DD259210B1

DD259210B1 - Verfahren zur thermischen randschichtmodifikation mit energiestrahlen

Info

Publication number: DD259210B1
Application number: DD30102187A
Authority: DD
Inventors: Siegfried Panzer; Siegfried Schiller; Rolf Zenker; Matthias Mueller; Heinz Doehler
Original assignee: Ardenne Forschungsinst
Priority date: 1987-03-23
Filing date: 1987-03-23
Publication date: 1989-11-22
Also published as: DD259210A1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zurthermischen Randschichtmodifikation von Bauteilen mit Energiestrahlen wie Elektronen-, Laser- oder Plasmastrahlen, das in der festen oder flüssigen Phase ausgeführt ist und vorzugsweise der Werkstoffveredelung von Randschichten metallischer Bauteile dient.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, die Eigenschaften von Randschichten von Bauteilen über einen randschichtbegrenzten Kurzzeittemperaturzyklus durch Einwirkung von Energiestrahlen zu modifizieren. Je nach Werkstoff und beabsichtigter Eigenschaftsänderung wird der Randschichtveredelungsprozeß in der festen oder flüssigen Phase ausgeführt. Bei Festphasenprozessen lassen sich Eigenschaftsänderungen durch die bei Umwandlungsvorgängen ablaufenden Struktur- und Gefügeänderungen herbeiführen. Flüssigkeitsphasenprozesse bieten darüber hinaus die Möglichkeit, durch Einbringen von löslichem oder unlöslichem Zusatzwerkstoff die chemische Werkstoffzusammensetzung und damit die Randschichteigenschaften in noch weitaus größerem Maße zu ändern. (WP H01 J/275402; DD-PS 217927, DD-PS 217928) Auf Grund des bei der Werkstoffabkühlung, und bei Festphasenprozessen auch bei der Werkstofferwärmung, allein durch

Wärmeleitung getragenen Energietransportes durchlaufen Werkstoffschichten mit unterschiedlichem Abstand zur Werkstückoberfläche Temperatur-Zeit-Zyklen mit unterschiedlichen Maximaltemperaturen und unterschiedlicher Zeitdauer. Die Folge davon ist, daß sich werkstoff- und prozeßabhängig innerhalb der Randschicht ein Eigenschaftsgradient, zumindest senkrecht zur Werkstückoberfläche, einstellt. Mit zunehmender Dicke der behandelten Randschicht wird es dadurch immer schwieriger, neben den gewünschten Eigenschaften der Randschicht bezüglich einer bis in größere Tiefen wirkenden Beanspruchung, auch gleichzeitig die gewünschten Eigenschaften an der Bauteiloberfläche bezüglich der dort wirkenden Beanspruchungen zu erzielen. So zeigt sich, z.B. bei verschiedenen Stählen, daß mitzunehmender Dicke der energiestrahlgehärteten Randschicht und damit zunehmender Widerstandsfähigkeit gegenüber Flächenpressung der abrasive Verschleißwiderstand an der Oberfläche abnimmt. In anderen Fällen wurde festgestellt, daß mit zunehmender Dicke der behandelten Randschicht die Rißbildungsneigung bei mechanischer Beanspruchung zunimmt, was zum Ausbrechen mikroskopischer Werkstoffteilchen aus der Oberfläche führen kann.

