Verfahren zur Oberflächenhärtung von Gusseisen Der Sinn einer Oberflächenhärtung ist grundsätz lich der, ein an sich zähes Werkstück mit einer mög lichst harten Randzone von geringer Tiefe auszustat ten. 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, Kurbel wellen, Nockenwellen und Getriebebolzen genannt werden.
Die Oberflächenhärtung von Stahl wird in grossem Umfang angewendet. Es gehört hierher das bekannte Einsatzhärten, bei dem man einen an sich verhältnis mässig kohlenstoffarmen Stahl zunächst in seiner Randzone an Kohlenstoff, den man eindiffundieren lässt, anreichert. Sodann wird das Werkstück durch Erhitzen in das Austenitgebiet gebracht und abge schreckt, wobei die an Kohlenstoff genügend angerei cherte Randzone den harten Martensit gibt, während der kohlenstoffarme Kern nur wenig härter wird und jedenfalls genügend zäh bleibt.
Eine andere Methode der Oberflächenhärtung be steht darin, dass man das Werkstück als Ganzes aus einem Stahl herstellt, dessen C-Gehalt (in Abstim mung mit dem allfälligen Gehalt an Legierungsele menten) von Haus aus hoch genug ist, dass man beim Abschrecken aus dem Austenitgebiet einen harten Martensit bekommt.
Damit sich aber diese Martensit- bildung nur auf die Randzone von gewünschter gerin ger Tiefe erstreckt, wird nur diese allein vor dem Ab schrecken auf Austenittemperatur erhitzt; dies ge schieht durch eine besonders intensive, aber nur kurz zeitige Erhitzung der Randzone, die keine Zeit lässt, dass durch Wärmeleitung auch das Innere des Werk stückes 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 ent weder durch die sehr heisse Flamme eines Autogen brenners oder durch Induktionsheizung mit hochfre- quentem Wechselstrom, die bekanntlich, in Abhängig keit 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 Austenitisierungstem- peratur wird somit nur in der Randzone überschritten, und es bekommt beim nachfolgenden Abschrecken nur diese Randzone das Martensitgefüge und die Mar- tensithärte, während der Kern ungefähr auf jener mässigen Härte und daher genügend hohen Zähigkeit verbleibt, die dem Stahl im Normalzustand in Ab hängigkeit von seinem Kohlenstoff- und Legierungs gehalt 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 Elementarform (Graphit), vorliegt.
Denn nur der kar- bidische Anteil des Kohlenstoffes löst sich bei der autogenen oder induktiven Erhitzung der Randzone wirklich genügend rasch im Austenit auf, so dass die ser genügend kohlenstoffreich ist und beim Ab- schrecken einen harten Martensit liefert. Der elemen tare (graphitische) Anteil des Kohlenstoffes braucht hingegen zu seiner Auflösung im Austenit längere Zeit.
Eine länger dauernde Erhitzung führt aber un vermeidlich dazu, dass durch die Wärmeleitung auch die tieferliegenden Zonen des Werkstückes auf Au stenittemperatur 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 längerdauerndes Halten im Austenitgebiet unmittelbar vor dem Abschrecken an sich zu einem groben, spröden Gefüge im martensi- tisch werdenden Teil.
Es wurde schon versucht, durch eine vorbereitende Glühung den Gehalt an gebunde nem Kohlenstoff so weit zu erhöhen, dass bei nachfol gender Abschreckung eine wesentliche Härtesteige- rung 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.
Besonders praktische Bedeutung kommt den ge- schilderten Verhältnissen bei Gusseisen mit Kugelgra phit zu. Wenn dieses mit ferritischer oder halbferri- tischer Grundmasse erzeugt wird, besitzt es eine hohe, dem Stahl nahe kommende Zähigkeit und ist daher (unter Berücksichtigung seiner form- und giesstech nisch überlegenen Eigenschaften) ein Werkstoff, der den Stahl mit Vorteil zu ersetzen vermag.
