DE1240905B

DE1240905B - Verfahren zur Erzeugung von Oberflaechen groesster Haerte an haertbaren Staehlen

Info

Publication number: DE1240905B
Application number: DEB47341A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Blechner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1957-01-04
Filing date: 1958-01-03
Publication date: 1967-05-24

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C21d

Deutsche Kl.: 18 c -1/06

Nummer: 1 240 905

Aktenzeichen: B 47341VI a/18 c

Anmeldetag: 3. Januar 1958

Auslegetag: 24. Mai 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Oberflächen größter Härte an härtbaren Stählen durch Erhitzen über den Ac₃-Punkt, auch oberer Umwandlungspunkt genannt, und darauffolgendes Abschrecken.

Es ist bekannt, daß man die Härte der Oberfläche von Werkstücken aus härtbaren, nicht austenitischen Stählen durch Wärmebehändlungen erhöhen kann, die auf die Oberfläche wirken, wie durch Flammhärten, Induktionshärten oder Tauchhärten.

An die mit Hilfe dieser Verfahren erzielten Härteschichten werden eine Reihe von Anforderungen gestellt, die oft schwierig oder überhaupt nicht gleichzeitig erfüllbar sind, wie z. B. die Forderung nach hoher Härte bei gleichzeitiger hoher Zähigkeit bzw. geringer Sprödigkeit sowie die Forderung, daß vor allem im Übergangsgebiet zwischen der gehärteten Zone und dem relativ weichen Kern der Werkstücke weder durch die Härtungsbehandlung noch durch die nachfolgenden Beanspruchungen Risse auftreten dürfen, weil diese die Ursache für ein Absplittern der gehärteten Schicht sein können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile dieser bekannten Verfahren weitgehend zu vermeiden.

Die erfindungsgemäße Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen der Oberfläche über den Ac₃-Punkt und das sofortige anschließende Abschrecken bis unter den Martensitpunkt mit einer derartigen Geschwindigkeit erfolgen, daß bei Raumtemperaturen ein Austenitgefüge vorliegt, welches bis zu einer weiteren Energiezufuhr beständig ist, und daß dieses durch eine weitere Energiezufuhr in ein Martensitgefüge umgewandelt wird. Die Erhitzung der Oberfläche wird vorzugsweise bis zum Schmelzen derselben, d. h. über den Schmelzpunkt hinaus gesteigert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bleibt der oberhalb des Umwandlungspunktes gebildete Austenit selbst bei Raumtemperatur in großen Mengen (z.B. bis zu 98%) erhalten. Das Bestehen dieser Möglichkeit ist überraschend, weil bei härtbaren, unlegierten oder niedriglegierten Stählen bei üblicher Erwärmung über den Umwandlungspunkt hinaus und anschließender Abschreckung bekanntlich Martensit aus dem Austenit gebildet wird.

Durch weitere Energiezufuhr, und zwar sowohl auf mechanischem, thermischem oder elektrischem Wege, wandelt der durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltene metastabile Austenit um, wodurch ein äußerst feines martensitisches Gefüge entsteht, das sich im Vergleich zu jedem bisher bekannten MarVerfahren zur Erzeugung von Oberflächen
größter Härte an härtbaren Stählen

Anmelder:

Heinrich Blechner, Wien

Vertreter:

ίο Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,
Dipl.-Ing. G. E. M. Dannenberg
und Dr. V. Schmied-Kowarzik, Patentanwälte,
Frankfurt/M., Große Eschenheimer Str. 39

Als Erfinder benannt:
Heinrich Blechner, Wien

Beanspruchte Priorität:

Österreich vom 4. Januar 1957 (A 56/57),
vom 12. Januar 1957 (A 212/57)

tensit oder Hardenit durch eine noch höhere Härte, größere Verschleißfestigkeit und bessere Korrosionsbeständigkeit bei wesentlich geringeren inneren Spannungen und damit wesentlich verbesserter Zähigkeit auszeichnet und wodurch außerdem die Rißgefahr und die Gefahr des Absplitterns praktisch zur Gänze vermieden und eine feste Bindung mit der darunterliegenden Schicht gewährleistet wird. Auf eine Anlaßbehandlung zum Abbau von Spannungen kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verzichtet werden, weil solche Spannungen in störendem Ausmaß überhaupt nicht auftreten.

