DD217928A1 - Verfahren zur thermischen oberflaechenbehandlung mit elektronenstrahlen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Oberflaechenbehandlung mit Elektronenstrahlen zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften. Das Ziel ist die Erhoehung der Produktivitaet und die Verbreiterung des Anwendungsspektrums. Die Aufgabe besteht darin, die Erwaermungstiefe zu erhoehen bei Vermeidung ueberhitzungsbedingter Nachteile. Erfindungsgemaess wird der Elektronenstrahl senkrecht zur Hauptrelativbewegungsrichtung nach einer symmetrischen Dreieckfunktion hochfrequent abgelenkt. Sein Einwirkquerschnitt ist dabei in Hauptrelativbewegungsrichtung vorzugsweise groesser als in Ablenkrichtung.

Description

Verfahren zur thermischen Oberflächenbehandlung mit Elektronenstrahlen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur partiellen oberflächenbegrenzten Werkstoffmodifikation durch Elektronenstrahl-· einwirkung. Ihr Anwendungsgebiet erstreckt sich über eine Vielzahl von metallischen Bauteilen, die partiell besonders hohen Beanspruchungen, z· B. bezüglich Verschleiß oder Korrosion, ausgesetzt sind, wie Nockenwellen -und Kipphebel von Verbrennungskraftmaschinen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen- ^:

Es ist bekannt, partiell hochverschleißbeanspruchte Bauteile im Schreckgußverfahren aus Grauguß herzustellen. Durch Verwendung einer gekühlten Gießform wird dabei in oberflächennahen Bereichen eine besonders schnelle Erstarrung und Abkühlung des Gusses erzielt, wobei es in diesen Bereichen zur Ausbildung eines ledeburitischen Gefüges kommt, welches sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit auszeichnet. Das Verfahren ist relativ umständlich und führt zu einer wesentlichen Verteuerung der Erzeugnisse. Es ist ferner bekannt, durch,induktive Erwärmung oberflächenbegrenzte Wärmebehandlungen auszuführen. Die Grenzen des Verfahrens sind durch die relativ geringe Energiestromdichte bei der Energieübertragung und die Notwendigkeit der weitgehenden Anpassung der Energiequelle an die Werkstückgeometrie gegeben.

-3ÄÜG. 1983*107^26

In jüngerer Zeit wurde es versucht, durch oberflächenbegrenzte Erwärmung innerhalb der Schmelztemperatur oder auch über diese· hinaus mittels WlG-Brenner, Laser- oder Elektronenstrahl eine ganze Reihe vorteilhafter YferkstoffVeränderungen auszuführen. Gemeinsame Grundlage dieser,Verfahren ist die durch Verwendung intensiver, punktförmig wirkender Wärmequellen ermöglichte oberflächenbegrenzte Werkstoffaufheizung, die in Verbindung mit der anschließenden wärmeleitungsbedingten extrem schnellen Abkühlung zur Ausbildung besonderer, in technischen Erstarrungsprozessen nicht realisierbarer Gefügestrukturen mit z. T. neuartigen, vorteilhaften Eigenschaften führt· Es ist auch bekannt, bei Ausbildung einer Schmelzphase durch Zulegieren von bestimmten Zusatzwerkstoffen die Palette der erzeugbaren Werkstoffmodifikationen zu erweitern. :

Von diesen Wärmequellen zur oberflächenbegrenzten Werkstoffmodifikation zeichnen sich der Laser- und der Elektronenstrahl durch die übertragbarkeit estrem hoher Leistungsdichten und eine sehr präzise Energielokalisierung auf dem Werkstück aus. Der Elektronenstrahl bietet die zusätzliche Möglichkeit einer trägheitsarmen Steuerung des Strahleinwirkortes. Sollen Oberflächenbereiche erwärmt werden, die über die. Abs'orptionstiefe der Strahlen von einem bis zu einigen 10 /im hinausgehen, so ist dies bei den Verfahren ohne Ausbildung einer Schmelze nur durch Wärmeleitung möglich. Damit sind die Strahlleistung und die Strahleinwirkdauer an die gewünschte Aufwärmtiefe gebunden. Die nachteilige Folge davon ist, daß die verfügbare Strahlleistung bei gleichzeitig hohen'Ansprüchen an die örtliche Energiedosierung nicht in eine entsprechend hohe Verfahrensproduktivität umgesetzt werden kann. Bei Ausbildung einer Schmelze ist zwar die Energieübertragung unter Hutzung, des Tiefschweißeffektes in tiefere Schichten möglich,, die Arbeitsgeschwindigkeit ist aber auch hier durch Überheizung der Schmelze mit ihren nachteiligen Polgen wie Verarmung des Werkstoffs an Legierungsbestandteilen mit hohem Dampfdruck,' Werkstoffverspritzen und -verdampfen auf relativ kleine ?/erte begrenzt. Diese Hachtßile bleiben im wesentlichen auch dann erhalten, wenn durch

