Das Randschichthärten dünnwandiger Werkstücke stellt sehr hohe Ansprüche an die zum Härten verwendeten induktiven Verfahren, insbesondere dann, wenn die zu härtenden Werkstücke hohen Genauigkeitsanforderungen genügen sollen und daher ein in der Regel auftretender Härteverzug so weit wie irgend möglich vermieden werden muß. Aus der US 4 401 485 ist ein Verfahren zum tnduktionshärten der Innenwandung einer dünnwandigen axialsymmetischen Hülse bekannt, bei dem ein der Hülsengeometrie angepaßter Induktor verwendet wird, der oberhalb einer Abschreckbrause angeordnet ist. Zum Härten wird der aktivierte Induktor zunächst von oben nach unten durch das Werkstück hindurchgescho- ben, wobei die Innenwand aufgeheizt und das Werkstück gleichzeitig durch eine das Werkstück von außen umgebende Brause gekühit wird. Danach folgt eine Wartezeit, wäh- rend derer eine Tiefenhärtung der Werkstückinnenwand erfolgen soll. Dann wird der akti- vierte Induktor in einem zweiten Verfahrensschritt von unten nach oben durch das Werk- stock zurückgezogen, wobei der aufgeheizte Randbereich fortschreitend durch die unter- halb des Induktors angeordnete Abschreckbrause gehärtet wird. Durch dieses Verfahren soll eine verzugsarme Härtung des Werkstücks, insbesondere unter Vermeidung eines Aufweitens des oberen Werkstückquerschnitts, erreicht werden. Allerdings sind hierzu zwei Prozeßschritte und eine Wartezeit notwendig, was dieses Verfahren zeitaufwendig und daher kostspielig macht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, das bekannte Verfahren so zu verbessern, daß eine verzugsarme Randzonenhärtung des hoh- len Werkstücks mittels einer einfach aufgebauten Vorrichtung in einem einzigen Prozeß- schritt erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Verfahrensansprüche 1 bis 4 gelöst.

Danach wird ein Induktor verwendet, dessen Form der Geometrie des zu härtenden Werkstückes angepaßt ist und oberhalb dessen eine der Werkstückgeometrie angepaßte Abschreckbrause angeordnet ist. Zur Erzeugung einer Härtezone im Inneren eines hohlen Werkstückes wird der Induktor in abgeschaltetem Zustand zunächst von unten bis an den oberen Rand der Härtezone in das Werkstück hineingeschoben. Dann wird der aktivierte Induktor von oben nach unten an der Härtezone entlangbewegt, wodurch die Härtezone fortschreitend aufgeheizt wird. Gleichzeitig wird über die Abschreckbrause ein Kühimittel auf einen unmittelbar oberhalb der aufgeheizten Härtezone gelegenen Bereich gespritzt, wodurch dieser-bereits aufgeheizte-Bereich abgeschreckt und somit gehärtet wird.

Da die Abschreckbrause oberhalb des Induktors angeordnet ist, läuft das zum Abschrek- ken verwendete Kühlmittel an der Werkstoffinnenwand nach unten, so daß die derzeit durch den Induktor aufgeheizte, unterhalb der Brause gelegene Härtezone durch einen fließenden Wasserfilm benetzt wird. Hierdurch entsteht eine zusätzliche Kühlung des Werkstücks, auch unmittelbar im beheizten Bereich, die den Härteprozeß nicht beein- trächtigt, gleichzeitig aber zu einer Minimierung des Härteverzuges führt.

Beim Härten besonders dünnwandiger Werkstücke ist es zweckmäßig, das Werkstück au- ßerdem von außen zu kühlen. Hierfür wird das Werkstück von einer Brause umgeben, die die Werkstückaußenseite mit Kühlmittel benetzt (siehe Patentanspruch 8).

Mit Hilfe dieses einstufigen Verfahrens und der einfachen Vorrichtung erfolgt in der Härte- zone-trotz der starken Kühiwirkung durch fließenden Wasserfilm und Außenbrause-eine einwandfreie Gefügeumwandlung z. B. hinsichtlich Korngröße und Martensitnadellänge.

Die erreichbaren Härtetiefen liegen bei bis zu 3 mm. Durch die simultane Kühlung der Werkstückwandung von außen und von innen-sogar im Bereich der lokalen induktiven Aufheizung-bleibt während des Härtens der Eigenspannungszustand des Werkstücks weitgehend erhalten, und der Härteverzug wird minimiert. Auch bei sehr dünnwandigen Werkstücken wie z. B. bei Gelenkgehäusen wird daher ein sehr reproduzierbarer Härtevor- gang erreicht und der Härteverzug auf Werte von weniger als 1/100 mm reduziert. Somit entfällt auch bei Werkstücken mit hohen Genauigkeitsanforderungen, wie z. B. Präzisions- schmiedeteilen, eine nachträgliche Bearbeitung durch Schleifen, Hartfräsen o. a.