Die zum Erhitzen zwecks Austenitisierung der Oberflächenschicht erforderliche Energie wird bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem harten Werkzeug mit glatter Oberfläche bei hoher Relativgeschwindigkeit von mindestens über m/Sek. zwischen Werkstück und Werkzeug erzeugt.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Werkzeug für die Erzeugung der erforderlichen Reibungswärme eine mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 120 m/Sek. rotierende Stahlscheibe verwendet wird.

Es ist bekannt, durch Reibung, insbesondere durch

Reibscheiben an der Oberfläche härtbarer Stähle

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Reibmartensit zu erzeugen. Im Gegensatz hierzu kommt es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in der ersten Stufe zu der Erzeugung von Reibaustenit. Hierzu ist eine wesentlich raschere Erhitzung und Wärmeabführung erforderlich als bei den herkömmlichen Oberflächenhärtungsmethoden. Zumal bei der Verwendung von Schleifscheiben liegen völlig andere Verhältnisse vor, weil diese eine zu große Rauhheit und eine zu geringe Festigkeit besitzen und daher für die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erforderliche extrem hohe Umfangsgeschwindigkeit völlig ungeeignet sind.

Auch die Anwendung anderer Erhitzungsarten, beispielsweise der Induktionserhitzung, für die Oberflächenhärtung sind bekannt. Doch kommt es in all diesen Fällen mangels genügend großer Aufheiz- und Abkühlungsgeschwindigkeit unmittelbar zur Ausbildung von Martensit, der bei weitem nicht so hohe Härten und günstige Zähigkeitswerte aufweist wie die erfindungsgemäß zweistufig gehärteten Oberflächen.

Die Arbeitsfläche der erfindungsgemäß verwendeten Werkzeuge soll glatt sein und kann zu diesem Zweck durch Schleifen, vorzugsweise aber durch Polieren oder Honen, bearbeitet werden, insbesondere aber kann sie vor der Durchführung erfindungsgemäßer Oberflächenhärtungen ebenfalls in erfindungsgemäßer Weise behandelt werden. Am einfachsten erfolgt dies dadurch, daß an die Stirnfläche einer mit ausreichend hoher Geschwindigkeit rotierenden Scheibe ein gehärtetes Stahlstück angedrückt wird. Diese Behandlung kann z. B. auch durch eine Rolle, glatt oder profiliert, die beispielsweise gebremst ist oder entgegengesetzt rotiert, erfolgen.

Gleichzeitig ergibt sich als zusätzlicher Vorteil, daß sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders glatte Oberflächen mit Rauhtiefen von z. B. 0,2 Mikron und weniger erzielen lassen.

Auch die Wiederinstandsetzung einer als Werkzeug dienenden Stahlscheibe kann durch Anpressen eines Stahlkörpers, z, B. eines Stabes oder einer Walze, erfolgen, wodurch das Werkzeug gehärtet sowie abgezogen, geschliffen u. dgl. wird.

Die zu behandelnden Werkstücke können vor der Behandlung in beliebigem Zustand vorliegen, also z. B. geglüht, gehärtet oder vergütet sein.

Die erforderliche Wärmeabfuhr für das Abschrecken erfolgt durch die bei der örtlichen Erhitzung der Oberfläche kalt bleibende Masse des Werkstückes und des rotierenden Werkzeuges sowie durch die bei der hohen Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Werkzeug entstehende Luftströmung.

Bei Verwendung der Reibungswärme zwischen dem Werkstück und einem Werkzeug aus Stahl zur Durchführung erfindungsgemäßer Behandlungen können die Relativgeschwindigkeit und der Arbeitsdruck zwischen Werkzeug und Werkstück so eingestellt werden, daß die Werkstückoberfläche eine Bearbeitung durch Abtragen von Materialteilchen erfährt.

Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, mit Hilfe dieses Verfahrens die verschiedensten Metallbearbeitungen durchzuführen, beispielsweise Bearbeitungen, die mit dem Schleifen, Druckpolieren, Honen und Läppen vergleichbar sind sowie formgebende Bearbeitungen ähnlich dem Fräsen, Räumen, Profilieren u. dgl., ■ wie z. B. das Schneiden von Zähnen bei Sägen und Rädern, das Schneiden von Schraubengewinden oder die Herstellung von Nuten in Spiralbohrern.

