Verfahren zum Verändern physikalischer Eigenschaften, insbesondere der Bearbeitbarkeit, eines Metallteiles und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Viele Metalle, insbesondere refraktäre Metalle, wie Chrom, Columbium, Tantal, Molybdän, Wolfram und Legierungen derselben mit anderen Metallen, sind zur Zeit schwer durch übliche Verfahren zu bearbeiten.
Superlegierungen und andere Metalle, wie Titan und Beryllium, sind ebenfalls schwierig zu bearbeiten. Wenn es nicht äusserst rein ist, kann z.B. Titan ein sehr kostspieliges Material für die Bearbeitung im Vergleich zu weichem Stahl sein. Wenn zur Zeit Titan auf einer Drehbank oder einer Fräsmaschine zu bearbeiten ist, ist es notwendig, sehr harte Werkzeuge, wie mit Diamant oder Karbiden besetzte Werkzeuge, zu verwenden und verhältnismässig geringe Schneidgeschwindigkeiten vorzusehen. Ebenso ist es erforderlich, bei jedem Durchlauf geringe Schnittiefen anzuwenden. Selbst wenn diese Bedingungen erfüllt sind, ist die Abnützung der Schneidwerkzeuge sehr hoch. Demzufolge ist die Bearbeitung von Titan und vielen anderen refraktären Metallen ein kostspieliges und zeitraubendes Verfahren.
Wenn die oben erwähnten Bedingungen nicht eingehalten werden, ist die Abnutzung noch extremer und der Feinheitsgrad der Bearbeitung am Werkstück ist herabgesetzt: in vielen Fällen, wie bei Titan, wird die Oberfläche des Werkstükkes schuppig und rauh; in anderen Fällen, z.B. bei Wolfram, kann das Werkstück zerbrechen.
Es ist zur Zeit wenig bekannt, warum ein Metall besser bearbeitbar ist als ein anderes. Es wird angenommen, dass die Bearbeitbarkeit eines Metalles von der Kristallstruktur desselben abhängt; aber es bestehen gewisse bemerkenswerte Ausnahmen zu dieser Theorie.
Zur Zeit ist es üblich, die Bearbeitbarkeit eines gegebenen Metalles durch empirische Vergleichsverfahren zu bestimmen. Dabei wird ein Standard-Metallteil, hergestellt aus einem Bezugsmetall, unter Bedingungen bearbeitet, bei denen die Art, Form und der Zustand eines Bezugswerkzeuges bekannt sind und bei denen der Vorschub zwischen Werkstück und Werkzeug und der Einschnitt des Werkzeuges in das Werkstück bekannt sind. Die gleichen Bedingungen werden hierauf so genau wie möglich bei der Bearbeitung eines zweiten Normalteiles, hergestellt aus einem anderen Metall, reproduziert.
Viele Faktoren, unter anderem der Endzustand des Werkzeuges, die sichtbare Beschaffenheit der bearbeiteten Oberfläche des Werkstückes und die Natur der während der Bearbeitung erzeugten Metallspäne, werden dann bezüglich dem Bezugsmetall eingeschätzt. Diese Faktoren werden dann abgewogen und nach einer empirischen Formel zu einer zusammengesetzten Zahl als Angabe für die Bearbeitbarkeit des zweiten Metalles bezüglich zum Bezugsmetall kombiniert. Es ist nicht möglich, diese Bearbeitbarkeitsindexzahl für irgend eine Metallzusammensetzung auch nur annähernd vorauszusagen.
Versuche haben nun ergeben, dass gewisse physikalische Eigenschaften eines Metalles, insbesondere seine Bearbeitbarkeit, verändert werden können, indem das Metall von einer hohen Temperatur nahe bis zur Raumtemperatur abgekühlt wird, während das Metall einem Hochspannungs-Gleichstrompotential ausgesetzt wird, ohne dass ein merklicher Stromdurchgang durch das Metall stattfindet.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Verändern physikalischer Eigenschaften, insbesondere der Bearbeitbarkeit, eines Metallteiles, dadurch gekennzeichnet, dass man das Teil auf eine gegenüber der Raumtemperatur erhöhte Temperatur erhitzt, dass man das Teil dann von dieser erhöhten Temperatur auf eine niedrigere Temperatur abkühlt und dass man wenigstens während des Anfanges der Abkühlung eine elektrostatische Ladung konstanter Polarität auf das Teil aufdrückt, wobei die Grösse der Ladung derart gewählt wird, dass sie nicht ausreicht, um in dem Teil einen merklichen Stromfluss zu erzeugen.
Die ebenfalls erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch zwei im Abstand voneinander befindliche Elektroden, Mittel zum Halten des Metallteiles an einer der Elektroden in einem Abstand von der anderen Elektrode, Mittel zum Erhitzen des Teiles auf eine gegenüber der Raumtemperatur erhöhte Temperatur, Mittel zum Abkühlen des Teiles von dieser erhöhten Temperatur auf eine niedrigere Temperatur und einstellbare, während der Abkühlung des Teiles betätigbare Mittel zum Anlegen einer Gleichspannung konstanter Polarität und von solcher Höhe an die Elektroden, welche nicht genügt, um einen Lichtbogen zwischen dem Metallteil und der anderen Elektrode zu erzeugen.
Die auf das Metallteil aufgedrückte Ladung kann negativ oder positiv sein. Wenn die aufgedrückte Ladung negativ ist, dann können in den meisten Fällen ähnliche Vorteile wie bei einem Weichglühen oder Anlassen erzielt werden, indem die Duktilitäts- und Schmiedbarkeitseigenschaften verbessert werden können. Wenn die aufgedrückte Ladung positiv ist, dann kann in den meisten Fällen das Material gehärtet werden, mit einer entsprechenden Herabsetzung von Duktilität und Schmiedbarkeit.
Anhand der Zeichnung werden nachstehend Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens und der ebenfalls erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung.
In der nachstehenden Beschreibung bezeichnet der Ausdruck Durchweichungs-Potential das Potential, dem ein Metallteil während der Abkühlung von einer höheren auf eine niedrigere Temperatur ausgesetzt wird.
Dieses Potential soll allein keine merkliche Erwärmung des Metallteiles bewirken. Das Wort Durchweichung im Ausdruck Durchweichungs-Potential hat also keine Beziehung zu der Technik der Durchweichung eines Metallbarrens oder dergl. in einem Ofen während einer gewünschten Zeit, in Übereinstimmung mit üblichen Wärmebehandlungsverfahren, welche im wesentlichen von ausschliesslich thermodynamischen Behandlungen eines Metalls abhängig sind.