Für hochbeanspruchte Teile, wofür eingangs Zahnräder, Kurbelwellen, Nockenwellen und Ge triebebolzen als Beispiele aufgezählt wurden, ergibt sich bei Anwendung der autogenen oder induktiven Oberflächenhärtung die Schwierigkeit, dass das ferri- tische oder halbferritische Gusseisen, insbesondere Sphäro-Guss, fast keinen oder jedenfalls zu wenig Kohlenstoff in Form von Karbid enthält und es daher erfahrungsgemäss äusserst schwierig ist, eine ausrei chend harte Martensitrandzone beim Autogen- oder Induktionshärten zu erzielen.
Hingegen ist es be kannt, dass ein Gusseisen mit perlitischer Grundmasse, insbesonders wieder solches mit Kugelgraphit, sehr gut durch autogene oder Induktionshärtung auf eine hochharte martensitische Randzone gebracht werden kann. Der praktischen Verwertung steht aber die Tat sache entgegen, dass Gusseisen mit perlitischer Grund masse, auch wenn der Kohlenstoff in Form von Ku gelgraphit vorliegt, eine nur geringe Zähigkeit auf weist, die jener von Stahl stark unterlegen ist.
Werk stücke 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 gewöhn lichem 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 überzufüh ren, lässt sich der Höchstwert an Härte nicht erreichen.
Abgesehen davon wird durch die verbleibenden Fer- ritanteile das Gefüge und damit die Härte ungleich mässig.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Verfahren zur autogenen oder induktiven Oberflächenhärtung von Gusseisen, insbesondere Gusseisen mit Kugelgra phit, mit ferritischer oder halbferritischer Grund masse, wobei durch eine Oberflächenerwärmung in der zu härtenden Zone durch Auflösung von freiem Kohlenstoff, z.
B. von Graphit, zunächst ein wenig stens annähernd perlitisches Gefüge hergestellt und alsdann oberflächlich auf Härtetemperatur gebracht und abgeschreckt wird, zu schaffen, und die Erfin dung besteht hiebei darin, dass die oberflächliche Er wärmung zwecks Auflösung von Graphit mehrmals durchgeführt und dazwischen langsam abgekühlt wird. Hierauf kann dann in bekannter Weise die autogene oder induktive Oberflächenhärtung erfolgen.
Man kann auf diese Weise Werkstücke aus Gusseisen, ins besondere aus Kugelgraphit-Gusseisen herstellen, deren Grundmasse ferritisch oder halbferritisch 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 Vorausset zung besitzen, dass sie bei der kurzzeitigen Erhitzung in das Austenitgebiet, wie diese bei der Autogen- oder Induktionshärtung nur möglich ist, bereits einen so kohlenstoffreichen Austenit ergeben, dass beim Ab schrecken 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 un gefähr in der zu härtenden Tiefe eine völlig oder prak tisch reinperlitische Grundmasse geschaffen wird, wel che eine Härtung ermöglicht.
Bei einer beispielsweisen praktischen Durchfüh rung des Verfahrens geht man somit von einem Werk stück aus Gusseisen, insbesondere aus Kugelgraphit- Gusseisen, mit ferritischer oder halbferritischer Grund masse 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 gewünschte marten- sitische Randzone, in Austenit übergeführt und dann zunächst verhältnismässig langsam abgekühlt (nicht abgeschreckt).
Hierbei wird wegen der kurzen Erhit- zungsdauer zunächst nur ein gewisser Anteil des gra- phitischen 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 wieder holt.
Bei jeder Wiederholung wird auch nur die Rand zone in ungefähr jener Tiefe, die später im gehärteten Endzustand martensitisch gewünscht wird, in Auste- nit übergeführt.