programmierte Strahlablenkung die erforderliche Energie in mehreren Teilbeträgen übertragen wird· Bei punkt- oder linienweise programmierter Strahlführung können erhebliche weitere Schwierigkeiten dadurch entstehen, daß bei mit hoher Aufhärtung verbundenen Behandlungen Härterisse entstehen oder beim oberflächlichen Aufschmelzen des Werkstoffs Materialtransport zu unebenen Behandlungsflächen führt·

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, das Verfahren der Oberflächenmodifikation durch Energieübertragung mittels Elektronenstrahlen produktiver zu gestalten und es damit auch für ein breiteres Aufgabenspektrum einsetzbar zu machen.

Darlegung des Wesens der Erfindung .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur partiellen Oberflächenmodifikation mittels Elektronenstrahlen anzugeben, das bei über die Elektronenreichweite wesentlich hinausgehender Erwärmungstiefe den Einsatz eines Elektronenstrahls hoher Leistung mit entsprechend hoher Verfahrenproduktivität ermöglicht und bei erforderlicher Ausbildung einer schmelzflüssigen Phase, die Energieübertragung ohne wesentliche überheizungsbedingte Nachteile zuläßt· Es soll eine hohe Homogenität der beabsichtigten Veränderung der Y/erkstoffparameter im Behandlungsbereich garantiert sein. Weiterhin soll es möglieh sein, das Verfahren ohne oder mit Hinzufügen eines Zusatzwerkstoffes durchzuführen· ·

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Elektronenstrahl im Strahleinwirkort in Hauptrelativbewegungsrichtung vorzugsweise eine größere Ausdehnung als in Ablenkrichtung besitzt und senkrecht zur Hauptrelativbewegungsrichtung nach einer symmetrischen Dreieckfunktion hochfrequent abgelenkt wird. Als Hauptrelativbewegungsrichtung 'ist die Bewegungsrich-

tung zwischen dem Elektronenstrahl und dem Werkstück in Portschreitrichtung des Wärmebehandlungsprozesses zu verstehen·

Zu Beginn der Strahleinwirkung ist es zweckmäßig, zusammen mit dem Strahlstromupslope die Ausdehnung des Einwirkquerschnitts des Elektronenstrahls in Hauptrelativbewegungsrichtung von ihrem Minimalwert ausgehend auf die vorgesehene Größe zu erhöhen und beim downslope des Strahlstromes auf den Minimalwert abzusenken. -.,

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß innerhalb des durch Strahlablenkung überstreichbaren Bearbeitungsfeldes die Bearbeitungsorte mehrerer Werkstücke'angeordnet, werden. Der Behandlungsprozeß erfolgt im kurzzeitigen periodischen Wechsel aufjden im Strahlablenkbereich angeord- . net en Werkstücken,/wobei die Periodendauer eines Strahlablenkzyklus einer Zeitdauer entspricht, innerhalb₍der sich der Energieinhalt des aufgeheizten Volumens nicht wesentlich ändert.

Ausführungsbeispiel

Die zugehörige Zeichnung zeigt in

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Pig. 1: eine perspektivische Ansicht eines Kipphebelausschnittes während der Elektronenstrahleinwirkung

Pig. 2: einen Längsschnitt durch einen Kipphebelausschnitt nach Prozeßdurchführung

Pig. 3: eine Anordnung von zwei einer gleichzeitigen Elektronenstrahlbehandlung unterzogenen Werkstücken·

Der in Pig. 1 dargestellte Ausschnitt eines Kipphebels 1 für die Ventilsteuerung von Verbrennungskraftmaschinen durch eine Nockenwelle besteht aus Grauguß· Auf Grund der hohen Ver-< Schleißbeanspruchung der Pläche 2 durch die nockenwelle wird der