Es ist auch bekannt, einen Wärmebehandlungsprozeß zwei- und mehrstufig auszuführen, indem in mehreren nacheinander folgenden Schritten Energie zugeführt wird. Dabei tritt aber der Mangel ein, daß auf Grund des Temperaturgradienten eine zwingende Folge von Struktur- und Gefügeelementen und damit ein bestimmter Eigenschaftsgradient eingestellt wird, der nicht durch Variationen beeinflußbar ist.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, das qualitative Leistungsvermögen der thermischen Randschichtmodifikation zu erhöhen und ihr dadurch weitere Einsatzbereiche zu erschließen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Randschichtveredelungsverfahren unter Nutzung von Energiestrahlen anzugeben, das es gestattet, die gewünschten Randschichteigenschaften sowohl bezüglich der bis in eine größere Tiefe wirkenden Beanspruchungen als auch der unmittelbar an der Werkstückoberfläche wirkenden Beanspruchungen unabhängig voneinander zu erzeugen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem zweidimensional relativ zum Werkstück ablenkbaren Energiestrahl, vorzugsweise Elektronenstrahl, mit bekannter örtlich-zeitlicher Energieübertragungstechnik, in einem zweistufigen Prozeß dadurch gelöst, daß über die Werkstückfläche fortlaufend der Randschichtveredelungsprozeß derart ausgeführt wird, daß im ersten Verfahrensschritt, der ein Fest- oder Flüssigphasenprozeß sein kann, der Werkstoff durch Energiebeaufschlagung in einer Randschicht größerer Dicke bezüglich der in größerer Tiefe der Randschicht wirkenden Beanspruchung entsprechenden Eigenschaften wie der Werkstoffestigkeit modifiziert wird. Im zweiten Verfahrensschritt, der thermisch vom ersten weitgehend entkoppelt ist, der unabhängig vom ersten Verfahrensschritt ein Fest- oder Flüssigphasenprozeß sein kann, werden die bereits modifizierten Oberflächenbereiche erneut so mit Energie beaufschlagt, daß die Einwirktiefe hierbei kleiner, vorzugsweise sehr viel kleiner ist, als sie beim ersten Verfahrensschritt war, wobei die gewünschten Eigenschaften bezüglich der an der Oberfläche wirkenden Beanspruchung erzeugt werden. Dadurch ist eine voneinander unabhängige Einstellung der Randschichteigenschaften bezüglich bis in größere Tiefen wirkender Beanspruchungen einerseits und nur in Oberflächennähe wirkender Beanspruchungen andererseits möglich. Dies ist z. B. dann wünschenswert, wenn in einer Randschicht erhöhte Festigkeit und an der unmittelbaren Oberfläche erhöhte Verschleiß- oder Korrosionsbeständigkeit gefordert werden. Diese unterschiedlichen Forderungen sind ohne das erfindungsgemäße Verfahren im allgemeinen nicht realisierbar, da mit zunehmender Tiefenwirkung die vorstehend genannten Anforderungen an die Oberfläche immer schlechter erfüllt werden können. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens, insbesondere unter Einsatz von Elektronenstrahlen, besteht darin, daß beide Verfahrensschritte zu einem technologischen Prozeß zusammengefaßt werden, indem sie zeitgleich aber örtlich getrennt in zwei Teilbereichen des Strahlablenkfeldes mit periodisch zwischen beiden Teilbereichen wechselnder Strahleinwirkung ausgeführt werden, wobei die zu modifizierende Werkstückoberfläche nacheinander durch beide Teilbereiche des Strahlablenkfeldes geführt wird. Es sei ausdrücklich vermerkt, daß der zweite Verfahrensschritt sowohl flächendeckend zum ersten als auch mit lateral strukturierter Energiedeponierung ausgeführt werden kann. Es ist auch möglich, für die beiden Verfahrensschritte unterschiedliche Energiestrahlen zu verwenden. So z.B. für den ersten Verfahrensschritt Elektronenstrahlen und den zweiten Laserstrahlen. Besonders im Hinblick auf die Erzeugung extrem feinkristalliner bzw. quasi amorpher Oberflächenschichten kann es auch vorteilhaft sein, zwischen dem ersten und zweiten Verfahrensschritt eine mechanische Oberflächenzwischen- oder Endbearbeitung z.B. durch Schleifen.einzufügen.Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens, z. B. zur Erzeugung einer erhöhten Warmfestigkeit, besteht darin, daß während dem ersten Verfahrensschritt, der als Flüssigphasenprozeß ausgeführt wird, bis zu einer größeren Tiefe aufgeschmolzen wird und dabei ein löslicher Zusatzwerkstoff zugeführt wird, der dann auf die gesamte Tiefe einlegiert. Im zweiten Verfahrensschritt wird bis zu der dabei wesentlich geringeren Tiefe ein Hartstoffpulver zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit eingebettet.

Ausführungsbeispiel In zwei Beispielen und an Hand der zugehörigen Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: einen Ausschnitt eines walzenförmigen Werkstückes in perspektivischer Draufsicht zugeordnet zum Strahlablenkfeld, Fig. 2: einen Ausschnitt eines ebenen Werkstücks in perspektivischer Draufsicht zugeordnet zum Strahlablenkfeld.

