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Verfahren zur Oberflächenhärtung von Werkstücken aus härtbaren Stählen
Es ist bekannt, dass man den Verschleisswiderstand der Oberfläche von Werkstücken aus härtbaren, nicht austenitischen Stählen durch Wärmebehandlungen erhöhen kann, die auf die Oberfläche wirken, wie durch Flammhärten, Induktionshärten oder Tauchhärten.
An die mitHilfe dieser Verfahren erzielten Härteschichten werden eine Reihe von Anforderungen gestellt, die oft schwierig oder überhaupt nicht gleichzeitig erfüllbar sind, wie z. B. die Forderung nach hoher Härte bei gleichzeitiger hoher Zähigkeit bzw. geringer Sprödigkeit sowie die Forderung, dass vor allem im Übergangsgebiet zwischen der gehärteten Zone und dem relativ weichen Kern der Werkstücke weder durch die Härtungsbehandlung noch durch die nachfolgenden Beanspruchungen Risse auftreten dürfen, weil diese die Ursache für ein Absplittern der gehärteten Schicht sein können.
Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Oberflächenhärtung von Werkstücken aus härtbaren Stählen, mit welchem die Nachteile dieser bekannten Verfahren weitgehend vermieden werden können. Das erfindungsgemässe Verfahren besteht im wesentlichen darin, dass die Werkstücke zuerst durch Energiezufuhr in beliebiger Form über den oberen Umwandlungspunkt, vorzugsweise über den Schmelzpunkt hinaus, erhitzt und anschliessend abgeschreckt werden, wobei die Erhitzung und Abschreckung derart rasch durchgeführt wird, dass der oberhalb des Umwandlungspunktes gebildete Austenit selbst bei Raumtemperatur in grossen Mengen (z. B. bis 9WO) erhalten bleibt.
Das Bestehen dieser Möglichkeit ist überraschend, weil bei härtbaren, unlegierten oder niedrig legierten Stählen bei üblicher Erwärmung über den Umwandlungspunkt und anschliessender Abschreckung bekanntlich Martensit aus dem Austenit gebildet wird.
Durch Energiezufuhr, u. zw. sowohl auf mechanischem, thermischem oder elektrischem Wege, wandelt der durch das erfindungsgemässe Verfahren erhaltene metastabile Austenit um, wodurch ein Gefüge entsteht, das sich im Vergleich zum Martensit oder Hardenit durch eine noch höhere Härte, grössere Verschleissfestigkeit und bessere Korrosionsbeständigkeit bei wesentlich geringeren inneren Spannungen und damit wesentlich verbesserter Zähigkeit auszeichnet und wodurch ausserdem die Rissgefahr und die Gefahr des Absplitterns praktisch zur Gänze vermieden und eine feste Bindung mit der darunter liegenden Schicht gewährleistet wird. Auf eine Anlassbehandlung zum Abbau von Spannungen kann bei Benutzung des erfin- dungsgemässen Verfahrens verzichtet werden, weil solche Spannungen in störendem Ausmass überhaupt nicht auftreten.
Die notwendige Energie zur erfindungsgemässen intensiven Erhitzung kann beispielsweise bei Verwendung ausreichend hoher Relativgeschwindigkeiten durch Reibung zwischen dem Werkstück und einem metallischen oder nicht metallischen Werkzeug mit glatter Oberfläche aufgebracht werden.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Werkstücken aus härtbaren Stählen durch eine, insbesondere durch Reibungswärme hervorgerufene Erhitzung über den oberen Umwandlungspunkt und darauffolgende Abschreckung, und die Erfindung besteht darin, dass die auf eine extrem schnelle Erhitzung der zu härtenden Werkstückoberfläche unmittelbar folgende Abschreckung mit so hoher Geschwindigkeit durchgeführt wird, dass eine Oberflächenschicht mit einer bei Raumtemperatur metastabilen Austenitstruktur erhalten wird, die durch äussere Einwirkung, z. B. durch einen auf mechanischem Wege erzeugten Schock, in ein feinkörniges, martensitisches Härtungsgefügeübergefilhrt wird.
Gute Ergebnisse wurden bei Verwendung der Stirnfläche einer rotierenden Stahlscheibe aus härtbarem
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Stahl als Werkzeug erhalten, deren Umfangsgeschwindigkeit wenigstens 80 m/sec betrug.