Der Ausdruck Lichtbogen bezeichnet, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, eine elektrische Entladung durch oder in einem gasförmigen Medium, die einen durch visuelle Beobachtung erkennbaren Effekt erzeugt und die eine Koronaentladung oder auch eine leuchtende Entladung von der Art eines Blitzes oder des Bogens in einer Bogenlampe sein kann.
Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung 10 zum Behandeln eines Metallteiles besitzt eine Behandlungskammer 11, die vom Innenraum einer auf einer Grundplatte 13 montierten Vakuumglocke 12 gebildet wird.
Eine Evakuierungsleitung 14 verbindet die Kammer 11 durch die Grundplatte 13 hindurch und über ein Steuerventil 16 mit einer Vakuumpumpe 15. Die Vakuumpumpe ist vorzugsweise eine handelsübliche Pumpe und wird daher hier nicht näher beschrieben. Zwei Elektroden 17 und 18 sind in der Kammer 11 in einem Abstand voneinander angeordnet, so dass zwischen ihnen ein
Luftspalt G vorhanden ist. Die Elektroden sind auf der
Grundplatte 13 mittels geeeigneter Vakuumdichtungen 19 montiert, welche eine axiale Verschiebung und eine
Drehbewegung der Elektroden bezüglich der Grundplatte gestatten.
Die Vorrichtung enthält Mittel zum Anlegen einer hohen Gleichspannung gewählter Polarität an die Elek troden. Es ist eine einstellbare Gleichspannungsquelle 20 vorgesehen, welche einen Regeltransformator 21, z.B.
einen Variac -Transformator, enthält, der an zwei
Klemmen 22 angeschlossen ist, denen eine Wechselspan nung zugeführt werden kann. Der Ausgang des Transfor mators 21 ist mit einer Primärwicklung 23 eines Trans formators 24 verbunden, der eine Sekundärwicklung 25 mit mehreren Anzapfungen aufweist. Diese Anzapfungen umfassen eine geerdete Mittelanzapfung 26 und zwei Sätze von Ausgangsanzapfungen 27. Jeder der beiden Sätze von Ausgangsanzapfungen 27 ist mit einem zugehörigen Teil eines Spannungswählschalters 28 verbunden, dessen bewegliche Kontaktelemente mit je einem von zwei gekuppelten, einpoligen Polaritätswählschaltem mit zwei Stellungen verbunden sind. Das bewegliche Kontaktelement jedes dieser beiden Polaritätswählschalter verbindet den Ausgang des Transformators mit jeweils einem von zwei entgegengesetzt geschalteten Gleichrichtern 30.
Die Gleichrichter sind gemeinsam über einen Schalter 32 mit der Elektrode 18 verbunden. Der Schalter 32 gestattet das Einschalten oder Umgehen eines einstellbaren, stromempfindlichen Unterbrechers 60. Die Elektrode 17 ist geerdet. Die Gleichspannungsquelle liefert also eine vollweggleichgerichtete Spannung, deren Grösse mittels des Schalters 28 in verschiedenen Bereichen und mittels des Transformators 21 innerhalb jedes Bereiches gewählt werden kann und deren Polarität mittels der Schalter 29 einstellbar ist. Ein Voltmeter 21 ist an die Elektroden 17 und 18 angeschlossen.
Die Vorrichtung enthält ferner Mittel zum Bewegen der Elektroden in bezug aufeinander, um die Grösse des Luftspaltes G zu verändern. Zu diesem Zweck bildet das obere Ende der Elektrode 18 einen horizontalen Auslegerteil 33. Ein angetriebenes Zahnrad 34 ist mit dem unteren Ende der Elektrode 18 unterhalb der Grundplatte 13 verbunden. Ein Antriebszahnrad 35 steht mit dem angetriebenen Zahnrad 34 in Eingriff und kann mittels einer Kurbel 36 gedreht werden, um die Elektrode 18 zu drehen. Das angetriebene Zahnrad 34 ist in Richtung der Achse der Elektrode 18 langgestreckt, so dass die Elektrode axial verschoben werden kann, ohne die Antriebsverbindung mit dem Zahnrad 35 zu unterbrechen.
Ein Werkstückhalter 37, der vorzugsweise aus Graphit hergestellt ist und dazu dient, ein Metallteil 38 zu halten, ist am oberen Ende der Elektrode 17 angeordnet und mit dieser elektrisch leitend verbunden.
Es wurde festgestellt, dass während der Durchführung der Metallbehandlung die vom Werkstück im Abstand gehaltene Elektrode in umgekehrter Weise wie das Werkstück behandelt und verändert wird. Es wurde auch gefunden, dass diese Behandlung der Elektrode 18 eine Verringerung der Wirksamkeit des Behandlungsverfahrens zur Folge hat. Wenn zum Beispiel die beschriebene Vorrichtung zum Ausglühen einer Reihe von Werkstükken verwendet wird, wird festgestellt, dass jedes Werk stück in etwas geringerem Masse ausgeglüht wird als das jeweils vorangehende Werkstück, auch wenn die Temperaturen, Spannungen und Zeitdauern der Behandlungen der verschiedenen Werkstücke genau gleich sind.
Die Wirksamkeit des Behandlungsverfahrens kann dadurch auf einer annähernd konstanten Höhe gehalten werden, dass die Elektrode 18 periodisch ersetzt oder erneuert wird. Stattdessen kann auch die Elektrode so ausgebildet werden, dass sie während der Zeit, in welcher ein Heiz-Lichtbogen aufrechterhalten wird, verbraucht wird. Im letzteren Fall kann die Elektrode 18 zum Beispiel ein Graphit- oder Kupferstab sein, und es können Mittel vorgesehen sein, um die Elektrode entsprechend ihrem Abbrand langsam vorzuschieben, so dass der Luftspalt G konstant bleibt. Wie in der Zeich nung dargestellt, wird die Elektrode 18 deshalb vorzugs weise in der Form einer Spule 40 aus Kupferstab vorgesehen. Der Stab wird von der Spule 40 durch eine
Elektrodenvorschubeinrichtung 41 und dann zwischen zwei Führungsblöcke 42 geführt.
Die Führungsblöcke leiten den Elektrodenstab in eine hohle Elektrodenhülse 43, welche durch eine der Dichtungen 19 hindurchgeführt ist und welche an ihrem unteren Ende das Zahnrad 34 trägt. Die Hülse 43 besitzt an ihrem oberen Ende innerhalb der Kammer 11 einen abgebogenen Teil 44, um den horizontalen Auslegerteil 33 der Elektrode 18 zu bilden. Die Elektrodenvorschubeinrichtung 41 fördert den Elektrodenstab langsam in die Hülse 43, wenn zwischen dem Metallteil und der Elektrode 18 ein Lichtbogen besteht, so dass der Luftspalt G konstant bleibt. Da das Ende des Elektrodenstabes verbraucht wird, bleibt die Wirksamkeit des Behandlungsverfahrens konstant.
