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Dokumentenidentifikation DE102007007935A1 29.11.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung von metallischen Hochleistungsbauteilen, insbesondere Seitenwellen
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70327 Stuttgart, DE
Erfinder Erdmann, Christian Martin, Dr.-Ing., 70376 Stuttgart, DE;
Seifert, Bertram, Dipl.-Ing., 72622 Nürtingen, DE
DE-Anmeldedatum 17.02.2007
DE-Aktenzeichen 102007007935
Offenlegungstag 29.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.11.2007
IPC-Hauptklasse C21D 1/00(2006.01)A, F, I, 20070217, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von metallischen Hochleistungsbauteilen, insbesondere Seitenwellen. Um eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Hochleistungsbauteilen zur Verfügung zu stellen, mit welchen sich höher leistungsfähige Hochleistungsbauteile einfach herstellen lassen, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die erste Induktions-Wärmeeinrichtung (102) als Durch-Wärmeeinrichtung ausgebildet ist und dass die zweite Induktions-Wärmeeinrichtung (104) als Randschicht-Wärmeeinrichtung ausgebildet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von metallischen Hochleistungsbauteilen, insbesondere von Seitenwellen.

Beim konventionellen Vorschubhärten werden in der Praxis Bauteile mit einer üblichen Randhärtetiefe von 2 bis 4 mm randschichtgehärtet, wobei die Festigkeit im Bauteilkern nur marginal verändert wird.

Darüber hinaus ist aus der DE 101 41 646 C2 eine Vorrichtung zum im Durchlauf erfolgenden induktiven Erwärmen von metallischen Werkstücken bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Hochleistungsbauteilen zur Verfügung zu stellen, mit welchen sich höher leistungsfähige Hochleistungsbauteile einfach herstellen lassen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 8.

Gemäß der Erfindung ist bei einer Vorrichtung zur Wärmebehandlung von metallischen Hochleistungsbauteilen, mit einer ersten Induktions-Wärmeeinrichtung, einer zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung und einer Vorschubeinrichtung, mit welcher Hochleistungsbauteile durch den Wirkbereich der ersten und zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung förderbar sind, vorgesehen, dass die erste Induktions-Wärmeeinrichtung als Durch-Wärmeeinrichtung ausgebildet ist und dass die zweite Induktions-Wärmeeinrichtung als Randschicht-Wärmeeinrichtung ausgebildet ist. Dadurch, dass die erste Induktions-Wärmeeinrichtung als Durch-Wärmeeinrichtung ausgebildet ist, ist es möglich, das metallische Gefüge im Kern von Hochleistungsbauteilen gezielt zu verändern. Mit der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung, die als Randschicht-Wärmeeinrichtung ausgebildet ist, ist es möglich, das metallische Gefüge in den Randschichten von Hochleistungsbauteilen gezielt zu verändern. Mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann so eine wirtschaftliche und reproduzierbare Steigerung des gesamten lasttragenden Querschnittes in einem Arbeitsgang realisiert werden. Dadurch können die Hochleistungsbauteile im Feld höheren Dauerbelastungen standhalten und/oder Hochleistungsbauteile kleiner dimensioniert werden.

Dies gilt insbesondere für das Induktionshärten von Achsbauteilen, insbesondere Seitenwellen, für die das Verfahren und die Vorrichtung vorzugsweise Anwendung finden.

Die erste Induktions-Wärmeeinrichtung (vorlaufende Heizschleife) und gegebenenfalls ein entsprechend adaptierter Koppelabstand sind so dimensioniert, dass sie das Bauteil durchwärmt (Kern über Ac3-Temp). Die zweite Induktions-Wärmeeinrichtung (nachlaufende Heizschleife) und gegebenenfalls ein entsprechend adaptierter Koppelabstand sorgen für die Gefügeoptimierung in den Randschichten, insbesondere eine Randschichthärtung. Ferner kann durch eine bauteilspezifische kinematische Ent- bzw. -kopplung von den Vorschubbewegungen und gegebenenfalls überlagert mit einer variablen Gesamtvorschubbewegung ein homogenes Durchwärmen und Randschichthärten realisiert werden. Nach einer vorzugsweise vorzunehmenden Abschreckung resultiert ein gleichmäßiges bainitisches Gefüge in Kombination mit einem martensitischen Randgefüge. Diese Gefügekombination sorgt für eine höhere Gestaltfestigkeit im Betriebsfall.

