DD270088B1 - Verfahren zur thermischen oberflaechenmodifikation mit elektronenstrahlen - Google Patents

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur verzugsamen Ausführung von Prozessen dor thermischen Oberflächenmodifikation mit Elektronenstrahlen, vorzugswi ise an vergleichsweise zum Querschnitt langen prismatischen Bauteilen zum Erzeugen von Härtebahnen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, unter Einsatz von Energiestrahlen, wie Laser- und Elektronenstrahlen, Randschichten metallischer Bauteile in der festen oder flüssigen Phase in ihren Werkstoffeigenschaften, wie z. B. ihrer Härte und ihrem Verschleißverhalten, zu verbessern. Werden vergleichsweise zum Querschnitt lange z. B. prismatische Bauteile entlang einer Oberflächenbahn mit Energiestrahlen modifiziert, so ergibt sich trotz des vergleichsweise zu anderen Energieübertragungsverfahren geringen Energieeintrages ein Werkstückverzug. Die ursprünglich ebene Oberfläche bildet nach Temperaturausgleich auf der Seite des Energieeintrages eine konkave, auf der gegenüberliegenden Seite eine konvexe Fläche. Dies hängt ursächlich damit zusammen, daß durch den einseitigen Energieeintrag und die dadurch verursachte Temperaturerhöhung und Werkstoffausdehnung in der Energieeinwirkebene Druckspannungen erzeugt werden. Diese führen durch Bauteilverformung zu das Kräftegleichgewicht haltenden Druckspannungen auf der gegenüberliegenden Bauteilseite. Im Modifikationsbereich werden jedoch selbst bei Festphasenprozessen, zumindest im Bereich des modifizierten Bauteilquerschnitts, Werkstoffspannungen und Temperaturen durchlauf?n, die zur plastischen Werkstoffverformung führen. Dadurch wird der temperaturfeldinduzierte Spannungszustand des Bauteils gestört. Nach Temperaturausgleich verbleiben auf der Energieübertragungsseite des Bauteils dominierende Zugspannungen, die im Spannungsgleichgewichtszustand zum besagten Bauteilverzug führen.