Das Voltmeter 31 ist mit der Elextrode 18 über die Hülse 43 elektrisch verbunden, während die Verbindung des Zahnrades 34 mit der Hülse 43 nichtleitend ausgebildet ist.
Die beschriebene Vorrichtung ist lediglich ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung des Metall Behandlungsverfahrens. Es ist klar, dass auch andere Gleichspannungsquellen und andere Mittel zum Bewegen der Elektroden relativ zueinander verwendet werden könnten. Die Vakuumkammer ist nicht in allen Fällen erforderlich. Die Parameter, welche bei der Festlegung, ob eine Vakuumkammer zu verwenden ist, berücksichtigt werden sollten, werden nachstehend noch erläutert.
Die dargestellte Vorrichtung 10 enthält, um eine wirksame Durchführung der Metallbehandlung zu ermöglichen, auch ein Mittel zum Erhitzen eines auf dem Halter 37 angeordneten Metallteiles auf eine gewünschte Temperatur. Zu diesem Zweck sind mehrere Gasdüsen 46 oberhalb des Halters 37 so angeordnet, dass Flammen gegen das Metallteil auf dem Halter 37 gerichtet werden können. Die Düsen sind mit einer ausserhalb der Kammer 11 angeordneten Brennstoffquelle 47 über eine Leitung 48 und ein Ventil 49 verbunden. Die beschriebene Heizeinrichtung mit Gasdüsen ist nur als Beispiel angeführt; es ist klar, dass auch andere Heizeinrichtungen, z.B. eine elektrische Induktionsheizung, verwendet werden können. Eine Sauerstoffquelle 50 ist ausserhalb der Kammer 11 angeordnet, und Sauerstoff aus dieser Quelle kann in die Kammer über eine Leitung 51 und ein Ventil 52 eingeführt werden.
Bei manchen Durchführungsarten der Metallbehandlung kann es erwünscht sein, das zu behandelnde Metallteil unter einer speziellen Atmosphäre zu halten. Entsprechend ist ausserhalb der Kammer 11 eine Zusatzquelle 53 angeordnet, die mit der Kammer über eine Leitung 54 und ein Ventil 55 verbunden ist.
Ein Druckmesser 56 ist mit der Kammer 11 verbunden, um den in der Kammer herrschenden Druck jederzeit überwachen zu können.
Einer in der Kammer 11 angeordneten Kühlschlange 57 kann ein Kühlmittel von einem ausserhalb der Kammer liegenden Kühler 58 zugeführt werden.
Es ist erwünscht, dass in einem Metallteil während der Behandlung und während ein Durchweichungs - Potential an ihm liegt kein wesentlicher, d.h. praktisch kein messbarer, Strom fliesst. Gewünschtenfalls kann mittels des Schalters 32 der stromempfindliche Unterbrecher 60 in den Stromkreis eingeschaltet werden. Dieser Unterbrecher dient dazu, das an ein Metallteil angelegte aDurchweichungs -Potential abzuschalten, wenn ein über einer vorgewählten Höhe liegender Strom durch den Unterbrecher fliesst. Auf diese Weise kann die richtige Durchführung der Metallbehandlung gewährleistet werden.
Die Metallbehandlung umfasst grundsätzlich das Erhitzen eines Metallteiles auf eine hohe Temperatur, das Abkühlen des Metallteiles auf eine niedrigere Temperatur, vorzugsweise eine Temperatur in der Nähe der Zimmertemperatur, und das Anlegen einer hohen elektrischen Spannung vorgewählter Grösse und Polarität an das Metallteil während des Abkühlens. Das Ausmass der anfänglichen Erhitzung, die Geschwindigkeit des Abkühlens und die Grösse der angelegten Spannung sind Parameter, welche einen bedeutenden Einfluss auf die Art der durch die Behandlung bewirkten Veränderung gewisser physikalischer Eigenschaften des behandelten Teiles haben. Zusätzliche Faktoren, welche ebenfalls einen gewissen Einfluss haben, sind die Art der verwendeten Heizeinrichtung, der in der Umgebung des Metallteiles während der Behandlung herrschende Gasdruck und die Art der Atmosphäre in der Umgebung des Teiles.
Es wurde jedoch festgestellt, dass von allen Variablen die Polarität der angelegten Spannung den grössten Einfluss auf die durch die Behandlung erzielten Resultate hat.
Wenn der zu behandelnde Teil negativ aufgeladen wird, dann ergibt die Behandlung in der Regel ein ähnliches Resultat wie ein Ausglühen, d.h. es werden die Duktilität und Schmiedbarkeit, besonders aber die Bearbeitbarkeit, des Metallteiles verbessert. Umgekehrt werden in der Regel bei während des Abkühlens positiv geladenem Metallteil (d.h. wenn das Teil in bezug auf eine benachbarte Elektrode einen Mangel an Elektronen aufweist) die Duktilität, die Schmiedbarkeit und die Bearbeitbarkeit des Teiles herabgesetzt. Diese Veränderungen der Eigenschaften des Metallteiles erfolgen ohne wesentliche Erniedrigung der Zugfestigkeit des Metalls; in manchen Fällen wird die Zugfestigkeit des Teiles erhöht.
Wenn beispielsweise ein Titanteil behandelt werden soll um seine Bearbeitbarkeit zu verbessern, dann wird das Teil in der Kammer 11 auf eine hohe Temperatur erhitzt, die unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls.
aber in der Nähe desselben liegt. Sobald das Teil die gewünschte Temperatur erreicht hat, wird die Schaltung 20 in Betrieb gesetzt, um an die Elektroden 17 und 18 eine hohe Gleichspannung anzulegen, und diese Spannung wird unter Bedingungen, welche keine Gasentladung zwischen den Elektroden ergeben, aufrechterhalten, während das Teil ungefähr auf Zimmertemperatur abgekühlt wird, so dass dabei kein wesentlicher Strom durch das Teil fliesst. Die Gleichspannung wird so angelegt, dass das Titanteil in bezug auf die Elektrode 18 negativ ist. Vorzugsweise beträgt die an die Elektroden angelegte Spannung mindestens etwa 2500 Volt; je höher die angelegte Spannung ist, desto grösser ist die erwünschte Wirkung und desto rascher kann das Metallteil von seiner anfänglichen hohen Temperatur abgekühlt werden.
