozess von außen nach innen werden Schichten mit folgendem Gefügeaufbau erzielt: bei mittlerer oder hoher Temperatur angelassener Martensit, bei niedriger Temperatur angelassener Martensit, bei mittlerer oder hoher Temperatur angelassener Martensit oder Bainit oder Ferrit mit Carbiden.
Ausgehend von der Oberfläche findet in einem ersten Verfahrensschritt eine Härtung statt. Diese Härtung dringt von der Oberfläche ausgehend je nach Dauer dieses Verfahrensschrittes in das Material ein, bevorzugt reicht der gehärtete Bereich von der Oberfläche ausgehend in eine Tiefe von bis zu 40 % des Radius des stabförmigen Werkstücks. Indem das Material des Werkstücks bis auf eine mittlere oder hohe Temperatur angelassen wird, findet, wiederum von der Oberfläche ausgehend, eine Entfestigung statt. Bevorzugt beträgt der entfestigte Bereich zwischen 5 % und 20 % des Radius, jeweils von der Oberfläche ausgehend. Der tiefer gelegene Bereich wird hierbei vorzugsweise nicht entfestigt.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Erfindung wird ebenso ein Werkstück zur Verfügung gestellt, das nach einem entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Werkstück hat vorzugsweise einen runden Querschnitt mit einem Durchmesser, der vorzugsweise in einem Bereich zwischen 10 mm und 300 mm liegt.
Das Werkstück ist vorzugsweise eine Kugelumlaufspindel oder eine Zahnstange.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 4 eine Härte H in ihrem Verlauf in einem Werkstück aus Stahl nach dem Zwischenschichthärten als Funktion des Abstands d von außen nach innen an dem Werkstück,
Fig. 5 die Kontur einer Kugellaufbahn in einer Stange mit einem Kugelumlaufgewinde und einer Darstellung des Härteverlaufs im Querschnitt der Stange unter Berücksichtigung eines vorhergegangenen abtragenden Prozesses mit einer zusätzlichen Auftragung der Härte H in ihrem Verlauf in der Stange beim Zwischenschichthärten als Funktion des Abstands d von außen nach innen an dem Werkstück,
Fig. 6 einen schematischen Aufbau einer Anlage zum Härten von Werkstücken und Fig. 7 einen Temperaturverlauf des Werkstücks als Funktion der Zeit, bezogen auf die Oberflächentemperatur des Werkstücks beim Erwärmen und stufenweisen Abkühlen.
Ein nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Werkstück, beispielsweise eine Stahlstange aus einem Vollmaterial mit dem Durchmesser von 30 mm. weist eine Härte H (Fig. 4), beispielsweise gemessen als Vickers-Härte (HV), als Funktion des Abstands d, bezogen auf die Außenkante des Werkstücks, bei do bis zu einem Abstand d12 einen Wert a auf. Sodann steigt die Härte bis zu einem Abstand d13 im Wesentlichen linear an auf einen Wert b. Der Bereich mit der Härte B bildet die Zwischenschicht. Bis zu einem Abstand d15 hat die Härte den Wert b und fällt mit weiterem Abstand von der Oberfläche bei d16 auf ein Niveau des unbehandelten oder vorbehandelten Grundwerkstoffs c.
Dabei liegen die Härtewerte im Abschnitt a im Bereich von 60 bis 90 % der Maximalhärte und die Werte im Bereich b, d. h., in der Zwischenschicht, bei 90 bis 100 % der Maximalhärte des Werkstoffs. Die Abstände d12, d13, d15 und d16 sind über die Prozessparameter einstellbar und liegen beispielsweise bei d12 = 2 mm; d13 = 2,5 mm; d15 = 3,5 mm und d16 = 5 mm.