Um die zuvor beschriebene Abschreckung kostengünstig durchführen zu können, ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Brauseeinrichtung zur Ausbringung eines Abschreckmediums vorgesehen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Vorrichtung ist eine erste Einstellvorrichtung zur Einstellung des Koppelabstandes der ersten oder der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung gegenüber dem Hochleistungsbauteil vorgesehen, was die Einstellung erleichtert und damit auch eine Kleinserienherstellung mit geringen Kosten ermöglicht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Vorrichtung ist eine zweite Einstellvorrichtung zur Einstellung des Abstandes des Wirkbereiches der ersten Induktions-Wärmeeinrichtung von dem Wirkbereich der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung in Vorschubrichtung vorgesehen, was die Einstellung erleichtert und damit auch eine Kleinserienherstellung mit geringen Kosten ermöglicht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Vorrichtung ist eine dritte Einstellvorrichtung zur Einstellung des Abstandes des Wirkbereiches der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung gegenüber der Brauseeinrichtung in Vorschubrichtung vorgesehen, was die Einstellung erleichtert und damit auch eine Kleinserienherstellung mit geringen Kosten ermöglicht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Vorrichtung ist eine erste Kontrolleinrichtung für die Vorschubgeschwindigkeit vorgesehen, was die Einstellung erleichtert und damit auch eine Kleinserienherstellung mit geringen Kosten ermöglicht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Vorrichtung ist eine zweite Kontrolleinrichtung für den Volumenstrom des Abschreckmediums vorgesehen, was die Einstellung erleichtert und damit auch eine Kleinserienherstellung mit geringen Kosten ermöglicht.

Die Vorteile der Erfindung zeigen sich auch bei einem Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Hochleistungsbauteilen, bei dem Wärme mittels einer ersten und einer zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung erzeugt wird, wobei mit der ersten Induktions-Wärmeeinrichtung eine Durchwärmung des Hochleistungsbauteiles erfolgt und wobei mittels der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung eine Randschichterwärmung erfolgt. Für das Verfahren wird daher auch unabhängig Schutz beansprucht. Es ist insbesondere vorteilhaft, die Durchwärmung und die Randschichtwärmebehandlung in einem Arbeitsgang durchzuführen. Hinsichtlich der Vorteile wird auf die Beschreibung im Zusammenhang mit der Vorrichtung verwiesen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Abschrecken mittels eines Abschreckmediums erfolgt.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass im Kern des Hochleistungsbauteils ein bainitisches Gefüge erzeugt wird, und dass in Randschichten des Hochleistungsbauteiles ein martensitisches Gefüge erzeugt wird.

Die Erfindung lässt sich insbesondere vorteilhaft im Bauteil- bzw. Komponentenleichtbau einsetzen, wobei es ein Vorteil ist, dass sich gewonnene Erfahrung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung als skalierbare und übertragbare Technik auf weitere Bauteile übertragen lässt. Die ermöglicht auch Leistungssprünge ohne Neukonstruktion von Bauteilen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung.

Dabei zeigt:

1 Eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welche eine erste Induktions-Wärmeeinrichtung 102 und eine zweite Induktionswärmeeinrichtung 104 umfasst. Mittels einer Vorschubeinrichtung (nicht gezeigt) kann ein metallisches Hochleistungsbauteil, im vorliegenden Falle eine bis zu einer Achse 106 im Halbschnitt gezeigte massive Seitenwelle 108 eines Kraftfahrzeugaggregates in Richtung des Pfeiles V durch die Vorrichtung 100 gefördert werden.

Die erste Induktions-Wärmeeinrichtung 102 ist in Vorschubrichtung V von der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung 104 beabstandet, wobei dieser Abstand X und damit der Abstand der Wirkbereiche der Induktions-Wärmeeinrichtungen 102, 104 einstellbar ist.

Ferner ist der Koppelabstand K1 der ersten Induktions-Wärmeeinrichtung 102 gegenüber der Welle 108 einstellbar, und auch der Koppelabstand K2 der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung 104 gegenüber der Seitenwelle 108 ist einstellbar ausgeführt.