Gleichzeitig wird hiedurch die Ausbildung besonders glatter Oberflächen mit Rauhtiefe von z. B.
0, 2 jet und weniger erzielt.
Die Arbeitsfläche solcher Werkzeuge soll glatt sein und kann zu diesem Zweck durch Schleifen, vorzugsweise aber durch Polieren oder Honen, bearbeitet werden, insbesondere aber kann sie vor der Durchführung erfindungsgemässer Oberflächenhärtungen ebenfalls in erfindungsgemässer Weise behandelt werden. Am einfachsten erfolgt dies dadurch, dass an die Stirnfläche der mit ausreichend hoher Geschwindigkeit rotierenden Scheibe ein gehärtetes Stahlstück angedrückt wird. Diese Behandlung kann z. B. auch durch eine Rolle, glatt oder profiliert, die beispielsweise gebremst ist oder entgegengesetzt rotiert, erfolgen.
Auch die Instandsetzung einer a1s Werkzeug dienenden Stah1scheibe kann durch Anpressen eines Stahlkörpers, z. B. eines Stabes oder einer Walze, erfolgen, wodurch das Werkzeug gehärtet sowie abgezogen, geschliffen u. dgl. wird.
Die zu behandelnden Werkstücke können vor der Behandlung in beliebigem Zustand vorliegen, also z. B. geglüht, gehärtet oder vergütet sein.
Die erforderliche Wärmeabfuhr für das Abschrecken erfolgt durch die. bei der örtlichen Erhitzung der Oberfläche kalt bleibende Masse des Werkstückes und des Werkzeuges sowie durch die bei der hohen Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Werkzeug entstehende Luftströmung.
Bei Verwendung der Reibungswärme zwischen dem Werkstück und einem Werkzeug aus Stahl zur Durchführung erfindungsgemässer Behandlungen können die Relativgeschwindigkeit und der Arbeitsdruck zwischen Werkzeug und Werkstück so eingestellt werden, dass die Werkstückoberfläche eine Bearbeitung durch Abtragen von Materialteilchen erfährt.
Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, mit Hilfe dieses Verfahrens die verschiedensten Metallbearbeitungen durchzuführen, beispielsweise Bearbeitungen, die mit dem Schleifen, Druckpolieren, Honen und Läppen vergleichbar sind sowie formgebende Bearbeitungen ähnlich dem Fräsen, Räumen, Profilieren u. dgl., wie z. B. das Schneiden von Zähnen bei Sägen und Rädern, das Schneiden von Schraubengewinden oder die Herstellung von Nuten in Spiralbohrern.
Ferner kann durch einfache Veränderung des relativen Anpressdruckes die Dicke der austenitischen Schicht verändert werden, u. zw. derart, dass die Dicke dieser Schicht mit steigendem Anpressdruck gro- sser wird. Weitere Möglichkeiten zur Beeinflussung des Endergebnisses ergeben sich z. B. durch die ver- änderbare Eigengeschwindigkeit des Werkzeuges und/oder Werkstückes, durch die Möglichkeit der Ver- änderung der Vorschubgeschwindigkeit sowie durch den Kohlenstoffgehalt, die Legierungszuschläge und die Vorhärte der zu behandelnden Werkstücke.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann ferner auch dazu benutzt werden, um zwei Werkstücke, z. B.
Drähte oder Bänder, bis zum Verschweissen zu erhitzen.
Dieser Möglichkeit der Veränderung des Anpressdruckes ist jedoch dadurch eine Grenze gesetzt, als bei sonst gleichen Voraussetzungen bei zu hohen Anpressdrücken oder der zu hohen relativen Geschwindigkeiten od. dgl. mit Deformierungen des Werkstückes gerechnet werden muss. Solche Vorgänge können dazu führen, dass die angestrebte Bildung des metastabilen Austenits unterbleibt.
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iel l : Beispielsweise wurdenBlaubandstähle ausunlegiertemKohlenstoffstahlmit0, 84-0, 9010Cmigen Stahlscheibe aus härtbarem Stahl behandelt, deren Umfangsgeschwindigkeit 120 m/sec betrug. Die Vorschubgeschwindigkeit der Scheibe betrug 10 mm/sec, der Anpressdruck etwa 50g.