Im einzelnen wird vorzugsweise so vorgegangen, dass ein Metallteil, beispielsweise ein Titanteil, auf dem Halter 37 derart angebracht wird, dass ein Luftspalt G ge wünschter Grösse zwischen dem Ende des Auslegerteils 33 der Elektrode 18 und dem diesem Auslegerende nächsten Punkt des Metallteiles entsteht. Die Vakuumglocke 12 wird dann über die Elektroden gestülpt, und die Vakuumpumpe 15 wird eingeschaltet, um die Kammer 11 bis auf einen gewünschten Unterdruck zu evakuieren. Nachdem der gewünschte Unterdruck erreicht ist, wird die Schaltung 20 in Betrieb gesetzt, und zwar so, dass das Metallteil gegenüber der Elektrode 18 negativ ist und dass zwischen den Elektroden eine Gasentladung, insbesondere ein Lichtbogen, entsteht. Mittels des Lichtbogens wird das Metallteil auf eine Temperatur wenig unterhalb seinem Schmelzpunkt erhitzt.
Während des Brennens des Lichtbogens wird die Vorschubeinrichtung für die Elektrode 18 so betätigt, dass der Abbrand der Elektrode 18 keine Vergrösserung des Luftspaltes G zur Folge hat.
Der Lichtbogen wird im Luftspalt aufrechterhalten, bis das Metallteil eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat. Wenn das Verfahren bei sehr niedrigem Druck durchgeführt wird, dann erscheint die Gasentladung als Koronaentladung um das zu behandelnde Teil. Sobald die gewünschte Temperatur erreicht ist, wird die Gasentladung gelöscht, entweder durch Drehen der Elektrode 18, um den Luftspalt auf einen Wert zu vergrössern, bei dem die Entladung nicht bestehen kann, oder durch Herabsetzen der an den Elektroden liegenden Spannung oder durch Erhöhen des Luftdruckes in der Kammer 11 oder durch eine Kombination dieser Massnahmen. Der Polaritätsumkehrschalter 29 muss in diesem Fall nicht betätigt werden. Der Schalter 28 und der Transformator 21 werden dann so eingestellt, dass ein gewünschtes Durchweichungs -Potential an den Elektroden liegt.
Der Schalter 32 wird betätigt, um den Unterbrecher 60 in den Stromkreis einzuschalten. Der Luftspalt G wird so eingestellt, dass zwischen der Elektrode 18 und dem Metallteil keine Gasentladung entsteht. Da keine Gasentladung auftritt, fliesst praktisch kein Strom durch das Metallteil. Dann wird das Teil bis ungefähr auf Zimmertemperatur abgekühlt, wobei es auf das negative Durch weichungs) > -Potential aufgeladen gehalten bleibt. Das Potential des Metallteiles während des Abkühlens kann kleiner sein als das zum Erhitzen angelegte Potential; es ist aber aus den schon erwähnten Gründen vorzuziehen, das Durchweichungs -lCotential höher als das Heizpotential zu wählen. Das behandelte Titanteil hat im Vergleich zu einem unbehandelten Teil eine beträchtlich verbesserte Bearbeitbarkeit.
Das beschriebene Verfahren kann z.B. in einfacher Weise so durchgeführt werden, dass man während des Bestehens des Heiz-Lichtbogens die Grösse des Luftspaltes G feststellt und gleichzeitig am Voltmeter 31 die während der Lichtbogen-Erhitzung an den Elektroden liegende Spannung abliest. Nachdem das Metallteil die gewünschte Temperatur erreicht hat, kann der Lichtbogen durch Drehen der Elektrode 18 gelöscht werden.
Dann kann die Schaltung 20 so eingestellt werden, dass sie eine Spannung abgibt, welche etwas kleiner ist als die nach Zurückdrehen der Elektrode 18 in ihre frühere stellung zur Erzeugung eines Lichtbogens erforderliche ?Spannung. Für den Fortgang des Behandlungsverfahrens kann man dann einfach die Elektrode 18 in ihre frühere Stellung zurückdrehen. Diese einfache Verfahrensweise kann mit Vorteil angewendet werden, wenn die gewünschte < eDurchweichungs) > -Spannung etwa gleich gross oder wenig kleiner ist als die für das Erhitzen erforderliche Spannung. Wenn die Durchweichungs -Spannung grösser sein soll als die Erhitzungsspannung (Lichtbogenspannung), dann muss für das Abkühlen der Luftspalt vergrössert und/oder der Druck in der Kammer 11 erhöht werden.
Es ist aus Gründen einer guten Wirksamkeit in den meisten Fällen vorzuziehen, eine Gasentladung zum Erhitzen des Metallteiles zu verwenden, wenn es er wünscht ist, die ganze Oberfläche eines Metallteils zu behandeln, oder eine Behandlung durchzuführen, welche sich auf das ganze Volumen oder einen wesentlichen Teil des Volumens des Metallteiles erstreckt, dann wird vorzugsweise die Gasentladungserhitzung bei reduziertem Druck durchgeführt, so dass die Gas entladung die Form einer Koronaentladung annimmt, welche das Metallteil einhüllt. Je niedriger der Druck in der Kammer 11 ist, desto vollständiger umhüllt die Koronaentladung das Metallteil. Das Ausmass der Erhitzung des Metallteiles durch die Gasentladung kann daher durch Regulieren des Druckes in der Umgebung des Teiles gesteuert werden.
Wenn das zu behandelnde Metallteil nicht aus hitzebeständigem Metall besteht, könnte es durch die Anwendung der Lichtbogen-Erhitzung beschädigt werden. In solchen Fällen ist die Verwendung der Gasdüsen 46 vorzuziehen.
Es wurde festgestellt, dass die Anwesenheit gewisser Gase in der Umgebung der Metallteile während der Behandlung günstige Wirkungen ergibt. Wenn zum Beispiel während der vorstehend beschriebenen Behandlung von Titan zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit eine acetylenreiche Atmosphäre in der Kammer 11 vorhanden ist, dann werden die Duktilität und die Bearbeitbarkeit des behandelten Teiles besser, als es ohne die Anwesenheit einer solchen Atmosphäre der Fall wäre. Die Anwesenheit einer sauerstoffreichen Atmosphäre ergibt eine entgegengesetzte Wirkung.
Es wurde ferner festgestellt, dass die Reinheit der während des Abkühlens an die Elektroden angelegten Gleichspannung eine gewisse Wirkung hat. Eine vollweggleichgerichtete Gleichspannung ist einer halbweg-gleichgerichteten vorzuziehen.