Beispiel 1:

Das in Fig. 1 dargestellte Werkstück 1 besteht aus einem härtbaren Eisenwerkstoff. Es ist in einer Randschicht 2 derart zu härten, daß in einer vergleichsweise zur Randschicht 2 dünnen Oberflächenschicht 3 eine möglichst hohe Härte und ein günstiges Verschleißverhalten erzielt werden. Zu diesem Zweck wird das Werkstück 1 μτη seine Symmetrieachse drehend und in axialer Richtung mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, durch das Strahlablenkfeld 4 eines Elektronenstrahls geführt. Das Strahlablenkfeld 4 ist in drei Teilbereiche 4.1.; 4.2. und 4.3. unterteilt. (Das Strahlablenkfeld 4 ist gegenüber der Werkstückoberfläche in Umfangsrichtung stark vergrößert dargestellt.) Der Elektronenstrahl wird nach dem bekannten Prinzip der isothermen Energieübertragung entlang der Spuren 4.1' und 4.3' parallel zur Symmetrieachse periodisch wechselnd in den Teilbereichen 4.1. und 4.3. zur Einwirkung gebracht. Die Gesamtheit der Spuren 4.1.' bzw. 4.3' in den Teilbereichen 4.1. bzw. 4.3. bilden zwei örtlich getrennte Energieübertragungsbereiche 4.1" und 4.3", deren unterschiedliche Ausdehnung in Richtung des Werkstückumfanges durch das Verhältnis der unterschiedlichen Wärmebehandlungstiefen hi und Иг bestimmt ist. Die Dreh- und Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks 1 sind so aufeinander abgestimmt, daß jeder Oberflächenort des Werkstücks 1 je einmal die Energieübertragungsbereiche 4.1 "und 4.3" durchläuft. Der Abstand der Energieübertragungsbereiche 4.1" und 4.3" in Richtung der Symmetrieachse des Werkstücks 1 ist so gewählt, daß die Werkstückoberfläche vor ihrem Eintritt in den Energieübertragungsbereich 4.3" hinreichend abgekühlt ist.

Durch die erneute, sehr kurzzeitige Erwärmung im Energieübertragungsbereich 4.3" wird nach vorangegangener Randschichthärtung nach dem Passieren des Energieübertragungsbereiches 4.1" eine z.T. sehr erhebliche Steigerung der Härte und des Verschleißwiderstandes in der Oberflächenschicht 3 gegenüber der Randschicht 2 erhalten.

Eine für das vorliegende Beispiel vorteilhafte Variante kann darin bestehen, daß der Energieübertragungsbereich 4.3" in axialer Richtung eine Ausdehnung erhält, die ein ganzzahliges Mehrfaches der entsprechenden Ausdehnung des Energieübertragungsbereichs 4.1" beträgt, so daß die Oberflächenschicht 3 eine Mehrfachhärtung erfährt. Das im Beispiel erläuterte Verfahren ist auch dann einsetzbar, wenn die Bauteiloberfläche bei hoher Härte und Festigkeit gleichzeitig eine hohe Zähigkeit aufweisen soll. Das ist einerseits dadurch möglich, daß der im Energieübertragungsbereich 4.1" über die Tiefe h, gehärtete Werkstoff im Energieübertragungsbereich 4.3" bis zu einer Tiefe h₂ :S h,, vorzugsweise h₂ < h, ganzflächig oder lateral strukturiert angelassen wird. Andererseits kann die Energieübertragung im Teilbereich 4.3. so gestaltet werden, daß eine Härtung über die Tiefe h₂ erfolgt, die auf ein noch vorhandenes Endbearbeitungsaufmaß des Werkstücks so abgestimmt ist, daß die zwischen der Oberflächenschicht 3 und dem übrigen Teil der Randschicht 2 entstehende Anlaßzone nach der mechanischen Endbearbeitung die Bauteiloberfläche bildet.

Beispiel 2:

