<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Oberflächenhärtung von Werkstücken aus härtbaren
Eisen- und Stahllegierungen, insbesondere mit einem Verfahren, mit dem auf der Werkstückoberfläche Bereiche aus metastabilem Austenit mit gleichmässigen Eigenschaften auch bei sehr langen Behandlungszeiten erzielt werden können.
Die Erzeugung von metastabilem Austenit ist das wesentliche Merkmal der zweistufigen Oberflächenhärtung. Bei diesem Verfahren wird in der ersten Stufe ein jeweils nur kleiner Bereich der
Werkstoffoberfläche in extrem kurzer Zeit austenitisiert, wodurch die Umgebung dieses Bereiches zunächst kalt bleibt. Durch den anschliessend erfolgenden raschen Wärmeabfluss aus dem austenitisierten Bereich in das
Werkstückinnere wird der Austenit so rasch abgekühlt, dass er im wesentlichen erhalten bleibt, also sich nicht in
Martensit umwandelt. Der so erzeugte Austenit hat Zähigkeitseigenschaften, die mit jenen üblicher Austenite vergleichbar sind, unterscheidet sich von diesen aber durch eine Härte, die höher als die Martensithärte ist, die durch übliche Abschreckhärtung bei gleich hohen Kohlenstoffgehalten erzielt werden kann.
Die Ursache dieser hohen Austenithärte ist, dass bei der Härteprüfung vom eindringenden Prüfkörper ein plastisch verformter Bereich erzeugt wird, der während seiner Entstehung mindestens teilweise in einen Martensit extrem hoher Härte umwandelt. Es handelt sich demnach um einen metastabilen Austenit, der sich von üblichen Austeniten, die bei
Beanspruchungen bei Raumtemperatur stabil sind und daher bei der Härteprüfung niedrige Härtewerte ergeben, grundsätzlich unterscheidet. Diese mehr oder weniger weitgehende Umwandlung des metastabilen Austenits in der zweiten Stufe erfolgt nicht nur bei der Härteprüfung, sondern auch bei Beanspruchungen beliebiger Art bei
Raumtemperatur. Es sind daher keine zusätzlichen Massnahmen notwendig, um das gewünschte
Gebrauchsverhalten zu erzielen.
Demnach ist also die zweistufige Oberflächenhärtung in einem Arbeitsgang durchführbar, bei dem durch lückenlose Aneinanderreihung von kleinen, austenitisierten Bereichen ein gehärtetes
Band oder ein gehärteter Bereich, z. B. bei Werkzeugschneiden, entsteht. Dieser Arbeitsgang ist aber für den
Erfolg des Verfahrens und damit für die Qualität der behandelten Werkstückoberfläche entscheidend.
Wenn bei diesem Arbeitsgang die Austenitisierung zu langsam erfolgt, entstehen Oberflächenbereiche, die sehr hohe Martensitanteile enthalten oder zur Gänze aus Martensit bestehen. Solche Bereiche haben
Eigenschaften, die mit jenen von weissen Reibmartensitschichten vergleichbar sind, deren Sprödigkeit und
Neigung zum Ausbrechen bekannt ist. Erfolgt die Austenitisierung durch zu grosse lokale Energieeinbringung, können störende Aufschmelzerscheinungen auf der Werkstückoberfläche oder auf Werkzeugschneiden entstehen, die vor der Ingebrauchnahme entfernt werden müssen.
Bei metallographischen Untersuchungen sind die Ergebnisse solcher Oberflächenbehandlungen als schwer anätzbare, mikroskopisch nicht auflösbare weisse Bereiche erkennbar. Die Unterscheidung, ob diese weissen
Bereiche aus Martensit oder aus metastabilem Austenit bestehen, kann z. B. mit Hilfe intensiver Atzbehandlungen erfolgen, die beim Vorliegen von Austenit im Oberflächenbereich des Schiffes zur Bildung von MartensitnadeL'1 führen. Solche Martensitnadeln können nicht entstehen, wenn die weissen Bereiche schon vor dem Ätzen martensitisch sind. Eine andere Unterscheidungsmöglichkeit oder identifizierungsmöglichkeit beim Vorliegen weisser Bereiche sind röntgenographische Bestimmungen der Austenitanteile.