Aus dem Vorangehenden kann geschlossen werden, dass die durch die beschriebene Behandlung erzeugten Wirkungen reversibel sind. Es ist daher möglich, ein Metallteil vor der Herstellung eines gewünschten Produktes aus dem Metall in der beschriebenen Weise zu behandeln, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern, und dann das Produkt umgekehrt zu behandeln, um seine Härte zu erhöhen.
Gewisse hitzebeständige Metalle können nur durch Anwendung der Pulvermetallurgie zu Stäben und Barren geformt werden. Ein solches hitzebeständiges Metall ist z.B. Wolfram. Wolframteile sind bekanntlich sehr schwer zu bearbeiten, weil sie oft während der Bearbeitung brechen. Das beschriebene Verfahren ist besonders nützlich zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit von Wolfram.
Es wurde z. B. ein durch Pulvermetallurgie hergestellter Wolframstab von 38 mm Länge und 6 mm Durch- messer in der beschriebenen Weise behandelt, indem das Teil von einer Temperatur von etwa 1100 bis 14000C abgekühlt wurde, während es auf ein negatives Potential von 2000 bis 2500 Volt aufgeladen war. Dieses Durch- weichungs -Potential wurde während etwa 5 Minuten aufrechterhalten. Das Teil wurde anfänglich durch einen Lichtbogen erhitzt, wobei die Lichtbogenspannung etwa 2500 Volt betrug und das Teil positiv geladen war. Nach der thermo-elektrostatischen Behandlung wurde ein 6 mm langer Abschnitt des behandelten Stabes auf eine Temperatur von etwa 5400C erhitzt und für die Deformationsprüfung in eine Presse gebracht.
Es wurde gefunden, dass der 6 mm lange Abschnitt des Stabes einer Deformation von 65% unterworfen werden konnte, ohne dass Risse oder andere nachteilige Wirkungen entstanden. Vor der beschriebenen Behandlung konnte ein 6 mm langer Abschnitt eines Stabes von 6 mm Durchmesser bei 1 6500C nur um etwa 40% deformiert werden, bevor sich Risse bildeten. Der Rest des behandelten Stabes wurde dann auf 540CC erhitzt und in eine Gewindewalzeinrichtung gebracht, in der ein Gewinde auf den Stab gewalzt wurde. Vor der Anwendung der beschriebenen Ausglühbehandlung konnten auf einen Wolfram stab keine Gewinde bei irgend einer Temperatur gewalzt werden, ohne dass im Material Risse entstanden.
Die allgemeine Regel in bezug auf die Polarität des Durchweichungs > )-Potentials ist die, dass die Bearbeitbarkeit eines Teiles verbessert und seine Härte herabgesetzt wird. wenn das in Behandlung stehende Teil während dem Abkühlen von einer hohen Temperatur durch das Durchweichungs -Potential negativ aufgeladen ist. Von dieser Regel wurde bisher eine einzige Ausnahme gefunden, nämlich die unter der Bezeichnung oRene 4 . bekannte, von der General Electric Company hergestellte Legierung.
Es wurde festgestellt, dass durch eine Behandlung dieser Legierung in einer Weise, die ein Titanteil weicher werden liesse, die Härte der Legierung von Rockwell C19 auf Rockwell C34 erhöht wird, wobei jedoch die Bearbeitbarkeit der Legierung in Übereinstimmung mit der allgemeinen Regel verbessert wird.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zum Verändern physikalischer Eigenschaften, insbesondere der Bearbeitbarkeit, eines Metallteiles.
dadurch gekennzeichnet, dass man das Teil auf eine gegenüber der Raumtemperatur erhöhte Temperatur erhitzt, dass man das Teil dann von dieser erhöhten Temperatur auf eine niedrigere Temperatur abkühlt und dass man wenigstens während des Anfanges der Abkühlung eine elektrostatische Ladung konstanter Polarität auf das Teil aufdrückt, wobei die Grösse der Ladung derart gewählt wird, dass sie nicht ausreicht, um in dem Teil einen merklichen Strorufluss zu erzeugen.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Temperatur nahe beim Schmelzpunkt des Metalls, jedoch unter diesem Schmelzpunkt liegt.
2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man das Teil während des Abkühlens einer von Luft verschiedenen Atmosphäre aussetzt.
3. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil aus Titan besteht, dass die Ladung negativ ist und dass die Atmosphäre Acetylen enthält.
4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen bei einem gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierten Druck durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man das erhitzte Teil auf der einen Elektrode eines Paares von im Abstand voneinander befindlichen Elektroden anordnet und während der Ab klihlung eine Gleichspannung an die Elektroden anlegt, wobei die andere Elektrode von dem Teil, abhängig von der Höhe der angelegten Gleichspannung und der Art des Mediums zwischen der anderen Elektrode und dem Teil. in genügendem Abstand angebracht wird, um die Entstehung eines Lichtbogens zwischen dieser anderen Elektrode und dem Teil zu verhindern.
6. Verfahren nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet. dass die Erhitzung durch Anlegen einer genügend hohen Gleichspannung an die Elektroden erfolgt, um eine Bogenentladung zwischen der genannten anderen Elektrode und dem Teil zu erzeugen.
7. Verfahren nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen bei Atmosphärendruck durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet. dass der Lichtbogen als Koronaentladung, die das Teil mindestens teilweise einschliesst, in Erscheinung tritt.
PATENTANSPRUCH II
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch zwei im Abstand voneinander befindliche Elektroden, Mittel zum Halten des Metallteiles an einer der Elektroden in einem Abstand von der anderen Elektrode, Mittel zum Erhitzen des Teiles auf eine gegenüber der Raumtemperatur erhöhte Temperatur, Mittel zum Abkühlen des Teiles von dieser erhöhten Temperatur auf eine niedrigere Temperatur und einstellbare, während der Abkühlung des Teiles betätigbare Mittel zum Anlegen einer Gleich Spannung konstanter Polarität und von solcher Höhe an die Elektroden, welche nicht genügt, um einen Lichtbogen zwischen dem Metallteil und der anderen Elektrode zu erzeugen.
UNTERANSPRÜCHE
9. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet. dass die Mittel zum Erhitzen des Teiles Mittel enthalten. welche betätigbar sind zum Anlegen einer Gleichspannung genügender Höhe an die Elektroden zur Erzeugung eines Lichtbogens zwischen dem Teil und der anderen Elektrode.
10. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet. dass dieselbe Mittel, welche eine Kammer begrenzen, aufweist, wobei die Elektroden in der Kammer angeordnet sind, und Mittel zur Erzeugung eines Unterdruckes in der Kammer vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet. dass dieselbe Mittel zum Einführen eines von Luft verschiedenen Gases in die Kammer aufweist.
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.