Das erfindungsgemäße Härteverfahren erfolgt besonders schnell und einfach, wenn die zu härtende Innenwandung des Werkstücks näherungsweise Axialsymmetrie aufweist (siehe Patentanspruch 5). In diesem Fall wird zweckmäßigerweise ein Induktor verwendet, der der Innenkontur des Werkstücks angepaßt ist, so daß die gesamte Innenwandung des Werkstücks in einem einzigen Prozeßschritt bearbeitet werden kann.

Um eine gleichförmige Erhitzung und Kühlung der zu härtenden Randbereiche sicherzu- stellen, ist es zweckmäßig, das Werkstück während des Härtevorganges gleichförmig ge- genüber Induktor und Abschreckbrause zu bewegen. Dies ist insbesondere dann einfach zu bewerkstelligen, wenn die zu härtende Innenwandung des Werkstücks-wie z. B. bei Gelenkgehäusen-annähernd Zylindersymmetrie aufweist (siehe Patentanspruch 6). In diesem Fall ist der Induktor vorteilhafterweise als ein Ring ausgebildet, dessen Außen- durchmesser etwas kleiner als der Innendurchmesser des Werkstücks ist, so daß ein gleichmäßiges Aufheizen der gesamten Innenwandung gewährleistet wird, wenn der in- duktor entlang der Zylinderachse durch das Werkstückinnere abwärtsbewegt wird. Zur Er- reichung einer gleichmäßigen Erhitzung und Kühlung der Härtezone wird das Werkstück dabei um die Zylinderachse der zu härtenden Innenwandung des Werkstücks gedreht (siehe Patentanspruch 7).

Selbstverständlich ist dieses Verfahren nicht auf das Härten von Innenwandungen be- schränkt. Mit einem geeignet gestalteten Induktor und darüber angeordneter Abschreck- brause lassen sich analog auch Außenwände härten (siehe Patentansprüche 3 und 4), wobei zusätzlich eine Innenbrause zur Kühlung der Werkstückinnenwand vorgesehen wer- den sollte.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausfüh- rungsbeispieles näher erläutert ; dabei zeigen : Fig. 1 Ein Werkstück mit einer Härtungsvorrichtungzur Härtung der Werkstückinnenwand...

Fig. 1 a... vor Beginn des Härtungsvorgangs, Fig. 1 b... am Anfang des Härtungsvorgangs, Fig. 1 c.. während des Härtungsvorgangs, Fig. 1 d... nach Abschluß des Härtungsvorgangs, Fig. 2 eine Detailansicht einer Werkstückwand während des Härtungsprozesses, gemäß dem Bereich II in Figur 1c, Fig. 3 Ein Werkstück mit einer Härtungsvorrichtungzur Härtung der Werkstückaußenwand.

Figur 1 a zeigt ein hohles Werkstück 1, z. B. ein Gelenkgehäuse eines Kraftfahrzeugs, des- sen Innenwandung 2 in einer gestrichelt angedeuteten Härtezone 3, z. B. einer Kugellauf- bahn, gehärtet werden soll. Zur Erzeugung dieser Härtezone, die sich zwischen einem oberen Rand 4 und einem unteren Rand 5 erstreckt, wird eine Härtungsvorrichtung 6 verwendet. Sie umfaßt einen Induktor 7 und einer Abschreckbrause 8, die oberhalb des Induktors 7 auf einer gemeinsamen Handhabungsvorrichtung 9 angeordnet ist. Die Hand- habungsvorrichtung 9 kann über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Maschine oder auch manuell geführt werden. Die Handhabungsvorrichtung 9 enthält die Stromzuleitung 10 für den Induktor 7 und eine Zuführung 11, die ein Abschreckmittel 12 zur Abschreck- brause 8 leitet.