Eine Kontur Y (Fig. 5), die in eine Stange 1 aus einem Vollmaterial eines niedrig legierten Stahls mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,20 % und 1 ,20 % (zur Erreichung der für den Einsatz geforderten Maximalhärte) und mit weiteren Legierungselementen wie beispielweise Mangan im Bereich von 0,40 % bis 1 ,50 % und Chrom im Bereich von 0,05 % bis 1 ,50 % eingebracht ist, jeweils in Massenprozent gemessen, wird zusammen mit dem diese Kontur Y umgebenden Material Z einem oberflächlichen Abschleifvorgang unterworfen. Durch den Schleifprozess wurde die Dicke der Kontur reduziert. Dies bedeutet, dass die Stange 1 vor dem Abschleifvorgang eine Außenkontur bei do aufweist, und nach dem Schleifprozess beginnt die Kontur bei d11. Die Härte des Stahls hat über einen Abstand von di 1 bis d12 einen Wert a und steigt bis zu einem Abstand d13 linear, beispielsweise mit einer Steigung von 200 HV/mm, auf einen Wert b an. Bis zu einem Abstand d15 nimmt die Härte den Wert b an. Ab dem Abstand d15 bis zu einem Abstand die sinkt die Härte linear, beispielsweise mit einer Steigung von -200 HV/mm, auf einen Wert c ab.
Bei einem Abstand d13 beginnt der Bereich der Maximalhärte, der gleichzeitig den Bereich der Berührpunkte einer in die Stahlstange 1 eingebrachten Kugelumlaufbahn mit Kugeln (Berührpunkte der Kugeln 2, 3) bildet. Bei dem Abstand du beginnt der Grund der Kugelumlaufbahn, der gleichzeitig das Ende der durch Materialabtrag bearbeiteten Zone bildet (vgl. Fußlinie 4 in Fig. 3a, 3b, 3c). Bei dem Abstand d15 endet die Zone mit der höchsten Härte b, und bei dem Abstand die beginnt der ungehärtete oder gering gehärtete Grundwerkstoff.
In einer Anlage 20 zum Zwischenschichthärten (Fig. 6) wird eine Stange 10 aus einem niedriglegierten Stahl mit der chemischen Zusammensetzung C = 0,47 %; Mn = 0,7 % und Cr = 0,17 % mittels hochfrequenter Induktion in einer Spule 21 nach Fig. 7 auf eine Oberflächentemperatur von mehr als 1000°C, beispielsweise von 1.150°C innerhalb weniger Sekunden, beispielsweise innerhalb von 2 s, erwärmt und für wenige Sekunden, beispielsweise für 2,5 s gehalten, wie ein Plateau 71 zeigt. Hierbei wird die Stange 10 vorzugsweise bewegt, wobei die Bewegung der Stange 10 durch die gesamte Anlage 20 rotatorisch, translatorisch oder in einer kombinierten Art und Weise erfolgt. Der über den Querschnitt nur teilweise, d.h. bis zu einem Abstand d16, bezogen auf die Oberfläche der Stange 10, austenitisierte Stahl durchläuft eine Wasserkühlung in einer Brause 22 mit einem Durchfluss von beispielsweise 100 l/min, wobei die Oberflächentemperatur kurzzeitig, beispielsweise für 1 s, auf eine unterhalb der Martensitstarttemperatur liegende Temperatur gekühlt wird; diese Temperatur liegt beispielsweise bei weniger als 300 °C. Während dieses Kühlvorgangs fällt die Temperatur der Stange 10 entsprechend einer Kurve 72 ab.