Method for changing physical properties, in particular the machinability, of a metal part and device for performing the method
Many metals, particularly refractory metals such as chromium, columbium, tantalum, molybdenum, tungsten, and alloys of the same with other metals, are currently difficult to machine by conventional methods.
Superalloys and other metals such as titanium and beryllium are also difficult to machine. If it is not extremely pure, e.g. Titanium can be a very expensive material to machine compared to mild steel. If titanium is currently to be machined on a lathe or a milling machine, it is necessary to use very hard tools, such as tools set with diamond or carbides, and to provide relatively low cutting speeds. It is also necessary to use small depths of cut with each pass. Even if these conditions are met, the wear on the cutting tools is very high. As a result, machining titanium and many other refractory metals is an expensive and time consuming process.
If the above conditions are not met, the wear is even more extreme and the degree of fineness of the machining on the workpiece is reduced: in many cases, as with titanium, the surface of the workpiece becomes scaly and rough; in other cases, e.g. with tungsten, the workpiece can break.
Little is known about why one metal is more machinable than another. It is believed that the machinability of a metal depends on the crystal structure of the same; but there are certain notable exceptions to this theory.
It is now common practice to determine the machinability of a given metal by comparative empirical methods. A standard metal part, made from a reference metal, is machined under conditions in which the type, shape and condition of a reference tool are known and in which the feed between workpiece and tool and the incision of the tool into the workpiece are known. The same conditions are then reproduced as precisely as possible when machining a second standard part made from a different metal.
Many factors, including the final condition of the tool, the visible nature of the machined surface of the workpiece, and the nature of the metal chips generated during machining, are then assessed with respect to the reference metal. These factors are then weighed and combined according to an empirical formula to form a composite number as an indication of the machinability of the second metal in relation to the reference metal. It is not possible to even approximately predict this machinability index number for any metal composition.
Experiments have now shown that certain physical properties of a metal, in particular its machinability, can be changed by cooling the metal from a high temperature close to room temperature, while the metal is exposed to a high-voltage direct current potential without a noticeable current passage through it the metal takes place.
The invention therefore relates to a method for changing physical properties, in particular the machinability, of a metal part, characterized in that the part is heated to a temperature that is higher than room temperature, that the part is then cooled from this increased temperature to a lower temperature and that at least during the beginning of the cooling, an electrostatic charge of constant polarity is imposed on the part, the size of the charge being chosen such that it is not sufficient to generate a noticeable current flow in the part.
The device according to the invention for carrying out this method is characterized by two electrodes located at a distance from one another, means for holding the metal part on one of the electrodes at a distance from the other electrode, means for heating the part to a temperature higher than room temperature, means for Cooling of the part from this elevated temperature to a lower temperature and adjustable means, which can be actuated during the cooling of the part, for applying a direct voltage of constant polarity and of such a level to the electrodes that is not sufficient to cause an arc between the metal part and the other electrode produce.
The charge imposed on the metal part can be negative or positive. When the imposed charge is negative, in most cases, advantages similar to those of soft annealing or tempering can be obtained in that ductility and forgeability properties can be improved. If the imposed charge is positive, then in most cases the material can be hardened with a corresponding reduction in ductility and forgeability.
With the aid of the drawing, exemplary embodiments of the method according to the invention and the device according to the invention for carrying out the method are explained in more detail below. The drawing shows schematically an embodiment of the device.
In the following description, the term soaking potential refers to the potential to which a metal part is exposed during cooling from a higher to a lower temperature.
This potential alone should not cause any noticeable heating of the metal part. The word soaking in the expression soaking potential has no relation to the technique of soaking a metal ingot or the like in a furnace for a desired time, in accordance with conventional heat treatment processes which are essentially dependent on exclusively thermodynamic treatments of a metal.
Unless expressly stated otherwise, the term arc denotes an electrical discharge through or in a gaseous medium which produces an effect that can be recognized by visual observation and which produces a corona discharge or a luminous discharge of the type of lightning or an arc in a Arc lamp can be.
The device 10 shown in the drawing for treating a metal part has a treatment chamber 11 which is formed by the interior of a vacuum bell jar 12 mounted on a base plate 13.
An evacuation line 14 connects the chamber 11 through the base plate 13 and via a control valve 16 to a vacuum pump 15. The vacuum pump is preferably a commercially available pump and is therefore not described in more detail here. Two electrodes 17 and 18 are arranged in the chamber 11 at a distance from one another, so that between them a
Air gap G is present. The electrodes are on the
Base plate 13 mounted by means of suitable vacuum seals 19, which an axial displacement and a
Allow rotary movement of the electrodes with respect to the base plate.
The device contains means for applying a high DC voltage of selected polarity to the electrodes. An adjustable DC voltage source 20 is provided which comprises a regulating transformer 21, e.g.
a Variac transformer, which is connected to two
Terminals 22 is connected to which an alternating voltage can be supplied. The output of the transformer 21 is connected to a primary winding 23 of a transformer 24, which has a secondary winding 25 with several taps. These taps include a grounded center tap 26 and two sets of output taps 27. Each of the two sets of output taps 27 is connected to an associated part of a voltage selector switch 28, the movable contact elements of which are each connected to one of two coupled, single pole polarity selector switches with two positions. The movable contact element of each of these two polarity selection switches connects the output of the transformer to one of two rectifiers 30 connected in opposite directions.
The rectifiers are jointly connected to the electrode 18 via a switch 32. The switch 32 allows an adjustable current sensitive breaker 60 to be turned on or bypassed. The electrode 17 is grounded. The DC voltage source thus supplies a fully rectified voltage, the magnitude of which can be selected in different ranges by means of the switch 28 and within each range by means of the transformer 21 and the polarity of which can be set by means of the switch 29. A voltmeter 21 is connected to the electrodes 17 and 18.
The apparatus also includes means for moving the electrodes with respect to one another in order to vary the size of the air gap G. For this purpose, the upper end of the electrode 18 forms a horizontal cantilever part 33. A driven gear 34 is connected to the lower end of the electrode 18 below the base plate 13. A drive gear 35 meshes with the driven gear 34 and can be rotated by means of a crank 36 to rotate the electrode 18. The driven gear 34 is elongated in the direction of the axis of the electrode 18 so that the electrode can be displaced axially without interrupting the drive connection with the gear 35.
A workpiece holder 37, which is preferably made of graphite and serves to hold a metal part 38, is arranged at the upper end of the electrode 17 and is connected to it in an electrically conductive manner.