Jedesmal wird sich von dem vorhan denen graphitischen Kohlenstoff ein weiterer Anteil im Austenit lösen und wird daher nach dem Abküh len unter Vermeidung eines Abschreckens ein Gefüge mit immer grösserem Perlitanteil der Grundmasse, und bei genügend oftmaliger Wiederholung des Vorganges schliesslich das gewünschte Gefüge in der Randzone mit praktisch rein perlitischer Grundmasse ergeben, wobei sich dieses auf jene Stellen, die man später mit martensitisch harter Oberfläche wünscht, sowie prak tisch auf jene Tiefe,
die später martensitisches Ge füge 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 Vorberei tung erfolgt in bekannter Weise die Autogen- oder induktive Oberflächenhärtung, das heisst,
es wird durch Autogen- oder Induktionserhitzung die vorher auf perlitisches Grundgefüge gebrachte Randzone auf die gewünschte Tiefe auf Abschrecktemperatur ge bracht und das Werkstück in einem geeigneten Ab schreckmittel abgeschreckt.
Die vorbereitende Erwärmung der Randzone, an die die verhältnismäss langsame Abkühlung ange schlossen wird und die zur Bildung des praktisch per- litischen Grundgefüges führt, wird zweckmässig mit den gleichen oder ähnlichen Mitteln (Autogenbrenner oder Hochfrequenzspule) vorgenommen, mit welchen dann abschliessend die Autogen- oder Induktionshär tung erfolgt.
<I>Beispiel</I> Für die Herstellung von Zahnrädern wird ein Gusseisen mit Kugelgraphit mit ferritischer Grund masse gewählt, dessen Brinellhärte sehr niedrig bei 140 kglmm2 liegt, was erfahrungsgemäss die ge wünschte hohe Zähigkeit sichert (Bruchdehnung d5 von mindestens 12 '/a,
Brucheinschnürung von minde- stens 1011/a Schlagbiegezähigkeit d'er ungekerbten Probe im Mittel mindestens 6 mkg/cm2).
Nun wird mit einer Hochfrequenzspule sechsmal hintereinander innerhalb von je etwa 14 Sek. die Randzone der Zahnflanken in das Austenitgebiet auf ungefähr 950 C erwärmt und anschliessend mit Press luft gekühlt (nach Erreichen von etwa 500 C zur Be schleunigung auch mit Wasser).
Durch diese Behand lung tritt keine martensitisohe Härtung ein, wohl aber erscheint nach jedem Abkühlen im Gefüge eine zu nehmende Menge von Perlit, bis schliesslich die Grundmasse der so vorbehandelten Randzone prak tisch rein perlitisch wird.
Dementsprechend steigt auch stufenweise die Brinellhärte der Randzone von 140 bis etwa 260 kg/mm2 fast gleichmässig an, d'er Kern des Gussstückes verbleibt aber weiter auf einer Brinell- härte von 140 kg/mn2. Nach dieser Vorbereitung wird nun mit der gleichen Hochfrequenz-Induktionsspule die Schlusserhitzung der Randzone, und zwar nur maxi mal auf die vorbereitete Tiefe, auf 880 C 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 ge wünschte Tiefe das zugehörige martensitische Gefüge, während der Kern praktisch unverändert und jeden falls genügend zäh bleibt.
Process for surface hardening of cast iron The purpose of surface hardening is basically to equip an intrinsically tough workpiece with the hardest possible edge zone of shallow depth. In this way, the fracture resistance of the workpiece as a whole is combined with a high wear resistance of its edge zone, such as this is desirable for a wide variety of uses. The only examples that may be mentioned here are gears, crankshafts, camshafts and gear bolts.
The surface hardening of steel is widely used. This includes the well-known case hardening, in which a steel that is relatively low in carbon is initially enriched in its edge zone in carbon, which is allowed to diffuse. The workpiece is then brought into the austenite area by heating and quenched, the edge zone enriched with sufficient carbon giving the hard martensite, while the low-carbon core is only slightly harder and in any case remains sufficiently tough.
Another method of surface hardening is to manufacture the workpiece as a whole from a steel whose carbon content (in coordination with the possible content of alloying elements) is inherently high enough to allow quenching from the austenite area gets a hard martensite.
However, so that this martensite formation extends only to the edge zone of the desired shallow depth, this alone is heated to austenite temperature before quenching; This is done through particularly intensive, but only brief, heating of the edge zone, which leaves no time for the inside of the workpiece to rise into the temperature area of austenite formation due to heat conduction, but instead it remains in the edge zone when heat accumulates.