Durch diese Behandlung wurde eine Oberflächenschicht von 0,05 mm Dicke erzielt, die bei der
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gleichzeitig entstehenden starken Luftstrom sowie durch das kalt bleibende Werkzeug erübrigt-sich die Verwendung eines besonderen Kühlmittels.
Die lokale Energiezufuhr bei der Härteprüfung genügt bereits, um das Umwandeln des Austenits im beanspruchten Bereich herbeizuführen. Dass jedoch nach der Behandlung tatsächlich im wesentlichen Austenit in der Oberflächenschicht vorliegt, wurde mit Hilfe von Röntgenfeinsttuktur-Untersuchungen festgestellt.
Beispiel 2 : Zähne in schmalen, flachen Bändern durch Räumung erzeugt, erhielten gleichzeitig eine Härteschicht von 0, 08 mm Stärke, die auf der Zahnbrust, der Zabnspitze und auf dem Zahnrücken gleichmässig entstand. Diese Schicht ist fest mit dem übrigen Material verbunden, splitteit nicht und löst sich nicht ab, korrodiert nicht, ist ausserordentlich verschleissfest und erreichte eine Mikrohärte von
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1150 bis 1250 kg/mm bei einer Belastung von 25 g. Die Mikrohärte'des übrigen Materials betrug zirka 600 - 650 kg/mmZ bei gleicher Belastung. Solche Sägen schneiden ohne weiteres gehärteten Stahl, wobei die Zahnspitzen auch nach längerem Gebrauch intakt bleiben.
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Sägebänder <SEP> : <SEP>
<tb> Eigengeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkzeuges <SEP> 120 <SEP> m/sec
<tb> Vorschubgeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkzeuges,
<tb> dreimal <SEP> Richtungswechsel <SEP> 9, <SEP> 2 <SEP> cm/sec
<tb> Druck <SEP> zwischen <SEP> Werkzeug <SEP> und <SEP> Werkstück <SEP> zirka <SEP> 500 <SEP> g
<tb> Eigengeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkstückes <SEP> zirka <SEP> l, <SEP> 7 <SEP> mm
<tb> Vorhärte <SEP> des <SEP> Bandes <SEP> 700 <SEP> kg/mm2 <SEP> Mikrohärte <SEP> bei <SEP> einer
<tb> Belastung <SEP> von <SEP> 25 <SEP> g, <SEP> Kohlenstoffgehalt <SEP> der <SEP> Bänder <SEP> zou
<tb> Mikrohärte <SEP> nach <SEP> erfindungsgemässer <SEP> Bearbeitung,
<tb> Belastung <SEP> 25 <SEP> g <SEP> 1100-1150 <SEP> kg/mm <SEP>
<tb> Schichtstärke <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP> - <SEP> 0,1 <SEP> mm
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Beispiel 3:
Mit Abstechstählen, die auf erfindungsgemässe Art geschliffen und gleichzeitig gehärtet waren, konnten 1 225 Ringe von Stahlrohren abgestochen werden, während mit gewöhnlich vergüteten Abstechstählen höchstens 950 Ringe abgestochen werden konnten.
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Schleifen <SEP> eines <SEP> Abstechmessers <SEP> : <SEP>
<tb> Eigengeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkzeuges <SEP> 120 <SEP> m/sec
<tb> Druck <SEP> zwischen <SEP> Werkzeug <SEP> und <SEP> Werkstück <SEP> zirka <SEP> 5-10 <SEP> g/mm2
<tb> Vorhärte <SEP> des <SEP> Werkstückes <SEP> 700 <SEP> kg/mm2 <SEP> Mikrohärte <SEP> bei
<tb> einer <SEP> Belastung <SEP> von <SEP> 25 <SEP> g/mm2
<tb> Kohlenstoffgehalt <SEP> des <SEP> Abstechmessers <SEP> 0, <SEP> 70/0. <SEP> Mikrohärte <SEP> nach <SEP> erfindungsgemässer <SEP> Bearbeitung,
<tb> Belastung <SEP> 25 <SEP> g <SEP> 1050 <SEP> kgfmm
<tb> Schichtstärke <SEP> 0, <SEP> 01 <SEP> - <SEP> 0, <SEP> 02 <SEP> mm
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Beispiel 4 : Eine Welle wurde zwischen Körnern drehbar gelagert.
