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Verfahren zur Oberflächenhärtung von Gusseisen
Der Sinn einer Oberflächenhärtung ist grundsätzlich der, ein an sich zähes Werkstück mit einer möglichst harten Randzone von geringer Tiefe auszustatten. Auf diese Weise wird die Bruchsicherheit des Werkstückes als Ganzes vereinigt mit einem hohen Verschleisswiderstand seiner Randzone, wie dies für eine grosse Reihe von Verwendungszwecken erwünscht ist. Als Beispiele mögen hier nur Zahnräder, Kurbelwellen, Nockenwellen und Getriebebolzen genannt werden.
Die Oberflächenhärtung von Stahl wird in grossem Umfang angewendet. Es gehört hieher das bekannte Einsatzhärten, bei dem man einen an sich verhältnismässig kohlenstoffarmen Stahl zunächst in seiner Randzone an Kohlenstoff, den man eindiffundieren lässt, anreichert. Sodann wird das Werkstück durch Erhitzen in das Austenitgebiet gebracht, und abgeschreckt, wobei die an Kohlenstoff genügend angereicherte Randzone den harten Martensit gibt, während der kohlenstoffarme Kern nur wenig härter wird und jedenfalls genügend zäh bleibt.
Eine andere Methode der Oberflächenhärtung besteht darin, dass man das Werkstück als Ganzes aus einem Stahl herstellt, dessen' C-Gehalt (in Abstimmung mit dem allfälligen Gehalt an Legierungselementen) von Haus aus hoch genug ist, dass man beim Abschrecken aus dem Austenitgebiet einen harten Martensit bekommt. Damit sich aber diese Martensitbildung nur auf die Randzone von gewünschter geringer Tiefe erstreckt, wird nur diese allein vor dem Abschrecken auf Austenit-Temperatur erhitzt ; dies geschieht durch eine besonders intensive, aber nur kurzzeitige Erhitzung der Randzone, die keine Zeit lässt, dass durch Wärmeleitung auch das Innere des Werkstückes in das Temperaturgebiet der Austenitbildung steigt, sondern es bei einer Wärmestauung in der Randzone verbleibt.
Diese intensive und kurzzeitige Wärmezufuhr in die Randzone erfolgt praktisch entweder durch die sehr heisse Flamme eines Autogenbrenners oder durch Induktionsheizung mit hochfrequentem Wechselstrom, die bekanntlich, in Abhängigkeit von der Frequenz, eine sehr hohe Stromdichte und Erwärmung nur in der Randzone von bestimmter Tiefe liefert, während im Kern die Stromdichte und Erwärmung gering bleibt. Die Austenitisierungstemperatur wird somit nur in der Randzone überschritten und es bekommt beim nachfolgenden Abschrecken nur diese Randzone das Martensitgefüge und die Martensithärte, während der Kern ungefähr auf jener mässigen Härte und daher genügend hohen Zähigkeit verbleibt, die dem Stahl im Normalzustand in Abhängigkeit von seinem Kohlenstoff- und Legierungsgehalt entspricht.
Wenn man vom Werkstoff Stahl zum Werkstoff Gusseisen übergeht, so ist grundsätzlich von Haus aus immer bereits ein hoher Kohlenstoffgehalt gegeben. Es wäre sinnlos, Kohlenstoff noch zusätzlich in die. Randzone eindiffundieren zu lassen, wie dies beim Einsatzhärten von kohlenstoffarmem Stahl geschieht. Hingegen sind die Voraussetzungen für eine autogene oder induktive Oberflächenhärtung an sich gegeben, und man macht von ihr auch tatsächlich Gebrauch. Die Erfahrung hat allerdings gelehrt, dass auf diese Weise nur dann ein genügend harter Martensit in der Randzone erzielt werden kann, wenn ein genügender Teil des Kohlenstoffes dort in Form von Eisenkarbid (Zementit), neben dem' Anteil von Kohlenstoff in Elementarfo=' (Graphit), vorliegt.
Denn nur der karbidische Anteil des Kohlenstoffes löst sich bei der autogenen oder induktiven Erhitzung der Randzone wirklich genügend rasch im Austenit auf, so dass dieser genügend kohlenstoffreich wird und beim Abschrecken einen harten Martensit liefert. Der elementare (graphitische) Anteil des Kohlenstoffes braucht hingegen zu seiner Auflösung im Austenit längere Zeit. Eine länger dauernde Erhitzung führt aber unvermeidlich dazu, dass durch die Wärmeleitung auch die tieferliegenden Zonen
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des Werkstückes auf Austenit-Temperatur kommen, so dass beim Abschrecken nicht mehr nur eine seichte Randzone erfasst wird und jedenfalls die Zähigkeit des ganzen Werkstückes sehr leidet.