It has been found that while the metal treatment is being carried out, the electrode spaced from the workpiece is treated and changed in the reverse manner as the workpiece. It has also been found that this treatment of the electrode 18 results in a reduction in the effectiveness of the treatment process. For example, if the device described is used to anneal a series of workpieces, it is found that each workpiece is annealed to a slightly lesser extent than the previous workpiece, even if the temperatures, stresses and times of the treatments of the various workpieces are exactly the same .
The effectiveness of the treatment method can be kept at an approximately constant level in that the electrode 18 is periodically replaced or renewed. Instead, the electrode can also be designed in such a way that it is consumed during the time in which a heating arc is maintained. In the latter case, the electrode 18 can be a graphite or copper rod, for example, and means can be provided to slowly advance the electrode in accordance with its consumption, so that the air gap G remains constant. As shown in the drawing voltage, the electrode 18 is therefore preferably provided in the form of a coil 40 made of copper rod. The rod is from the coil 40 by a
Electrode feed device 41 and then guided between two guide blocks 42.
The guide blocks guide the electrode rod into a hollow electrode sleeve 43 which is passed through one of the seals 19 and which carries the gear 34 at its lower end. The sleeve 43 has a bent part 44 at its upper end inside the chamber 11 in order to form the horizontal arm part 33 of the electrode 18. The electrode feed device 41 slowly feeds the electrode rod into the sleeve 43 when there is an arc between the metal part and the electrode 18, so that the air gap G remains constant. As the end of the electrode rod is consumed, the effectiveness of the treatment process remains constant.
The voltmeter 31 is electrically connected to the Elextrode 18 via the sleeve 43, while the connection of the gear 34 to the sleeve 43 is non-conductive.
The device described is only an example of a device for carrying out the metal treatment process. It is clear that other DC voltage sources and other means of moving the electrodes relative to one another could also be used. The vacuum chamber is not required in all cases. The parameters that should be considered when determining whether or not to use a vacuum chamber are explained below.
In order to enable the metal treatment to be carried out effectively, the device 10 shown also contains a means for heating a metal part arranged on the holder 37 to a desired temperature. For this purpose, several gas nozzles 46 are arranged above the holder 37 in such a way that flames can be directed against the metal part on the holder 37. The nozzles are connected to a fuel source 47 arranged outside the chamber 11 via a line 48 and a valve 49. The heating device described with gas nozzles is only given as an example; it is clear that other heating devices, e.g. an electric induction heater, can be used. An oxygen source 50 is arranged outside the chamber 11, and oxygen from this source can be introduced into the chamber via a line 51 and a valve 52.
In some ways in which the metal treatment is carried out, it may be desirable to keep the metal part to be treated under a special atmosphere. Correspondingly, an additional source 53 is arranged outside the chamber 11 and is connected to the chamber via a line 54 and a valve 55.
A pressure gauge 56 is connected to the chamber 11 in order to be able to monitor the pressure prevailing in the chamber at any time.
A coolant can be supplied to a cooling coil 57 arranged in the chamber 11 from a cooler 58 located outside the chamber.
It is desirable that a metal part should not have a significant, i.e. practically no measurable current flows. If desired, the current-sensitive interrupter 60 can be switched into the circuit by means of the switch 32. This breaker is used to switch off the soaking potential applied to a metal part when a current above a preselected level flows through the breaker. In this way, the correct implementation of the metal treatment can be ensured.
The metal treatment basically comprises heating a metal part to a high temperature, cooling the metal part to a lower temperature, preferably a temperature close to room temperature, and applying a high electrical voltage of a preselected size and polarity to the metal part during cooling. The extent of the initial heating, the rate of cooling and the magnitude of the voltage applied are parameters which have a significant influence on the nature of the change in certain physical properties of the treated part caused by the treatment. Additional factors that also have a certain influence are the type of heating device used, the gas pressure prevailing in the vicinity of the metal part during the treatment and the type of atmosphere in the vicinity of the part.
However, it was found that of all the variables, the polarity of the applied voltage has the greatest influence on the results achieved by the treatment.
If the part to be treated becomes negatively charged, the treatment usually gives a result similar to that of an annealing, i.e. the ductility and forgeability, but especially the machinability, of the metal part are improved. Conversely, if a metal part is positively charged during cooling (i.e. if the part is deficient in electrons with respect to an adjacent electrode), the ductility, the forgeability and the machinability of the part are reduced. These changes in the properties of the metal part take place without a significant reduction in the tensile strength of the metal; in some cases the tensile strength of the part is increased.
For example, if a titanium part is to be treated in order to improve its machinability, then the part is heated in the chamber 11 to a high temperature which is below the melting point of the metal.
but is close to it. Once the part has reached the desired temperature, the circuit 20 is operated to apply a high DC voltage to the electrodes 17 and 18, and this voltage is maintained under conditions which give no gas discharge between the electrodes, while the part is cooled to room temperature so that no significant current flows through the part. The DC voltage is applied in such a way that the titanium component with respect to the electrode 18 is negative. Preferably the voltage applied to the electrodes is at least about 2500 volts; the higher the applied voltage, the greater the desired effect and the faster the metal part can be cooled from its initial high temperature.
In particular, the procedure is preferably such that a metal part, for example a titanium part, is attached to the holder 37 in such a way that an air gap G of the desired size is created between the end of the cantilever part 33 of the electrode 18 and the point of the metal part closest to this cantilever end. The vacuum bell jar 12 is then placed over the electrodes, and the vacuum pump 15 is switched on in order to evacuate the chamber 11 to a desired negative pressure. After the desired negative pressure has been reached, the circuit 20 is put into operation in such a way that the metal part is negative with respect to the electrode 18 and that a gas discharge, in particular an electric arc, occurs between the electrodes. The metal part is heated to a temperature slightly below its melting point by means of the arc.
While the arc is burning, the feed device for the electrode 18 is actuated in such a way that the burn-off of the electrode 18 does not result in an enlargement of the air gap G.
The arc is maintained in the air gap until the metal part has reached a predetermined temperature. When the process is carried out at very low pressure, the gas discharge appears as a corona discharge around the part to be treated. As soon as the desired temperature is reached, the gas discharge is extinguished, either by rotating the electrode 18 to enlarge the air gap to a value at which the discharge cannot exist, or by reducing the voltage applied to the electrodes or by increasing the air pressure in chamber 11 or by a combination of these measures. The polarity reversal switch 29 does not have to be actuated in this case. The switch 28 and the transformer 21 are then set so that a desired soaking potential is applied to the electrodes.
The switch 32 is operated to place the breaker 60 in the circuit. The air gap G is adjusted so that no gas discharge occurs between the electrode 18 and the metal part. Since there is no gas discharge, practically no current flows through the metal part. The part is then cooled to approximately room temperature, keeping it charged to the negative softening potential. The potential of the metal part during cooling can be less than the potential applied for heating; For the reasons already mentioned, however, it is preferable to select the soaking potential higher than the heating potential. The treated titanium part has a considerably improved machinability compared to an untreated part.