Vorzugsweise erfolgt nach diesem Abkühlvorgang eine Pausenzeit, die wenige Sekunden beträgt, beispielsweise 2 bis 3 s, in der ein Wärmeausgleich aus dem Grundmaterial der Stange 10 aus einer Tiefe d15 an die Oberfläche erfolgt, so dass sich die Stange 10 dort oder über ihr gesamtes Volumen entsprechend einer Kurve 73 wieder aufwärmt. Hierbei wird der erzeugte Martensit aus dem Grundmaterial mit der in diesem Bereich noch vorhandenen Restwärme angelassen. Anschließend erfolgt eine weitere Abschreckung in Brausen 23 und 24 mit einem Vielfachen der Wassermenge der Brause 22 (beispielsweise ca. 400 l/min) und eine Unterkühlung des restlichen erwärmten Querschnittes bis auf einen Abstand d16 auf Temperaturen unterhalb der Martensitfinishtemperatur (Martensitendtemperatur) (< 100 °C) für eine Zeitdauer von mehreren Sekunden, beispielsweise 8 s, wobei sich die Stange 10 entsprechend einer Kurve 74 abkühlt.
Anschließend erfolgt vorzugsweise eine weitere induktive Erwärmung in einer Spule 25 auf Temperaturen zwischen 150 °C und 300 °C zum Entfernen von Spannungen in den gehärteten Randschichten für eine Vermeidung von Rissen, wobei die Temperatur entsprechend einer Kurve 75 wieder ansteigt. Vorzugsweise wird die Temperatur anschließend für wenige Sekunden gehalten. Entsprechend einer nachfolgenden Abkühlzeit fällt die Temperatur entlang einer Kurve 76 auf Raumtemperatur ab.
Die hierbei erzeugten Härteschichten weisen eine Härte von 600 HV von der Oberfläche do bis zum Abstand d12 auf, eine Härte von 730HV von d13 bis d15 und eine Grundfestigkeit von weniger als 300 HV ab einem Abstand von mehr als die, bezogen auf die Oberfläche der Stange 10. Die Abstände d aus Beispiel 1 können im Härteverlauf folgendermaßen charakterisiert werden: d12 = 2,0 mm, d13 = 2,5 mm, d15 = 3,5 mm, d16 = 5,0 mm.
Die Anlage 20 (Fig. 6) zur Erzeugung einer sich zwischen den Abständen d13 und d15 der Stange 10 erstreckenden Zwischenschicht b (Fig. 4) enthält eine oder mehrere Komponenten: eine oder mehrere Vorrichtungen 21 zur Erwärmung der Stange 10, mehrere Vorrichtungen 22 bis 24 zur Kühlung der zunächst von einem Vormaterial gebildeten Stange 10 von einer oberhalb von 850 °C liegenden Austenitisierungstemperatur auf eine Temperatur unterhalb der unterhalb von 300 °C liegende Martensitbildungstemperatur, variabel steuerbar bezüglich Abkühlintensität über den Durchfluss und den Druck des Abschreckmediums, sowie räumlich in Materialflussrichtung veränderbar. eine oder mehrere Vorrichtungen 25 zur Erwärmung des bis einem Abstand d15 gehärteten Materials der Stange 10 auf eine Entspannungstemperatur, die zwischen 150 °C und 300 °C liegt und zur Verminderung von Rissneigungen dient. - gegebenenfalls eine oder mehrere weitere Vorrichtungen zur Wärmeisolierung oder zur Beendigung des Anlassvorgangs zur Vermeidung unkontrollierter Abkühlung, Brause 26, in einer nachfolgenden Sammelmulde, die zur Aufnahme der Stangen 10 dient.
Mittels der Anlage 20 wird ein Temperaturverlauf (Fig. 7) erzielt, wobei nach einem vorzugsweise induktiven Erwärmen der zu härtenden Materialbereiche des Werkstücks, insbesondere der Stange 10, auf Temperaturen oberhalb der Austenitisierungstemperatur (Ac3) das Werkstück nacheinander mehrere Kühlstrecken einer Kühlvorrichtung durchläuft, in denen mit wechselnder Intensität und variablen Pausenzeiten von der Oberfläche her abgekühlt wird. Die in den Pausenzeiten entstehenden Temperaturanstiege entstehen durch die Ausbreitung der Wärme aus den nicht gekühlten Bereichen im Inneren des Werkstücks nach außen. Die variablen Pausenzeiten werden über die räumliche Anordnung der Systemelemente dargestellt.