Das in Fig. 2 dargestellte Werkstück 5 besteht aus einer Aluminiumlegierung. Es ist in einer Randschicht 6 durch Einlegieren eines geeigneten Zusatzwerkstoffs eine erhöhte Werkstoffwarmfestigkeit zu erzeugen. In einer zur Randschicht β vergleichsweise dünnen Oberflächenschicht 7 ist ein Hartstoffpulver einzubetten, so daß nach erfolgter mechanischer Endbearbeitung eine Werkstückoberfläche mit erhöhter Verschleißbeständigkeit vorliegt. Zu diesem Zweck wird das Werkstück 5 in Richtung des Pfeiles 8 zeilenweise durch das Strahlablenkfeld 9 geführt. Das Strahlablenkfeld 9 ist wiederum in drei Teilbereiche 9.1,9.2 und 9.3 unterteilt. Der Elektronenstrahl wird nach dem bekannten Prinzip der Hochgeschwindigkeitsablenkung periodisch wechselnd in den Teilbereichen 9.1 und 9.3 entlang der Spuren 9.1' und 9.3' zur Einwirkung gebracht. Es entstehen die beiden linienförmigen Energieübertragungsbereiche 9.1" und 9.3". Die Strahlleistung und die anteiligen Strahleinwirkdauern werden so bemessen, daß der Werkstoff in den beiden Energieübertragungsbereichen 9.1" und 9.3" jeweils über die gewünschten Tiefen h, bzw. h₂ aufgeschmolzen wird. Im Energieübertragungsbereich 9.1" wird ein löslicher Zusatzwerkstoff 10 zugeführt und bis zur Tiefe h, einlegiert. Im Energieübertragungsbereich 9.3" wird Hartstoffpulver 11 bis zur Tiefe h₂ eingebettet. (Das Aufbringen des Pulvers erfolgt über eine nicht dargestellte Dosiereinrichtung.) Die zellenförmige Führung des Werkstücks 5 erfolgt derart, daß jeder Oberflächenort des Werkstücks 5 durch Werkstückverschiebung in Richtung des Pfeiles 12 nacheinander die beiden Energieübertragungsbereiche 9.1" und 9.3" durchläuft.

Natürlich ist es auch möglich, im Teilbereich 9.1 einen Flüssigphasenprozeß und im Teilbereich 9.3 einen Festphasenprozeß auszuführen. Eine derartige Prozeßführung kann u. a. bei ferritischen Gußwerkstoffen oder bei Werkstoffen mit einer unhomogenen Verteilung der Legierungskomponenten vorteilhaft sein.

Claims

1. Verfahren zur thermischen Randschichtmodifikation mit Energiestrahlen, die zweidimensional relativ zum Werkstück ablenkbar sind, unter Anwendung bekannter örtlich-zeitlicher Energieübertragungstechniken in einem zweistufigen Prozeß, dadurch gekennzeichnet, daß über die Werkstückoberfläche fortlaufend der Randschichtveredlungsprozeß derart ausgeführt wird, daß im ersten Verfahrensschritt, der ein Fest- oder Flüssigphasenprozeß ist, eine Energiebeaufschlagung mit Wirkung bis in größere Tiefe durchgeführt wird und im zweiten, vom ersten weitgehend thermisch entkoppelten Verfahrensschritt, der ein Fest- oder Flüssigphasenprozeß ist, die bereits modifizierten Oberflächenbereiche erneut vom Energiestrahi mit Wirkung bis in ein kleinere Tiefe gegenüber der im ersten Verfahrensschritt wirkenden beaufschlagt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Verfahrensschritte in einem technologischen Prozeß ausgeführt werden, indem sie zeitgleich,aber örtlich getrennt in zwei Teilbereichen des Strahlablenkfeldes mit periodisch zwischen beiden Teilbereichen wechselnder Strahleinwirkung ausgeführt werden, wobei die zu modifizierende Werkstückoberfläche nacheinander durch beide Teilbereiche des Strahlablenkfeldes geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Verfahrensschritte mit unterschiedlichen Energiequellen zeitgleich oder zeitlich nacheinander ausgeführt werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verfahrensschritt flächendeckend, partiell oder mit lateral strukturierter Energiedeponierung ausgeführt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten und zweiten Verfahrensschritt eine mechanische Oberflächenzwischen- oder Endbearbeitung^. B. durch Schleifen,eingefügt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß derzweite Verfahrensschritt als Anlaßprozeß ausgeführt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Festphasenhärtung von Eisenwerkstoffen die im 2. Verfahrensschritt erzielte Härtetiefe so auf ein noch vorhandenes Endbearbeitungsaufmaß abgestimmt wird, daß die zwischen der Oberflächenschicht und dem darunter liegenden Teil der Randschicht gebildete Anlaßzone nach der mechanischen Endbearbeitung die Werkstückoberfläche bildet.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Verfahrensschritt ein löslicher und im zweiten Verfahrensschritt ein unlöslicher Zusatzwerkstoff den Schmelzbädern zugeführt wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß derzweite Verfahrensschritt zwei- oder mehrfach durchlaufen wird, in dem die Ausdehnung des zugeordneten Energieübertragungsbereichs senkrecht zur Relativbewegungsrichtung des Werkstücks ein ganzzahliges Vielfaches der entsprechenden Ausdehnung des dem ersten Verfahrensschritt zugeordneten Energieübertragungsbereichs gewählt wird.