Die Erzeugung von Bereichen aus metastabilem Austenit ist auf Werkstücken aus Eisen-und
Stahllegierungen dann möglich, wenn ausreichend hohe Kohlenstoffgehalte bei der Austenitisierung in extrem kurzer Zeit in Lösung gebracht werden können. Beim Vorliegen nicht oder nur schwer lösbarer Karbide oder beim Vorliegen von Graphitausscheidungen muss der Kohlenstoffgehalt der Grundmasse ausreichend hoch sein ; die Karbide oder der Graphit befinden sich dann im nicht aufgelösten Zustand im weissen Bereich. Die Höhe des notwendigen Mindestkohlenstoffgehaltes beträgt bei unlegierten Stählen etwa 0, 6% und kann bei legierten Stählen noch niedriger liegen.
Als Energiequellen für die Durchführung der zweistufigen Oberflächenhärtung wurden bisher Reibscheiben, Plasmabrenner und Elektronenstrahlen verwendet. Eine wesentliche Anforderung an solche Energiequellen ist, dass sie eine Energiekonzentration auf der Werkstückoberfläche ermöglichen, mit der in extrem kurzen Zeiten, nach allerdings nur qualitativen Überlegungen in weniger als 10-2 sec, die erforderliche Austenitisierung erzwungen werden kann.
Eine weitere wesentliche Anforderung besteht darin, dass zur Erzielung von Austenitbereichen mit gleichbleibender Form und gleichbleibenden Eigenschaften eine gleichmässige Energieeinbringung in das Werkstück während der gesamten Behandlungsdauer möglich sein muss.
Diese beiden Forderungen sind am einfachsten mit ausreichend stabilen Elektronenstrahlen erfüllbar. Ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendung derselben ist aber, dass die Behandlung der Werkstücke im Hochvakuum erfolgen muss. Die hiefür erforderlichen hohen Anlagekosten haben ausserdem zur Folge, dass die Verwendung von Elektronenstrahlen für die Massenfertigung nicht in Betracht gezogen werden kann und nur in Sonderfällen wirtschaftlich vertretbar ist.
Bei der Verwendung von mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten von mehr als 100 m/sec rotierenden Reibscheiben, zweckmässig aus gehärtetem Schnellarbeitsstahl mit glatten und geeignet profilierten Stirnflächen, erfolgt die Energieeinbringung durch die Reibungswärme, die beim Andrücken solcher Stirnflächen gegen das Werkstück entsteht. Bei diesem Vorgang, bei dem z. B. das Werkstück an der Scheibe vorbeigeführt wird, um auf
<Desc/Clms Page number 2>
diesem eine Spur aufzubringen, entsteht ein Materialabtrag bis zu 0, 2 mm. Beim Einbau dieses Verfahrens in die
Fertigung muss dieser Materialabtrag durch entsprechende übermass berücksichtigt werden und die Behandlung vor dem Fertigschleifen erfolgen, wenn genaue Einbaumasse einzuhalten sind.
Ausserdem muss der Materialabtrag sehr genau eingestellt werden, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Weitere Nachteile dieses Verfahrens sind, dass es nur bei Werkstücken mit einfacher Geometrie, z. B. bei zylindrischen Werkstücken, bei solchen mit ebenen Flächen oder mit geraden Schneiden oder Kanten anwendbar ist und dass an die Messgenauigkeit dieser
Werkstücke hohe Anforderungen gestellt werden müssen. Geringe lokale Abmessungsfehler in der Grössenordnung von 0, 01 mm haben bereits wegen des dann verminderten oder erhöhten Materialabtrags eine ungleichmässige
Energieeinbringung und eine Veränderung der Form der entstehenden Austenitschicht zur Folge. Die Kosten für eine Anlage zur Erzeugung von Reibaustenit sind aber vergleichsweise die niedrigsten.