Somit wird das Werkstück nach der Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur (Ac3) während der ersten Abschreckung auf eine Temperatur unterhalb der Martensitstarttemperatur (Ms) abgekühlt, ohne die Martensitendtemperatur (Martensitfinishtemperatur (Mf)) zu unterschreiten. Eine Pausenzeit ermöglicht einen Temperaturausgleich aus dem weiterhin warmen Grundmaterial mit einem Anlasseffekt auf den bereits gebildeten Martensit. Es folgt eine zweite Abschreckung auf Temperaturen unterhalb der Martensitendtemperatur Mf und der Erzeugung einer maximalen Härte im Bereich der Zwischenschicht.
Es versteht sich, dass gemäß der Erfindung Werkstücke mit einer beliebigen, komplexen Oberflächenstruktur ein individuelles Härteprofil, jeweils ausgehend von der Oberfläche eingeprägt wird. Insbesondere können neben aus Vollmaterial bestehenden Stangen auch hohlzylindrische Stangen mit einem Härteprofil versehen werden. Die Stangen haben beispielsweise einen rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Erzeugen eines Härteprofils an einem Werkstück aus Stahl, das eine Grundhärte (c) aufweist und das, ausgehend von der Oberfläche des Werkstücks bis zu einer ersten Tiefe (d15) auf einen ersten, oberhalb der Grundhärte (c) liegenden Härtewert (b) gehärtet wird, wobei bis zu einer zweiten Tiefe (d12), welche geringer ist als die erste Tiefe (d15), ein zweiter Härtewert (a) eingestellt wird, dessen Härte unterhalb des ersten Härtewerts (b) liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Härtewert (a) auf einen Wert oberhalb der Grundhärte (c) eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück bis zu der zweiten Tiefe (d15) auf eine Maximalhärte des Werkstücks gehärtet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des Werkstücks im Bereich des zweiten Härtewerts (a) auf einen Wert von zwischen 60 und 90 % des ersten Härtewerts (b) oder auf einen Wert zwischen 60 und 90 % der Maximalhärte des Werkstücks abgesenkt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des ersten Härtewerts (b) eine Härtetemperatur in einem Bereich zwischen 900 °C und 1300 °C gewählt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtetemperatur zwischen 1000 °C und 1200 °C gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Abschreckung des Werkstücks der zweite Härtewert (a) eingestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschreckung in wenigstens zwei Stufen erfolgt. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschreckung in der ersten Stufe mit geringerer Abkühlintensität erfolgt als in der zweiten Stufe. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück von einer oberhalb von 850 °C liegenden Austenitisierungstemperatur auf eine Temperatur unterhalb der Martensitbildungstemperatur oder auf eine Temperatur unterhalb von 300 °C durch Abschrecken gekühlt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück anschließend wieder erwärmt wird. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück auf eine Entspannungstemperatur erwärmt wird, die zwischen 150 °C und 300 °C liegt. Werkstück hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es eine Grundhärte (c) aufweist und dass es, ausgehend von seiner Oberfläche bis zu einer ersten Tiefe (d15) auf einen ersten, oberhalb der Grundhärte (c) liegenden Härtewert (b) aufweist, wobei das Werkstück bis zu einer zweiten Tiefe (d12), welche geringer ist als die erste Tiefe (di 5) , ein zweiter Härtewert (a) eingestellt ist, dessen Härte unterhalb des ersten Härtewerts (b) liegt. Werkstück nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Härtewert (a) einen Wert oberhalb der Grundhärte (c) aufweist. Werkstück nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem niedrig legierten Stahl besteht. Werkstück nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,20 und 1,20 Massenprozent, einen Mangangehalt zwischen 0,40 und 1 ,50 Massenprozent und einen Chromgehalt zwischen 0,05 und 1 ,50 Massenprozent aufweist. Werkstück nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Kugelumlaufspindel oder eine Zahnstange bzw. deren Rohling ist.
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