This intensive and short-term supply of heat to the edge zone takes place practically either through the very hot flame of an oxy-fuel burner or through induction heating with high-frequency alternating current, which is known to have a very high current density and heating only in the edge zone of of a certain depth, while the current density and heating in the core remain low.
The austenitizing temperature is thus exceeded only in the edge zone, and during the subsequent quenching process only this edge zone gets the martensite structure and the martensite hardness, while the core remains approximately at the moderate hardness and therefore sufficiently high toughness that the steel in its normal state Depending on its carbon and alloy content.
If you switch from steel to cast iron, there is always a high carbon content inherent. It would be pointless to allow carbon to diffuse additionally into the edge zone, as happens when case hardening low-carbon steel. On the other hand, the prerequisites for autogenous or inductive surface hardening are in themselves given, and they are actually used.
However, experience has shown that in this way a sufficiently hard martensite can only be achieved in the edge zone if a sufficient part of the carbon is there in the form of iron carbide (cementite), in addition to the proportion of carbon in elemental form (graphite) .
Because only the carbidic part of the carbon really dissolves sufficiently quickly in the austenite during the autogenous or inductive heating of the edge zone, so that this is sufficiently rich in carbon and, when quenched, produces a hard martensite. The elementary (graphitic) part of carbon, on the other hand, needs a longer time to dissolve in austenite.
However, prolonged heating inevitably means that the lower-lying areas of the workpiece also come to external temperature due to the conduction of heat, so that when quenching, not only a shallow edge zone is covered and in any case the toughness of the entire workpiece suffers greatly. Long-term holding in the austenite area immediately before quenching also leads to a coarse, brittle structure in the part that is becoming martensitic.
Attempts have already been made to increase the content of bound carbon by means of preparatory annealing to such an extent that a significant increase in hardness occurs during subsequent quenching, but the heating times have proven to be too short, so that ferrite residues still remain in the base mass , or the hardened layer was too thick.
The described conditions are of particular practical importance for cast iron with spheroidal graphite. If this is produced with a ferritic or semi-ferritic matrix, it has a high level of toughness that comes close to that of steel and is therefore (taking into account its properties that are superior in terms of shape and casting technology) a material that can advantageously replace steel.
For highly stressed parts, for which gears, crankshafts, camshafts and gear bolts were listed as examples, the difficulty arises when using oxy-fuel or inductive surface hardening that the ferritic or semi-ferritic cast iron, in particular spheroidal cast iron, is almost impossible or at least impossible contains little carbon in the form of carbide and experience has shown that it is extremely difficult to achieve a sufficiently hard martensite edge zone during oxy-fuel or induction hardening.
On the other hand, it is known that a cast iron with a pearlitic base mass, in particular again that with spheroidal graphite, can be brought to a very hard martensitic edge zone very well by autogenous or induction hardening. However, practical use stands in the way of the fact that cast iron with a pearlitic base mass, even if the carbon is present in the form of spheroidal graphite, has only a low level of toughness, which is greatly inferior to that of steel.
Workpieces made of cast iron with a pearlitic matrix and spheroidal graphite would therefore get a desired hard martensite edge zone after oxy-fuel or induction hardening, but their core, and thus the workpiece as a whole, would be so poor that they could be used for gears, etc. Rule would not be possible.
Attempts have been made to solve this problem by briefly overheating during flame hardening, which can be carried out when hardening cast iron with spheroidal graphite in contrast to the hardening of ordinary cast iron. This made it possible to increase the hardness considerably, but due to the impossibility of converting all of the ferrite into pearlite by carburizing with this method, the maximum hardness value cannot be achieved.
Apart from that, the remaining ferrite components make the structure and thus the hardness uneven.
The invention now aims to provide a method for the autogenous or inductive surface hardening of cast iron, in particular cast iron with Kugelgra phit, with ferritic or semi-ferritic base mass, whereby by surface heating in the zone to be hardened by dissolving free carbon, eg.