Neben der ersten und der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung 102, 104 umfasst die Vorrichtung auch eine Brauseeinrichtung 110 zur Ausbringung eines Abschreckmediums, dessen Volumenstrom durch die Pfeile V dargestellt ist. Die Brauseeinrichtung 110 ist in Vorschubrichtung der Welle 108 von der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung 104 beabstandet, wobei dieser Abstand Y einstellbar ist.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Hochleistungsbauteil, insbesondere die Seitenwelle 108 kontinuierlich, mit ihrem vorderen Ende 112 zuerst in die Vorrichtung 100 verfahren, wobei in der Seitenwelle 108 eine Temperaturverteilung gemäß dem in 1 schematisch dargestellten Temperatur-Verteilungsdiagramm 114 erzeugt wird. Im Kern (auf der Achse 106) soll dabei eine Temperatur erreicht werden, die oberhalb der Ac3-Temperatur, insbesondere oberhalb 850°C liegt. Mit zunehmendem Radius R der Welle 108 wird eine höhere Temperatur bis 950°C erreicht, was durch den Koppelabstand K1 und/oder die Frequenz der ersten Induktions-Wärmeeinrichtung 102, die als Durch-Wärmeeinrichtung ausgebildet ist, beeinflussbar ist.

Nach dieser Durchwärmung der Seitenwelle 108 gelangen alle Abschnitte der Seitenwelle 108 kontinuierlich in den Wirkbereich der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung 104, welche als Randschicht-Wärmeeinrichtung ausgebildet ist und welche die Seitenwelle 108 nur in dem schraffiert gezeichneten Randbereich 116 erwärmt, wobei die Tiefe dieses Randbereiches 116 durch den Koppelabstand K2 und/oder die Frequenz der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung einstellbar ist.

Nach der Randschicht-Erwärmung durch die zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung 104 wird die Seitenwelle 108 kontinuierlich in dem Bereich der Brauseeinrichtung 110 gefördert, in welchem durch ein Abschreckmedium ein Abschrecken erfolgt.

Durch die zuvor beschriebene Wärmebehandlung ergibt sich in dem metallischen Hochleistungsbauteil, im vorliegenden Falle der Seitenwelle 108 im Kern ein bainitisches Gefüge 118 und in den Randbereichen ein martensitisches Gefüge 120.


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Wärmebehandlung von metallischen Hochleistungsbauteilen, mit einer ersten Induktions-Wärmeeinrichtung (102), einer zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung (104) und einer Vorschubeinrichtung, mit welcher Hochleistungsbauteile durch den Wirkbereich der ersten und zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung (102, 104) förderbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Induktions-Wärmeeinrichtung (102) als Durch-Wärmeeinrichtung ausgebildet ist und dass die zweite Induktions-Wärmeeinrichtung (104) als Randschicht-Wärmeeinrichtung ausgebildet ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brause-Einrichtung (108) zur Ausbringung eines Abschreckmediums vorgesehen ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Einstellvorrichtung zur Einstellung des Koppelabstandes der ersten oder der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung (102, 104) gegenüber dem Hochleistungsbauteil vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Einstellvorrichtung zur Einstellung des Abstandes des Wirkbereiches der ersten Induktions-Wärmeeinrichtung (102) von dem Wirkbereich der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung (104) in Vorschubrichtung vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Einstellvorrichtung zur Einstellung des Abstandes des Wirkbereiches der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung (104) gegenüber der Brauseeinrichtung (110) in Vorschubrichtung vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Kontrolleinrichtung für die Vorschubgeschwindigkeit vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Kontrolleinrichtung für den Volumenstrom des Abschreckmediums vorgesehen ist. Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Hochleistungsbauteilen, bei dem Wärme mittels einer ersten und einer zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit der ersten Induktions-Wärmeeinrichtung eine Durchwärmung des Hochleistungsbauteiles erfolgt und dass mittels der zweiten Induktions-Wärmeeinrichtung eine Randschichterwärmung erfolgt. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschrecken mittels eines Abschreckmediums erfolgt. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Kern des Hochleistungsbauteils ein bainitisches Gefüge erzeugt wird, und dass in Randschichten des Hochleistungsbauteiles ein martensitisches Gefüge erzeugt wird.






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