Aus üblichen Wärmebehandlungsverfahren, wie z.B. dem Induktionshärten, ist bekannt, durch mechanisches Verspannen des Bauteils während der Energieübertragung oder durch Energieübertragung auf die Bauteilrückseite vor oder nach dem Nutzprozeß den Bauteilverzug zu reduzieren. Diese Verfahrensweise setzt jedoch eine Eignung des Bauteils zum rückseitigen Energieeintrag voraus. Ebenfalls ist ein erhöhter Manipulationsaufwand mit dem Bauteil erforderlich. Es wurde bereits vorgeschlagen, mit Energiestrahlen Härtebahnen auf den beanspruchten Laufflächen zu erzeugen. Zur Minimierung des Verzuges beim Härten werden gleichzeitig zusätzliche Härtebahnen, auch Kompensationshärtebahnen genannt, auf das Werkstück aufgebracht. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß bei Verwendung von Elektronenstrahlen der gerätetechnische Aufwand durch die erforderliche zusätzliche Elektronenkanone und den damit zusammenhängenden Einrichtungen sehr hoch ist. Außerdem wird der von Teil zu Teil durch die unterschiedlichen inneren Spannungen des Bauteils verbleibende Restverzug, der stark streut, nicht den hohen Anforderungen entsprechend beseitigt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die aus dem Verzug des Bauteile resultierenden Mängel der thermischen Oberflächenmodifikation zu überwinden. Das Verfahren soll mit geringem apparativem Aufwand realisierbar sein.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur thermischen Oberflächenmodifikation bahnförmiger Oberflächenbereiche an vergleichsweise zum Querschnitt langen Bauteilen anzugeben, das eine im Prinzip beliebige Reduzierung des Bauteilverzuges gestattet, ohne daß ein mechanisches Verspannen des Bauteils oder ein Energieeintrag von der Bauteilrückseite erforderlich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe unter Anwendung bekannter Elektronenstrahltechnologien zur thermischen Oberflächenmodifikation mittels eines zweidimensional hochfrequent ablenkbaren, in seinem Einwirkquerschnitt formbaren Elektronenstrahles dadurch gelöst, daß der Elektronenstrahl im periodischen Wechsel außer im Nutzbereich zur Durchführung des Modifikationsprozesses zusätzlich in mindestens einem diesen flankiere¹ iden Kompensationsbereich auf dem Bauteil derart zur Einwirkung gebracht wird, daß durch die im genannten Kompensationsbereich erzeugten Werkstofftemperaturen und dadurch verursachten, innerhalb des elastischen Beanspruchungs-Bereiches verbleibenden Druckspannungen über dem Nutzbereich für die Dauer der plastischen WerkstoffverformbarkeitjSpannungsausgleich oder dominierend Zugspannung erzeugt werden. Nach dem Abschluß des Modifikationsprozesses und Temperaturausgleiches wird über dem Querschnitt des Bauteils der verbleibende Bauteilverzug erfaßt. Nach Vergleich mit dem zulässigen Grenzwert wird der Restverzug durch erneuten Energieeintrag von der gleichen Bauteilseite weiter reduziert.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß der Hilfsenergieeintrag in den Nutzbereich flankierenden Kompensationsbereichen, deren Ausdehnung in Bauteilbewegungsrichtung größer als die entsprechende Ausdehnung des Nutzbereiches und grö"or als die Bauteildicke ist, erfolgt, wobei die Erwärmungs- und Abkühlfronten des Nutzbereiches von denen der flankierenden Kompensationsbereiche eingeschlossen werden. Die Energieübertragung in den flankierenden Kompensationsbereichen erfolgt zweckmäßig nach den Prinzipien der isothermen Energieübertragung mit elliptischem geformtem Brennfleck, dessen größere Hauptachse mit der Bauteilbewegungsrichtung zusammenfällt. Weiterhin ist es zweckmäßig, senkrecht zur Bauteilbewegungsrichtung die der Hilfsenergieübertragung dienenden flankierenden Flächenbereiche und den Nutzenergieübertragungsbereich soweit auseinanderzulegen, daß sich die Temperaturfelder erst nach wesentlichem Abfall von den durchlaufenden Maximaltemperaturen gegenseitig überlagern.

Ausführungsbeispiel

Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Ausschnitt eines Bauteils, welches mit einer Härtebahn zu versehen ist. Das vergleichsweise zu seinem Querschnitt lange Bauteil 1 aus einem Eisenwerkstoff ist entlang einer Bahn 2 mit Elektronenstrahlen über eine bestimmte Tiefe zu härten. Das Bauteil 1 wird dazu in Richtung des Pfeiles durch das Strahlablenkfeld 3 geführt. Zur dazu erforderlichen Randschichterwärmung auf Temperaturen oberhalb der Austenitisierungstemperatur wird nach bekannten Regeln der isothermen Energieübertragung der Elektronenstrahl im Nutzbereich 4 zur Einwirkung gebracht. Innerhalb kurzzeitiger, die Temperaturverteilung im Nutzbereich 4 nicht wesentlich störonder periodischer Unterbrechungen, wird der Elektronenstrahl wechselweise in den flankierenden Kompensationsbereichen 6 und β nach den gleichen Regeln der isothermen Energieübertragung zur Einwirkung gebracht, wobei der Strahlquerschnitt in Bewegungsrichtung elliptisch verzerrt wird. Die Kompensationsbereiche 5 und 6 sind in Bauteilbewegungsrichtung größer als der Nutzbereich 4 und größer als die Werkstückdicke ausgedehnt. Die senkrecht zur Bauteilbewegungsrichtung liegenden Begrenzungen 5a, 6a bzw. 5b, 6b der Kompensationsbereiche 5 und 6, die mit den zugeordneten Erwärmungs- bzw. Abkühlfronten zusammenfallen, schließen in Bauteilbewegungsrichtung die entsprechenden Fronten 4a und 4 b des Nutzbereiches 4 ein. Der Nutzbereich 4 und die flankierenden Kompensationsbereiche 5 und 6 sind durch vom Elektronenstrahl nicht beaufschlagte Zwischenräume 7 und 9 mit einem Abstand größer als die Härtetiefe vom Nutzbereich 4 getrennt.