The described method can e.g. can be carried out in a simple manner in such a way that the size of the air gap G is determined while the heating arc is in place and at the same time the voltmeter 31 reads the voltage at the electrodes during arc heating. After the metal part has reached the desired temperature, the arc can be extinguished by rotating the electrode 18.
The circuit 20 can then be set in such a way that it emits a voltage which is somewhat less than the voltage required to generate an arc after the electrode 18 has been rotated back into its previous position. For the continuation of the treatment process, one can then simply turn the electrode 18 back to its previous position. This simple procedure can be used to advantage if the desired <eSoiling)> voltage is approximately the same or a little smaller than the voltage required for heating. If the soaking voltage is to be greater than the heating voltage (arc voltage), the air gap must be enlarged and / or the pressure in the chamber 11 increased for cooling.
It is preferable in most cases, for good efficiency, to use a gas discharge to heat the metal part when it is desired to treat the entire surface of a metal part, or to carry out a treatment which affects the whole volume or a substantial part Part of the volume of the metal part extends, then the gas discharge heating is preferably carried out at reduced pressure, so that the gas discharge takes the form of a corona discharge which envelops the metal part. The lower the pressure in the chamber 11, the more completely the corona discharge envelops the metal part. The extent to which the metal part is heated by the gas discharge can therefore be controlled by regulating the pressure in the vicinity of the part.
If the metal part to be treated is not made of refractory metal, the application of arc heating could damage it. In such cases, it is preferable to use gas nozzles 46.
It has been found that the presence of certain gases in the vicinity of the metal parts gives beneficial effects during treatment. For example, if an acetylene-rich atmosphere is present in the chamber 11 during the above-described treatment of titanium to improve machinability, then the ductility and machinability of the treated part will be better than would be the case without the presence of such an atmosphere. The presence of an oxygen-rich atmosphere has the opposite effect.
It has also been found that the purity of the DC voltage applied to the electrodes during cooling has some effect. A fully rectified DC voltage is preferable to a half-wave rectified one.
From the foregoing it can be concluded that the effects produced by the treatment described are reversible. It is therefore possible to treat a metal part in the manner described, prior to making a desired product from the metal, in order to improve the workability, and then to treat the product in reverse to increase its hardness.
Certain refractory metals can only be formed into bars and bars using powder metallurgy. Such a refractory metal is e.g. Tungsten. As is well known, tungsten parts are very difficult to machine because they often break during machining. The method described is particularly useful for improving the machinability of tungsten.
It was z. B. a tungsten rod made by powder metallurgy of 38 mm length and 6 mm diameter treated in the manner described by the part being cooled from a temperature of about 1100 to 14000C while it was charged to a negative potential of 2000 to 2500 volts . This soaking potential was maintained for about 5 minutes. The part was initially heated by an electric arc, the arc voltage was approximately 2500 volts and the part was positively charged. After the thermo-electrostatic treatment, a 6 mm long section of the treated rod was heated to a temperature of about 5400 ° C. and placed in a press for the deformation test.
It was found that the 6 mm long section of the rod could be subjected to 65% deformation without cracking or other adverse effects. Before the treatment described, a 6 mm long section of a rod 6 mm in diameter could only be deformed by about 40% at 1650 ° C. before cracks formed. The remainder of the treated bar was then heated to 540CC and placed in a thread rolling facility where a thread was rolled onto the bar. Before the use of the annealing treatment described, no threads could be rolled onto a tungsten rod at any temperature without cracking the material.
The general rule about the polarity of soak>) potential is that the machinability of a part is improved and its hardness is decreased. when the part being treated is negatively charged by the soaking potential during cooling from a high temperature. One exception to this rule has so far been found, namely the one called oRene 4. well-known alloy made by the General Electric Company.
It has been found that treating this alloy in a manner to soften a titanium portion increases the hardness of the alloy from Rockwell C19 to Rockwell C34, but improves the machinability of the alloy in accordance with the general rule.
PATENT CLAIM 1
Method for changing physical properties, in particular the machinability, of a metal part.
characterized in that the part is heated to a temperature that is higher than room temperature, that the part is then cooled from this increased temperature to a lower temperature and that at least during the beginning of the cooling, an electrostatic charge of constant polarity is imposed on the part, with the size of the charge is chosen so that it is not sufficient to generate a noticeable current flow in the part.
SUBCLAIMS
1. The method according to claim I, characterized in that the elevated temperature is close to the melting point of the metal, but below this melting point.
2. The method according to claim I, characterized in that the part is exposed to an atmosphere other than air during cooling.
3. The method according to dependent claim 2, characterized in that the part consists of titanium, that the charge is negative and that the atmosphere contains acetylene.
4. The method according to claim I, characterized in that the cooling is carried out at a pressure which is reduced compared to atmospheric pressure.
5. The method according to claim I, characterized in that the heated part is arranged on one electrode of a pair of spaced electrodes and a DC voltage is applied to the electrodes during the cooling down, the other electrode being dependent on the part the amount of DC voltage applied and the type of medium between the other electrode and the part. spaced enough to prevent an arc from occurring between that other electrode and the part.
6. The method according to dependent claim 5, characterized. that the heating takes place by applying a sufficiently high DC voltage to the electrodes to generate an arc discharge between said other electrode and the part.
7. The method according to dependent claim 6, characterized in that the heating is carried out at atmospheric pressure.
8. The method according to dependent claim 6, characterized. that the arc appears as a corona discharge that at least partially encloses the part.
PATENT CLAIM II
Device for performing the method according to claim 1, characterized by two electrodes located at a distance from one another, means for holding the metal part on one of the electrodes at a distance from the other electrode, means for heating the part to a temperature higher than room temperature, means for Cooling of the part from this elevated temperature to a lower temperature and adjustable means, which can be actuated during the cooling of the part, for applying a DC voltage of constant polarity and of such a level to the electrodes that is not sufficient to cause an arc between the metal part and the other electrode to create.
SUBCLAIMS
9. Device according to claim II, characterized. that the means for heating the part contain means. which can be actuated to apply a DC voltage of sufficient magnitude to the electrodes to generate an arc between the part and the other electrode.
10. Device according to claim II, characterized. that the same has means which delimit a chamber, the electrodes being arranged in the chamber, and means for generating a negative pressure are provided in the chamber.
11. Device according to dependent claim 10, characterized. that it has means for introducing a gas other than air into the chamber.
** WARNING ** End of DESC field could overlap beginning of CLMS **.