B. of graphite, initially a little at least approximately pearlitic structure and then brought to the surface to hardening temperature and quenched to create, and the inven tion consists in the fact that the superficial heating for the purpose of dissolving graphite is carried out several times and slowly cooled in between . The autogenous or inductive surface hardening can then take place in a known manner.
In this way, workpieces can be made from cast iron, especially from spheroidal graphite cast iron, the base material of which is ferritic or semi-ferritic and which are therefore sufficiently tough, but which at the same time provide the prerequisite in their edge zone exactly at the desired points and exactly to the desired depth have the fact that when they are briefly heated into the austenite area, as is only possible with oxy-fuel or induction hardening, they already produce an austenite that is so rich in carbon that the desired extremely hard martensitic edge zone is created when quenching.
The workpiece has thus, seen as a whole, ferritic or semi-ferritic base mass, while in the edge zone at the points to be hardened and un danger in the depth to be hardened a completely or practically pure pearlitic base material is created, wel che enables hardening.
In an example of a practical implementation of the process, it is assumed that a work piece made of cast iron, in particular spheroidal graphite cast iron, with a ferritic or semi-ferritic base mass that fully satisfies the requirements of the intended use in its toughness properties.
Only a shallow edge zone, which is not deeper or not significantly deeper than the martensitic edge zone desired later in the hardened final state, is now converted into austenite by brief autogenous or induction heating and then initially cooled relatively slowly (not quenched).
Because of the short heating time, only a certain proportion of the graphitic carbon is initially dissolved in the austenite, which while cooling provides pearlite, but does not yet ensure a purely pearlitic matrix. Now the process of brief autogenous or induction heating is repeated once or several times as required.
With each repetition, only the edge zone is converted into austenite at approximately the depth that is later martensitically desired in the hardened final state.
Each time, a further proportion of the graphitic carbon in the austenite will dissolve and therefore after cooling down, avoiding quenching, it becomes a structure with an ever larger proportion of pearlite in the base material and, if the process is repeated enough often, finally the desired structure in the edge zone practically purely pearlitic matrix, whereby this applies to those places that are later desired with a martensitic hard surface, as well as practically to the depth
which is to get a martensitic structure later. Such a single or multiple heating in the austenite area with subsequent relatively slow cooling also has the structure-refining effect of so-called normal annealing. After this preparation, the oxy-fuel or inductive surface hardening takes place in a known manner, i.e.
it is brought to the desired depth to the quenching temperature ge by oxy-fuel or induction heating, the edge zone previously brought to a pearlitic structure and the workpiece is quenched in a suitable quenching agent.
The preparatory heating of the edge zone, to which the relatively slow cooling is connected and which leads to the formation of the practically pearlitic basic structure, is expediently carried out with the same or similar means (oxy-fuel burner or high-frequency coil), with which the oxy-fuel or Induction hardening takes place.
<I> Example </I> For the manufacture of gears, a cast iron with spheroidal graphite with a ferritic base mass is selected, the Brinell hardness of which is very low at 140 kg / mm, which, according to experience, ensures the desired high toughness (elongation at break d5 of at least 12 '/ a ,
Constriction of fracture of at least 1011 / a impact strength of the unnotched sample on average at least 6 mkg / cm2).
A high-frequency coil is used to heat the edge zone of the tooth flanks in the austenite area to about 950 C six times in a row within about 14 seconds and then cool it with compressed air (after reaching about 500 C for acceleration, also with water).
As a result of this treatment, no hardening similar to martensitic occurs, but after each cooling, a sufficient amount of pearlite appears in the structure, until finally the basic mass of the thus pretreated edge zone becomes practically pure pearlitic.
Correspondingly, the Brinell hardness of the edge zone increases almost uniformly from 140 to about 260 kg / mm2, but the core of the casting remains at a Brinell hardness of 140 kg / m2. After this preparation, the final heating of the edge zone is now carried out with the same high-frequency induction coil, to a maximum of the prepared depth, to 880 C and the workpiece is quenched in water.
An Rc hardness of 60 to 62 units is now achieved on the surface and the associated martensitic structure to the desired depth in the edge zone, while the core remains practically unchanged and in any case sufficiently tough.