Sie erhält durch die das Werkzeug bildende Scheibe je nach deren Durchmesser eine geringere oder grössere Eigengeschwindigkeit als jene der Scheibe, die 120 m/sec betrug. Die Stärke der sich bildenden harten Oberflächenschichthängt vom Arbeitsdruck zwischen Werkzeug und Werkstück ab. Die Oberflächenbeschaffenheit der erfindungsgemäss behandelten Welle war, unabhängig von der Dicke der Härteschicht, hervorragend, Messungen ergaben in keinem Falle Rauhtiefen von mehr als 0, 2 J1..
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Oberflächenbearbeitung <SEP> einer <SEP> runden <SEP> Achse <SEP> 5 <SEP> min <SEP> 0 <SEP> : <SEP>
<tb> Eigengeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkzeuges <SEP> 120 <SEP> m/sec
<tb> Druck <SEP> zwischen <SEP> Werkzeug <SEP> und <SEP> Werkstück <SEP> leichte <SEP> Berührung
<tb> Eigengeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkstückes, <SEP> das <SEP> durch
<tb> Werkzeug <SEP> mitgenommen <SEP> wurde <SEP> 100 <SEP> 000 <SEP> Umdr/min
<tb> Vorhärte <SEP> des <SEP> Werkstückes <SEP> 800 <SEP> kg/mm, <SEP> Mikrohärte
<tb> bei <SEP> einer <SEP> Belas <SEP> ung <SEP> von <SEP> 25 <SEP> g/mm2
<tb> Kohlenstoffgehalt <SEP> 0, <SEP> 9 <SEP> - <SEP> 1,1%, <SEP> Mikrohärte <SEP> nach
<tb> erfindungsgemässer <SEP> Bearbeitung, <SEP> Belastung <SEP> 25 <SEP> g <SEP> 1100 <SEP> kg/mm2
<tb> Schichtstärke <SEP> 0,01 <SEP> mm
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Beispiel 5 :
Eine Stahlscheibe mit einer Arbeitskante, die dem gewünschten Profil eines Gewindes entspricht, schneidet bei einem Bolzen, der rotierend vorgeschoben wird, ein Gewinde heraus, dessen Flanken gleichzeitig geformt und gehärtet werden.
Wird in diesem Fall der Arbeitsdruck zwischen Werkzeug und Werkstück wesentlich erhöht, so entsteht eine plastische Verformung ohne gleichzeitige wesentliche Steigerung der Oberflächenhärte.
Beispiel 6 : Werden zwei oder mehrere Drähte oder Bleche durch eine z. B. mit 120 m/sec rotierende Scheibe beispielsweise in ihrer Längsrichtung bestrichen, so entsteht bei entsprechendem Arbeitsdruck ein sehr gleichmässiges und dauerhaftes Verschweissen.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird eine erhebliche Verbesserung vor allem jener bisher üblichen Verfahren erzielt, welche eine Oberflächenhärtung von härtbaren Stählen zum Ziele haben. Diese Verbesserung besteht sowohl hinsichtlich der erreichbaren Härte als auch hinsichtlich der gleichzeitig erreichbaren Zähigkeit der gehärteten Schicht. Im Falle der Verwendung der Reibungswärme zwischen Werkstück und Werkzeug zur Durchführung erfindungsgemässer Oberflächenhärtungen eröffnet sich die zusätzliche Möglichkeit, die Oberflächenhärtung in einem Arbeitsgang mit spanabhebenden Bearbeitungsvorgängen durchzuführen.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Oberflächenhärtung von Werkstücken aus härtbaren Stählen durch eine, insbesondere durch Reibungswärme hervorgerufene Erhitzung über den oberen Umwandlungspunkt und darauffolgende Abschreckung, dadurch gekennzeichnet, dass die auf eine extrem schnelle Erhitzung der zu härtenden Werkstückoberfläche unmittelbar folgende Abschreckung mit so hoher Geschwindigkeit durch- geführt wird, dass eine Oberflächenschicht mit einer bei Raumtemperatur metastabilen austenitischen Struktur erhalten wird, die durch eine äussere Einwirkung, z. B. durch einen auf mechanischem Wege erzeugten Schock, in ein feinkörniges martensitisches Härtungsgefüge übergeführt wird.
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