Die Form des Induktors 7 und der Abschreckbrause 8 ist der Geometrie der Härtezone 3 auf dem Werkstück 1 angepaßt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Härtezone 3 des Werkstücks 1 zylindersymmetrisch ausgebildet. Der Induktor 7 besteht in diesem Fall aus einer ringförmigen Schleife 13, deren Außendurchmesser 14 etwas kleiner ist als der Innendurchmesser 15 der Härtezone 3. Mit einer solchen Wahl des Induktors 7 können ringförmig umlaufende Bereiche in der Härtezone 3 gehärtet werden. Die Abschreckbrau- se 8 beinhaltet eine Prallplatte 16, die in angeschaltetem Zustand das aus der Zuführung 11 zugeleitete Abschreckmittel 12 ringförmig nach allen Seiten verteilt. Alternativ kann die Abschreckbrause 8 aus einem Hohizylinder bestehen, auf dessen Außenwand eine Vielzahl von Spritzdüsen so angeordnet sind, daß sie das Abschreckmittel 12 ringförmig nach außen versprühen.

Zur Kühlung der Werkstückaußenwand 17 wird, wie in Figur 1 b gezeigt, eine Schirmbrau- se 18 verwendet, deren Innenkontur 19 so gewählt ist, daß die Schirmbrause 18 das zu bearbeitende Werkstück 1 in ihrem Inneren aufnehmen kann. Im vorliegenden Ausfüh- rungsbeispiel eines zylindersymmetrischen Werkstücks 1 hat die Innenkontur 19 der Schirmbrause 18 die Form eines Hohizylinders, der die gesamte dem Härtebereich 3 ge- genüberliegende Außenwand 17 des Werkstücks 1 überspannt und über diesen hinaus- ragt. Die Innenwand 19 der Schirmbrause 18 weist eine Vielzahl von Spritzdüsen 20 auf, durch die ein Kühimittel 21 von außen auf das Werkstück 1 gespritzt werden kann.

Zu Beginn des Härtevorgangs wird das Werkstück 1 mit seiner Öffnung 22 nach unten so aufgespannt, daß die Werkstückachse 23 im wesentlichen senkrecht zu liegen kommt (siehe Figur 1 a). Anschließend wird die Schirmbrause 18 über die Werkstückaußenwand 17 geschoben. Dann wird die Härtungsvorrichtung 6 in ausgeschaltetem Zustand von un- ten her kommend durch die Öffnung 22 des Werkstücks 1 so weit in das Innere 24 des Werkstücks 1 eingeführt, daß die Induktorschleife 13 gegenüber dem oberen Rand 4 der Härtezone 3 zu liegen kommt. Die oberhalb der Induktorschleife 13 befindliche Ab- schreckbrause 8 ragt dabei tiefer als die Induktorschleife 13 in das Werkstückinnere 24 hinein und befindet sich somit außerhalb der Härtezone 3. Nun werden Induktor 7, Ab- schreckbrause 8 und Schirmbrause 18 eingeschaltet (siehe Figur 1 b). Dadurch wird ein der Induktorschleife 13 gegenüberliegender, in Figur 1 b schraffiert gekennzeichneter, ringförmiger Heizbereich 25 am oberen Rand 4 der Härtezone 3 aufgeheizt. Gleichzeitig wird ein oberhalb dieses Heizbereiches 25 gelegener Nachbarbereich 26 der Werkstück- innenwand 2 durch die oberhalb des Induktors 7 angeordnete Abschreckbrause 8 mit Ab- schreckmittel 12 besprüht. Das Abschreckmittel 12 rinnt die Werkstückinnenwand 2 hin- ab und benetzt den Heizbereich 25, der dadurch eine Oberflächenkühlung erfährt.