Grauguß durch Elektronenstrahlbehandlung über eine Tiefe von etwa 1 mm in eine verschleißfeste ledeburitische Gefügestruktur gewandelt· Dies erfolgt durch Aufschmelzen des Werkstoffs innerhalb der Fläche 2 über die genannte Gefügeumwandlungstiefe. Der Elektronenstrahl 3 mit seinem stark elliptischen Querschnitt wird so zur Einwirkung gebracht, daß seine große Hauptachse mit der Hauptrelativbewegungsrichtüng 4 zusammenfällt· Gleichzeitig wird der Elektronenstrahl 3 senkrecht zur Hauptrelativbewegungsrichtung hochfrequent nach einer zeitlichen Dreieckfunktion abgelenkt. Die Ablenkamplitude des Elektronenstrahls 3 ist dabei so gewählt, daß die schmelzflüssige Schicht 5 stets von'einem nichtaufgeschmolzenen Rand 6 eingefaßt ist· Die hochfrequente Strahlablenkung und der elliptische Strahleinwirkquerschnitt bewirken eine Herabsetzung der Aufschmelzrate pro Flächeneinheit und eine relativ niedrige Badtemperatur, so daß die an die übliche Arbeitsweise zwangsläufig gebundenen Nachteile vermieden werden«; Die entstehende streifenförmig geschmolzene Schicht 5 mit ihrer stets gegebenen räumlichen Trennung von Schmelzfront 7 und. Erstarrungsfront 8 sowie der daraus resultierenden monotonen Abkühlfunktion des umgeschmolzenen Materials bewirkt im Gegensatz zur punkt- oder linienförmig programmierten Strahlführung eine hohe Oberflächenqualität und mindert wesentlich die Gefahr der Rißbildung· Die geringe Ausdehnung des Strahlquerschnitts in Richtung der hochfrequenten Strahlablenkung gestattet die Beschränkung des unaufgeschmolzenen Randes 6 auf einen Bruchteil der Aufschmelztiefe· Am Beginn und Ende der Behandlungsfläche 2 erfolgt eine an den Strahlstromslope gebundene Führung der Ausdehnung des Strahlquerschnitts in Hauptrelativbewegungsrichtungdes Elektronenstrahls 3·

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Geometrie der umgeschmolzenen Oberflächenschicht 9 zeigt Fig. 2 anhand' eines Längsschnittes durch den Kipphebel 1.

Figur 3 zeigt als weiteres Beispiel die Prozeßführung bei Anordnung von zwei gleichen Werkstücken 10 und 11 innerhalb

eines Strahlablenkfeldes 12, die ebenfalls durch oberflächenbegrenztes Aufschmelzen mit dem Elektronenstrahl 3 zu behandeln sind. Der Elektronenstrahl 3 wird dabei im periodischen Wechsel mit gleichen Zeitanteilen auf beiden Werkstücken 10; zur Einwirkung gebracht. Die Zeitdauer der ununterbrochenen Strahleimvirkung bzw. -Abwesenheit ist dabei ebenfalls so zu begrenzen, daß während dieser Zeiten keine wesentliche Änderung des Energieinhalts, der Schmelze erfolgt. Die in diesem Pail durch Drehbewegung der Werkstücke 10; 11 realisierte Hauptrelativbewegung zum Elektronenstrahl 3 wird dabei entsprechend den Drehrichtungspfeilen gewählt, so daß der Strahlsprung _t zwischen beiden Werkstücken 10;· 11 stets über diejnoch nicht be-y handelte Werkstückoberflache 'führt.. - -

Claims (3)

Srfindungsanspruch

1. Verfahren zur thermischen Oberflächenbehandlung mit Elektronenstrahlen, indem der Elektronenstrahl auf dem Werkstück abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl, dessen Einwirkquerschnitt in Hauptrelativbewegungsrichtung vorzugsweise großer gewählt wird als in Abienkrichtung, senkrecht zur Hauptrelativbewegungsrichtung nach einer symmetrischen Dreieckfunktion hochfrequent abgelenkt wird·

A ' .

2· Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet^ daß die Dehnung des Einwirkquerschnitts des Elektronenstrahles in Hauptrelativbewegungsrichtung mit den Strahlstromslqpes gekoppelt wird.

3· Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl im kurzzeitigen periodischen Wechsel auf mehrere in seinem Ablenkbereich angeordnete Werkstücke abgelenkt wird und die Periodendauer eines Strahlablenkzyklus einer Zeitdauer entspricht, innerhalb der sich der Energiegehalt des aufgeheizten Volumens nicht wesentlich ändert·

, Hierzu 1 Blatt Zeichnungen . .