Auch führt ein längere dauerndes Halten im Austenitgebiet unmittelbar vor dem Abschrecken an sich zu einem groben, spröden Gefüge im martensitisch werdenden Teil. Es wurde schon versucht, durch eine vorbereitende Glühung den Gehalt an gebundenem Kohlenstoff soweit zu erhöhen,. dass bei nachfolgender Abschreckung eine wesentliche Härtesteigerung auftritt, doch erwiesen sich die Erhitzungszeiten entweder als zu kurz, so dass noch Ferritreste in der Grundmasse verblieben, oder es war die gehärtete Schicht zu dick.
Besondere praktische Bedeutung kommt den geschilderten Verhältnissen bei Gusseisen mit Kugelgraphit zu. Wenn dieses mit ferritischer oder halbferritischer Grundmasse erzeugt wird, besitzt es eine hohe, dem Stahl nahekommende Zähigkeit und ist daher (unter Berücksichtigung seiner form-und giesstechnisch überlegenen Eigenschaften) ein Werkstoff, der den Stahl mit Vorteil zu ersetzen vermag.
Für hochbeanspruchte Teile, wofür eingangs Zahnräder, Kurbelwellen, Nockenwellen und Getriebebolzen als Beispiele aufgezählt wurden, ergibt sich bei Anwendung der autogenen oder induktiven Oberflächenhärtung die Schwierigkeit, dass das ferritische oder halbferritische Gusseisen, insbesondere SphäroGuss, fast keinen oder jedenfalls zu wenig Kohlenstoff in Form von Karbid enthält und es daher erfahrungsgemäss äusserst schwierig ist, eine ausreichend harte Martensit-Randzone beim Autogen- oder Induktionshärten zu erzielen. Hingegen ist es bekannt, dass ein Gusseisen mit perlitischer Grundmasse, insbesondere wieder solches mit Kugelgraphit, sehr gut durch autogene oder Induktionshärtung auf eine hochharte martensitische Randzone gebracht werden kann.
Der praktischen Verwertung steht aber die Tatsache entgegen, dass Gusseisen mit perlitischer Grundmasse, auch wenn der Kohlenstoff in Form von Kugelgraphit vorliegt, eine nur geringe Zähigkeit aufweist, die jener von Stahl stark unterlegen ist. Werkstücke aus Gusseisen mit perlitischer Grundmasse und Kugelgraphit würden daher zwar nach Autogen- oder Induktionshärtung eine erwünscht harte Martensit-Randzone bekommen, ihr Kern aber und damit das Werkstück als Ganzes würden so wenig zähe sein, dass ihre Anwendung für Zahnräder usf. in der Regel nicht möglich wäre. Man hat versucht, dieses Problem durch eine kurzzeitige überhitzung beim Brennhärten zu lösen, welche sich beim Härten von Gusseisen mit Kugelgraphit im Gegensatz zum Härten von gewöhnlichem Gusseisen durchführen lässt.
Hiedurch konnte zwar die Härte wesentlich gesteigert werden, jedoch infolge der Unmöglichkeit, mit diesem Verfahren den gesamten Ferrit durch Aufkohlen in Perlit überzuführen, lässt sich der Höchstwert an Härte nicht erreichen. Abgesehen davon wird durch die verbleibenden Ferritanteile das Gefüge und damit die Härte ungleichmässig.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Verfahren zur autogenen oder induktiven Ober- f]ächenhärtung von Gusseisen, insbesondere Gusseisen mit Kugelgraphit, mit ferritischer oder halbferritischer Grundmasse zu schaffen, wobei durch eine Oberflächenerwärmung in der zu härtenden Zone durch Auflösung von freiem Kohlenstoff (Graphit) zunächst ein wenigstens annähernd perlitisches Gefüge hergestellt und alsdann oberflächlich auf Härtetemperatur gebracht und abgeschreckt wird ; die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass die oberflächliche Erwärmung zwecks Auflösung von Graphit mehrmals durchgeführt und dazwischen langsam abgekühlt wird.
Hierauf erfolgt dann in bekannter Weise die autogene oder induktive Oberflächenhärtung.
Man kann auf diese Weise Werkstücke aus Gusseisen, insbesondere aus Kugelgraphit-Gusseisen herstellen, deren Grundmasse ferritisch oder Tialbferritisch ist und die daher ausreichend zähe sind, die aber zugleich in ihrer Randzone genau an den gewünschten Stellen und genau auf die gewünschte Tiefe die Voraussetzung besitzen, dass sie bei der kurzzeitigen Erhitzung in das Austenitgebiet, wie diese bei der Autogen- oder Induktionshärtun. g nur möglich ist, bereits einen so kohlenstoffreichen Austenit ergeben, dass beim Abschrecken die gewünschte hochharte martensitische Randzone entsteht.
Das Werkstück hat somit, als Ganzes gesehen, ferritische oder halbferritische Grundmasse, während in der Randzone an den zu härtenden Stellen und ungefähr in der zu härtenden Tiefe eine völlig oder praktisch reinperlitische Grundmasse geschaffen wird, welche eine Härtung ermöglicht.
Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens geht man somit von einem Werkstück aus Gusseisen, insbesondere aus KugelgraphitGusseisen, mit ferritischer oder halbferritischer Grundmasse aus, das in seinen Zähigkeitseigenschaften den Ansprüchen des Verwendungszweckes vollkommen genügt. Nun wird durch kurzzeitige Autogen- oder Induktionserhitzung nur eine seichte Randzone, die nicht tiefer oder nicht nennenswert tiefer ist als die später im gehärteten Endzustand ge-' wünschte martensitische Randzone, in Austenit übergeführt und dann zunächst verhältnismässig langsam abgekühlt (nicht abgeschreckt).
Hiebei wird wegen der kurzen Erhitzungs-
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dauer zunächst nur ein gewisser Anteil des ! graphitischen Kohlenstoffes im Austenit gelöst werden, der beim Abkühlen zwar Perlit liefert, aber noch nicht eine rein perlitische' Grundmasse sichert. Nun wird nach Bedarf der Vorgang der kurzzeitigen Autogen- oder Induktionserhitzung ein- oder mehrmalig wiederholt. Bei jeder Wiederholung wird auch nur die Randzone'in ungefähr jener Tiefe, die später im gehärteten Endzustand martensitisch gewünscht wird, in Austensit übergeführt.
Jedesmal wird sich von dem vorhandenen graphitischen Kohlenstoff ein weiterer Anteil im Austenit lösen und wird daher nach dem Abkühlen unter Vermeidung eines Abschreckens ein Gefüge mit immer grösserem Perlitanteil der Grundmasse, und bei genügend oftmaliger Wiederholung des Vorganges schliesslich das gewünschte perlitische Gefüge in der Randzone ergeben, wobei sich dieses auf jene Stellen, die man später mit martensitisch harter Oberfläche wünscht, sowie praktisch auf jene Tiefe, die später martensit tisches Gefüge bekommen soll, beschränkt. ! Eine solche ein- oder mehrmalige Erhitzung in das Austenitgebiet mit anschliessender verhältnismässig langsamer'Abkühlung hat zugleich die gefügeverfeinernde Wirkung einer sogenannten Normalglühung.
Nach dieser Vorbereitung erfolgt in bekannter Weise die autogene oder induktive Oberflächenhärtung, d. h., es wird durch Autogen- oder Induktionserhitzung die vorher auf perlitisches Gefüge gebrachte Randzone auf die gewünschte Tiefe auf Abschrecktemperatur gebracht und das Werkstück in einem geeigneten Abschreckmittel abgeschreckt.
Die vorbereitende Erwärmung der Randzone, an die die verhältnismässig langsame Abkühlung angeschlossen wird und die zur Bildung des praktisch perlitischen Gefüges führt, wird zweckmässig mit den gleichen oder ähnlichen Mitteln (Autogenbrenner oder Hochfrequenzspule) vorgenommen, mit welchen dann abschliessend die Autogen- oder Induktionshärtung erfolgt.
Beispiel :
Für die Herstellung von Zahnrädern wird ein Gusseisen mit Kugelgraphit mit ferritischer Grundmasse gewählt, dessen Brinellhärte sehr niedrig bei 140 kg/mm2 liegt, was erfahrungsgemäss die gewünschte hohe Zähigkeit sichert (Bruchdehnung 05 von mindestens 12%, Brucheinschnürung von mindestens 10%, Schlagbiegezähigkeit der ungekerbten Probe im Mittel mindestens 6 mkg/cm).
Nun wird mit einer Hochfrequenzspule sechsmal hintereinander innerhalb von je zirka 14 sec die Randzone der Zahnflanken in das Austenitgebiet auf ungefähr 9500 C erwärmt und anschliessend mit Pressluft gekühlt (nach Erreichen von zirka 5000 zur Beschleunigung auch mit Wasser). Durch diese Behandlung tritt keine martensitische Härtung ein, wohl aber erscheint nach jedem Abkühlen im Gefüge eine zunehmende Menge von Perlit, bis schliesslich die so vorbehandelte Randzone praktisch rein perlitisch wird.
Dementsprechend steigt auch stufenweise die Brinellhärte der Randzone von 140 bis zirka 260 kg/mir fast gleichmässig an, der Kern des Gussstückes verbleibt aber weiter auf einer Brinellhärte von 140 kgjmm2. Nach dieser Vorbereitung wird nun mit der gleichen Hochfrequenz-Induktionsspule die Schlusserhitzung der Randzone, u. zw. nur maximal auf die vorbereitete Tiefe, auf 880 vorgenommen und das Werkstück in Wasser abgeschreckt. Es wird nun an der Oberfläche eine Rc-Härte von 60 bis 62 Einheiten erzielt und in der Randzone auf die gewünschte Tiefe das zugehörige martensitische Gefüge, während der Kern praktisch unverändert und jedenfalls völlig genügend zäh bleibt.