Die in den flankierenden Kompensationsbereichen 5 und 6 im Zeitmittel übertragene Elektronenstrahlleistung ist so gewählt, daß in den zugeordneten Randbereichen des Bauteils 1 temperaturinduzierte Druckspannungen innerhalb des elastischen Temperatur-Spannungsbereiches erzeugt werden, die über die dadurch verursachte Bauteilverformung zu Zugspannungen im Oberflächenbereich zwischen den Kompensationsbereichen 5 und β führen. Die in Vorversuchen ermittelten Energieübertragungsverhältnisse werden so gewählt, daß die im Nutzbereich 4 im Bauteil 1 thermisch induzierten Druckspannungen von ersteren hinreichend aufgehoben oder von jenen sogar überkompensiert werden, so daß das Bauteil 1 nach dem Härteprozeß und Temperaturausgleich über dem Bauteilquerschnitt mit Sicherheit innerhalb der für den konkaven Verzug zulässigen Grenzen oder mit konvexem Verzug vorliegt. Übersteigt letzterer die zulässigen Grenzen, so erfolgt in einem oder gegebenenfalls mehrmaligem weiteren Energieeintrag von der gleichen Bauteilseite mit zwischenliegender Erfassung des Restverzuges und Vergleich mit dem zulässigen Grenzwert die weitere Verzugsreduzierung. Dazu wird der Elektronenstrahl in den Randbereichen des Bauteils 1 unter Überschreitung der Temperatur-Spannungs-Grenzen für elastische Werkstoffbeanspruchung zur Einwirkung gebracht.

Claims (4)

1. Verfahren zur thermischen Oberflächenmodifikation mit Elektronenstrahlen mittels eines zweidimensional hochfrequent ablenkbaren, in seinem Einwirkquerschnitt formbaren Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl im periodischen Wechsel außer im Nutzbereich zur Durchführung des Modifikationsprozesses zusätzlich in mindestens einem diesen flankierenden Kompensationsbereich auf dem Bauteil derart zur Einwirkung gebracht wird, daß durch die im genannten Kompensationsbereich erzeugten Werkstofftemperaturen und dadurch verursachten, innerhalb des elastischen Beanspruchungsbereiches verbleibenden Druckspannungen über dem Nutzbereich für die Dauer der plastischen Werkstoffverformbarkeit Spannungsausgleich oder dominierend Zugspannungen erzeugt werden und daß nach Abschluß des Modifikationsprozesses und Temperaturausgleiches über dem Querschnitt des Bauteils der verbleibende Bauteilverzug erfaßt und nach Vergleich mit dem zulässigen Grenzwert der Restverzug durch erneuten Energieeintrag von der gleichen Bauteilseite weiter reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl derart abgelenkt wird, daß die flankierenden Kompensationsbereiche in Bauteilbewegungsrichtung größer als der Nutzbereich und größer als die Bauteildicke ausgedehnt werden und daß die Erwärmungs- und Abkühlfronten des Nutzbereiches von denen des flankierenden Kompensationsbereiches eingeschlossen werden, wobei der Seitenabstand zwischen dem Nutzbereich und den flankierenden Kompensationsbereichen größer als die Modifikationstiefe gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieübertragung in den flankierenden Kompensationsbereichen nach dem Prinzip der isothermen Energieübertragung mit elliptisch in Bauteilbewegungsrichtung geformtem Querschnitt des Elektronenstrahls erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl derart abgelenkt wird, daß die den Nutzbereich flankierenden Kompensationsbereiche so weit auseinander liegen, daß die zugeordneten Temperaturfelder erst nach wesentlichem Abfall von den durchlaufenden Maximaltemperaturen gegenseitig überlagert werden.