Beginnend vom oberen Rand 4 der Härtezone 3 wird nun die Härtungsvorrichtung 6 fort- schreitend im Inneren 24 des Werkstücks 1 entlang der Werkstückinnenwand 2 in Rich- tung Werkstücköffnung 22 bewegt, wodurch jeweils der der Induktorschleife 13 gegen- überliegende ringförmige Heizbereich 25 lokal erwärmt wird (siehe Figur 1 c). Bei dieser kontinuierlichen Abwärtsbewegung der Härtungsvorrichtung 6 wird der unmittelbar ober- halb dieses Heizbereiches 25 liegende, kurz vorher erhitzte Nachbarbereich 26'fortschrei- tend durch die Abschreckbrause 8 lokal abgeschreckt, wodurch eine lokale Härtung die- ses Bereiches 26'erfolgt. Wie im Detail in Figur 2 gezeigt, kühit das durch die Abschreck- brause 8 verspritzte Abschreckmittel 12 lokal den Nachbarbereich 26', rinnt anschließend entlang der Werkstückinnenwand 2 nach unten und benetzt den der Induktorschleife 13 gegenüberliegenden Heizbereich 25. Dort bewirkt das Abschreckmittel 12 eine Kühlung der Werkstückinnenwand 2. Der Heizbereich 25 erfährt somit einerseits durch den Induk- tor 7 eine Erhitzung, deren Eindringtiefe 27 in die Werkstückinnenwand 2 durch Induktor- strom,-frequenz und Vorschubgeschwindigkeit bestimmt wird ; andererseits erfährt der Heizbereich 25 durch das herabrinnende Abschreckmittel 12 im unmittelbaren Wandbe- reich 28 eine Abkühlung. Durch die induktive Heizung und anschließende Abschreckung wird hierbei in der Härtezone 3 die erwünschte Randschicht-und Oberf ! ächenhärte er- zeugt, während die simultane Kühlung des Heizbereiches 25 durch die Benetzung mit Ab- schreckmittel 12 den Härteverzug des Werkstücks 1 verringert. Dieser Härtungsprozeß wird so lange fortgesetzt, bis die Induktorschleife 13 den unteren Rand 5 der Härtezone 3 erreicht. Dann wird der Induktor 7 abgeschaltet, und die Härtungsvorrichtung 6 wird wei- ter aus dem Werkstückinnenraum 24 hinausgezogen, während die Abschreckbrause 8 in Betrieb bleibt, bis sie sich gegenüber dem unteren Rand 5 der Härtezone 3 befindet und somit die gesamte Härtezone 3 abgeschreckt wurde (siehe Figur 1 d). Dann wird die Ab- schreckbrause 8 abgeschaltet und die Härtungsvorrichtung 6 aus dem Werkstückinnen- raum 24 entfernt.

Während dieses gesamten Heiz-und Abschreckvorgangs der Härtezone 3 wird die Werk- stückaußenwand durch die Schirmbrause 1 8 gekühlt. Dadurch wird der durch den Här- tungsprozeß bedingte Härteverzug weiter minimiert.

Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Werkstück 1 während des Här- tungsprozesses stationär gehalten, während die Härtungsvorrichtung 6 in den Werkstük- kinnenraum 24 hinein-und hinausgeschoben wird. Alternativ kann die Härtungsvorrich- tung 6 stationär gehalten, während das Werkstück 1 gegenüber der Härtungsvorrichtung 6 bewegt wird.

Zweckmäßigerweise wird das Werkstück 1-wie in Figuren 1 b bis 1 d durch einen Pfeil an- gedeutet-während des Härtevorgangs relativ zu Härtungsvorrichtung 6 und Schirmbrau- se 18 um seine Symmetrieachse 23 gedreht, um eine möglichst gleichförmige Heizung und Abschreckung über die gesamte zylindersymmetrische Härtezone 3 hinweg zu errei- chen.

Das erfindungsgemäße Härtungsverfahren ist-neben der bisher beschriebenen Härtung einer zylindersymmetrischen Härtezone-auch auf nichtzylindersymmetrische Werkstück- innenräume anwendbar. Hierzu müssen Induktor 7, Abschreckbrause 8 und Schirmbrause 18 der Werkstückgeometrie angepaßt werden. Eine Aufheizung und Abschreckung der Werkstückinnenwand 2 in ringförmigen Bereichen 25,26'ist jedoch nur dann möglich, wenn die Härtezone 3 zumindest näherungsweise axialsymmetrisch ist.

Neben der oben beschriebenen Härtung einer Werkstückinnenwand 2 kann das erfin- dungsgemäße Verfahren auch zur Härtung einer Werkstückaußenwand verwendet wer- den. Figur 3 zeigt ein Werkstück 1', dessen Außenwand 17'in einem zylindersymmeti- schen Härtebereich 3'gehärtet werden soll. Hierzu wird eine Härtungsvorrichtung 6'ver- wendet, die eine ringförmige Induktionsspule 13'und eine ringförmige Abschreckbrause 8'umfaßt, die oberhalb der Induktionsspule 13'angeordnet ist. Die Durchmesser von In- duktionsspule 13'und Abschreckbrause 8'sind hierbei größer gewähit als der Durchmes- ser des Werkstücks 1', so daß sie über das Werkstück 1'geschoben werden können. Der Härtungsvorgang der Werkstückaußenwand 17'erfolgt analog zum oben beschriebenen, auf die Werkstückinnenwand bezogenen Härtungsprozeß. Um den Härteverzug zu mini- mieren, ist es auch hier zweckmäßig, die der Härtezone 3'gegenüberliegende Werkstük- kinnenwand 2'mittels einer in das Werkstückinnere 24'eingeführten Schirmbrause 18'zu kühlen.