Bei der Verwendung von Plasmabrennern wird die Energie ausgenutzt, die durch die Rekombination der
Ladungsträger des Plasmas auf elektrisch leitenden Oberflächen frei wird. Die Bereiche dieser Ladungsträger sind bei Verwendung von heissem Plasma, das durch Dissoziation des Arbeitsgases mit Hilfe eines elektrischen
Lichtbogens erzeugt wird, von einem heissen, nicht dissoziierten Gasstrom umgeben, der grosse und unerwünschte
Wärmemengen in das Werkstück einbringt, so dass besonders bei längeren Behandlungszeiten die bereits entstandenen Austenitschichten durch Anlasswirkung zerstört und die Entstehung weiterer Schichten wegen zu hoher Werkstücktemperaturen unmöglich wird.
Aus diesen Gründen wurde bereits vorgeschlagen, zur
Oberflächenhärtung die kalte Flamme eines Hochfrequenzplasmabrenners, also kaltes Plasma, zu verwenden, in dem Papier nicht zur Entzündung gebracht werden kann. Auf elektrisch leitenden Oberflächen, z. B. auf metallischen Oberflächen, kann mit kaltem Plasma ebenfalls die erwünschte Ladungsrekombination erzielt und damit eine extrem rasche Erhitzung ohne störende Nebenwirkungen durch heisse Gase erzwungen werden. Die
Möglichkeit des Arbeitens in freier Luft, die in erträglichen Grenzen liegenden Anlagekosten sowie die
Unabhängigkeit von der Geometrie und der Massgenauigkeit der zu behandelnden Werkstücke sprechen für die
Verwendung von kaltem Plasma.
Wenn jedoch ein Werkstück mit kaltem Plasma ohne Beachtung besonderer Massnahmen behandelt wird, ist im allgemeinen die Energieeinbringung zur Erzeugung von Austenitschichten unzureichend. Noch störender ist aber, dass die Wirkung der Behandlung derart ungleichmässig ist, dass technisch brauchbare Oberflächenhärtungen über Bereiche von nur wenigen cm2 nicht erzielt werden können. Gleichartige Erfahrungen liegen auch bei der
Behandlung von Werkzeugschneiden vor, bei denen lokale Aufschmelzungen als Folge übermässiger Energiezufuhr und unzureichende Härteannahmen gleichzeitig auftreten können.
Ein Verfahren, mit dem diese Schwierigkeiten vermieden werden können, wäre somit von grossem technischen Interesse.
Die wesentliche Voraussetzung zur Durchführung der zweistufigen Oberflächenhärtung mit kaltem Plasma in technisch brauchbarer Weise ist, dass in das Werkstück während der Behandlung gleich grosse Energiemengen in der Zeiteinheit eingebracht werden. Um nun diese Voraussetzung erfüllen zu können, ist es erfmdungsgemäss notwendig, dass sich das zu behandelnde Werkstück in einem Hochfrequenzstromkreis mit konstanter Frequenz befindet, der durch die kalte Plasmaflamme galvanisch geschlossen wird.
Die aufgezeigten Schwierigkeiten können nicht vermieden werden, wenn ein Hochfrequenzgenerator verwendet wird, dessen Frequenz nicht stabilisiert ist, oder wenn trotz Verwendung eines
Hochfrequenzgenerators mit stabilisierter Frequenz das Werkstück während der Plasmabehandlung mit der
Elektrode des Plasmabrenners und dem Hochfrequenzgenerator einen offenen Schwingungskreis bildet, so dass das Werkstück als kapazitiver Riickschluss wirkt.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur zweistufigen Oberflächenhärtung von Werkstücken aus härtbaren Eisen-und Stahllegierungen, und die Erfindung besteht darin, dass zur Erzeugung von
Oberflächenbereichen aus metastabilem Austenit mit gleichbleibenden Querschnittsformen und gleichbleibenden
Eigenschaften in das Werkstück während der Behandlungsdauer gleich grosse Energiemengen in der Zeiteinheit mit kaltem Plasma eingebracht werden, durch welches ein Hochfrequenzstromkreis mit konstanter Frequenz galvanisch geschlossen wird.
Eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in der Fig. l der Zeichnungen wiedergegeben. Sie besteht aus einem Hochfrequenzgenerator-l-mit stabilisierter Frequenz und stufenlos regelbarer Leistung, aus einem Brenner --2-- zur Erzeugung des kalten Plasmas-3-, mit dem das durch Erdschluss--4-- mit dem Hochfrequenzgenerator verbundene Werkstück --5-- behandelt wird sowie aus einer zwischen
Hochfrequenzgenerator und Brenner angeordneten Abgleicheinheit --6-- zur Einstellung der optimalen
Energieeinbringung in das Werkstück, die mit Hilfe des Leistungsmessers-7-für die zum Werkstück hinlaufende Leistung und des Leistungsmessers-8-für die reflektierte Leistung kontrollierbar ist.
Diese reflektierte Leistung beträgt J2 R, wobei J die mit einem Amperemeter zu messende Stromstärke und R der aus der Form des zu härtenden Werkstückes ableitbare Wellenwiderstand ist.
EMI2.1
Frequenz gewählt wird, die nach den postalischen Vorschriften zugelassen ist. Zur Zeit wird vorzugsweise eine Frequenz von 13, 56 MHz angewendet.
<Desc/Clms Page number 3>
Die maximale Leistung der Hochfrequenzgeneratoren soll zwischen mindestens 1 und 5 kW liegen und soll stufenlos regelbar sein, um die Leistungseinbringung in das Werkstück je nach Bedarf verändern zu können. Mit Hilfe der ausserdem notwendigen Abgleicheinheit wird dafür gesorgt, dass die zum Werkstück hinlaufende
EMI3.1
Werkstück während der Behandlungsdauer in sehr einfacher Weise ermöglichen, so dass sich nachträgliche umständliche und zeitraubende Kontrollen erübrigen.
Der Aufbau von Plasmabrennern zur Erzeugung von kaltem Plasma ist grundsätzlich bekannt. Solche
Brenner bestehen im wesentlichen aus einem Rohr, in dem die Bildung des Plasmas entweder mit einem elektrischen Hochfrequenzfeld mit Hilfe einer axial im Rohr angeordneten Elektrode oder mit einem magnetischen Hochfrequenzfeld erfolgt, das von einer das Rohr umgebenden Hochfrequenzspule erzeugt wird.
Durch einen Zündvorgang im Brenner werden Elektroden des Arbeitsgases ausgelöst, die im Hochfrequenzfeld eine so starke Beschleunigung erfahren, dass sie die Moleküle des Arbeitsgases dissoziieren und ionisieren können, also ein Plasma bilden.
Eine Ausführungsform des Plasmabrenners zeigt die Fig. 2. Er besteht aus einer stabförmigen Elektrode --9--, die mit einem Kabel--10--mit der Hochfrequenzstromquelle verbunden werden kann, aus einem Rohr das die Elektrode umgibt und die Zuführung des Arbeitsgases durch einen Anschlussstutzen - -12-- ermöglicht, aus einer Elektrodenhalterung-13-, welche die axiale Anordnung der Elektrode im
Rohr sicherstellt, aus einer Düse --14-- zur Formgebung der Plasmaflamme--15--. Die Zündung des Brenners erfolgt durch Berührung der Elektrode mit einem Metall- oder Kohlestab, der in einem Isolator befestigt ist.
Beim Abziehen des Stabes entsteht ein Hochfrequenzlichtbogen, der die Bildung der von der Elektrode ausgehenden Plasmaflamme einleitet, die dann in freier Luft weiterbrennt.
Als Material für die Elektrode kann thoriertes Wolfram gewählt werden. Als Arbeitsgas hat sich für die zweistufige Oberflächenhärtung handelsübliches Schweissargon bisher am besten bewährt.
