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 d ₁₅ einen Plateauwert b bildet. In einem sich an das Plateau anschließenden Bereich zwischen einem Abstand d ₁₅ und einem Abstand d ₁₆ 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 d ₁₂ einen Wert a auf. Sodann steigt die Härte bis zu einem Abstand d ₁₃ im Wesentlichen linear an auf einen Wert b. Der Bereich mit der Härte B bildet die Zwischenschicht. Bis zu einem Abstand d ₁₅ hat die Härte den Wert b und fällt mit weiterem Abstand von der Oberfläche bei d ₁₆ 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 d ₁₂ , d ₁₃ , d ₁₅ und d ₁₆ sind über die Prozessparameter einstellbar und liegen beispielsweise bei d ₁₂ = 2 mm; d ₁₃ = 2,5 mm; d ₁₅ = 3,5 mm und d ₁₆ = 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 d ₁₁ . Die Härte des Stahls hat über einen Abstand von di 1 bis d ₁₂ einen Wert a und steigt bis zu einem Abstand d ₁₃ linear, beispielsweise mit einer Steigung von 200 HV/mm, auf einen Wert b an. Bis zu einem Abstand d ₁₅ nimmt die Härte den Wert b an. Ab dem Abstand d ₁₅ 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 d ₁₃ 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 d ₁₅ 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 d ₁₆ , 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 d ₁₅ 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 d ₁₆ 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 d ₁₂ auf, eine Härte von 730HV von d ₁₃ bis d ₁₅ 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: d ₁₂ = 2,0 mm, d ₁₃ = 2,5 mm, d ₁₅ = 3,5 mm, d ₁₆ = 5,0 mm.

Die Anlage 20 (Fig. 6) zur Erzeugung einer sich zwischen den Abständen d ₁₃ und d ₁₅ 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 d ₁₅ 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.