Für das Brennerrohr ist eine besondere Materialauswahl nicht erforderlich. Es kann aus elektrisch nicht leitendem Material bestehen oder auch aus Metall, z. B. aus Kupfer sein, wenn die Geschwindigkeit des strömenden Arbeitsgases gross genug ist, um Überschläge zwischen der Elektrode und dem Metallrohr zu verhindern. Für die Elektrodenhalterung muss hingegen elektrisch nicht leitendes Material gewählt werden. Zu beachten ist, dass das Brennerrohr durch die vom Werkstück abstrahlende Wärme übermässig beansprucht werden kann. In solchen Fällen ist es notwendig, das Rohr in geeigneter Weise zu schützen. Dies kann sowohl durch eine Kühlung als auch dadurch erfolgen, dass an dem Rohr eine Düse zur Formgebung der Plasmaflamme angeordnet wird.
Die Düse muss aus elektrisch nicht leitendem Material bestehen und gegen die Strahlungswärme ausreichend widerstandsfähig sein. Praktisch ist hiefür jede feuerfeste keramische Masse geeignet.
Ausführungsbeispiele :
Mit einer Anlage zur Erzeugung von kaltem Plasma, deren Hochfrequenzgenerator eine stabilisierte Frequenz von 13, 56 MHz und eine maximale Leistungsaufnahme von 1, 25 kW hatte, wurden verschiedene Werkstücke unter Beachtung der erfindungsgemäss angegebenen Massnahmen behandelt : a) Auf einer Platte aus einem unlegierten Stahl mit 1, 1% C und mit den Abmessungen 100 X 60 X 14 mm wurden im wassergehärteten Zustand Spuren aus metastabilem Austenit mit 2, 5 mm Breite erzeugt, die im Querschnitt die Form eines Kreisabschnittes mit 0, 3 mm Tiefe hatten. Die mit 100 p Belastung ermittelte Mikrohärte dieser Spuren betrug 950 bis lOOOkp/mm, jene der wassergehärteten Oberfläche etwa 800 kp/mm2. Die Spuren hatten über die ganze Länge einen vollkommen gleichbleibenden Querschnitt.
Die Vorschubgeschwindigkeit, mit der die Platte in einem Abstand von etwa 5 mm an dem Brenner vorbeigeführt wurde, betrug 160 mm je Minute, die über die Plasmaflamme zur Platte hinlaufende Leistung 500 W. b) Auf einer Bewehrungsleiste mit 8 X 2 mm Querschnitt und 2000 mm Länge aus einem Stahl mit 0, 6%
EMI3.2
hatte, wurde eine Kante durch Erzeugung eines Bereichs aus metastabilem Austenit gehärtet, dessen Querschnitt die Form eines gleichschenkeligen Dreiecks hatte. Die Länge der von der Kante ausgehenden Schenkel dieses Dreiecks betrug 0, 5 mm.
Im Austenitbereich wurde eine Mikrohärte von 900 bis 950 kp/mm'2 festgestellt. Die Behandlung dieser Bewehrungsleiste erfolgte mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 810 mm/min und mit einer Vorwärtsleistung von 300 W. c) Zur Härtung der Zahnspitzen verschiedener Holzbandsägen mit Querschnitten von 0, 7 X 10, 0, 7 X 20 und 0, 7 X 25 mm und Zahntiefen von 2, 0 bis 2, 6 mm wurden diese mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 810 mm/min in etwa 5 mm Abstand an dem Plasmabrenner vorbeigeführt, wobei die Vorwärtsleistung 150 W betrug. Die Zahnspitzen dieser Sägen zeigten nach der Behandlung Bereiche aus metastabilem Austenit mit dreieckigen Querschnittsformen.
Die Mikrohärte der Austenitbereiche lag zwischen 930 und lOOOkp/mm. Die Sägen hatten Mikrohärten zwischen 420 und 440 kp/mm2 und waren aus Stählen mit etwa 0, 7% C, 0, 3% Si, 0, 6% Mn, 0, 6% Ni, 0, 2% Wund 0, 05% V.
Die Standzeiten von Sägen, deren Spitzen aus metastabilem Austenit bestehen, betragen im Vergleich zu jenen von üblichen Sägen das Zwei- bis Vierfache.