Ferner kann durch einfache Veränderung des relativen Anpreßdruckes die Dicke der austenitischen Schicht verändert werden, und zwar derart, daß die Dicke dieser Schicht mit steigendem Anpreßdruck größer wird. Weitere Möglichkeiten zur Beeinflussung des Endergebnisses ergeben sich z. B. durch die

ίο veränderbare Eigengeschwindigkeit des Werkzeuges und/oder Werkstückes, durch die Möglichkeit der Veränderung der Vorschubgeschwindigkeit sowie durch den Kohlenstoffgehalt, die Legierungszuschläge und die Vorhärte der zu behandelnden Werkstücke.

»5 Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner auch dazu benutzt werden, um zwei Werkstücke, z. B. Drähte oder Bänder, bis zum Verschweißen zu erhitzen.

Dieser Möglichkeit der Veränderung des Anpreß-

ao druckes ist jedoch dadurch eine Grenze gesetzt, daß bei sonst gleichen Voraussetzungen bei zu hohen Anpreßdrücken oder einer zu hohen relativen Geschwindigkeit od. dgl. mit Deformierungen des Werkstückes gerechnet werden muß. Solche Vorgänge

s5 können dazu führen, daß die angestrebte Bildung des metastabilen Austenits unterbleibt.

Ausführungsbeispiel 1

Beispielsweise wurden Blaubandstähle aus unlegiertem Kohlenstoffstahl mit 0,84 bis 0,90% C und 0,6 mm Stärke mit einer Mikrohärte von 450 bis 500 kg/mm² mit der Stirnfläche einer zylinderförmigen Stahlscheibe aus härtbarem Stahl behandelt, deren Umfangsgeschwindigkeit 120 m/Sek. betrug. Die Vorschubgeschwindigkeit der Scheibe betrug 10 mm/Sek., der Anpreßdruck etwa 50 g.

Durch diese Behandlung wurde eine Oberflächenschicht von 0,05 mm Dicke erzielt, die bei der Mikrohärteprüfung bei einer Belastung von 25 g eine Härte von 1100 bis 1200 kg/mm² ergab. Wegen der kleinen, wandernden Arbeitsfläche und der im Vergleich hierzu großen Masse des Werkstückes sowie durch den gleichzeitig entstehenden starken Luftstrom sowie durch das kalt bleibende Werkzeug erübrigt sich die Verwendung eines besonderen Kühlmittels.

Die lokale Energiezufuhr bei der Härteprüfung

genügt bereits, um das Umwandeln des Austenits im beanspruchten Bereich herbeizuführen. Daß jedoch nach der Behandlung tatsächlich im wesentlichen Austenit in der Oberflächenschicht vorliegt, wurde mit Hilfe von Röntgenfeinstrukturuntersuchungen festgestellt.

Ausführungsbeispiel 2

Zähne in schmalen, flachen Bändern durch Räumung erzeugt, erhielten gleichzeitig eine Härteschicht von 0,08 mm Stärke, die auf der Zahnbrust, der Zahnspitze und auf dem Zahnrücken gleichmäßig entstand. Diese Schicht ist fest mit dem übrigen Material verbunden, splittert nicht und löst sich nicht ab, korrodiert nicht, ist außerordentlich verschleißfest und erreichte eine Mikrohärte von 1150 bis 1250 kg/mm² bei einer Belastung von 25 g. Die Mikrohärte des übrigen Materials betrug etwa 600 bis 650 kg/mm² bei gleicher Belastung. Solche Sägen schneiden ohne weiteres gehärteten Stahl, wobei die

Zahnspitzen auch nach längerem Gebrauch intakt bleiben.

Sägebänder; z. B. Laubsägebänder

Eigengeschwindigkeit des Werkzeuges

Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeuges, dreimal Richtungswechsel

Druck zwischen
Werkzeug und Werkstück etwa

Oberflächenbearbeit einer runden Achse
5 mm Durchmesser

120 m/Sek.

9,2 cm/Sek.

500

Eigengeschwindigkeit des Werkstückes etwa

1,7 mm

Vorhärte des Bandes 700 kg/mm² Mikrohärte bei einer Belastung von 25 g, Kohlenstoffgehalt der Bänder 0,9 %, Mikrohärte nach erfindungsgemäßer Bearbeitung (Belastung 25 g) 1100 bis 1150 kg/mm²

Schichtstärke 0,05 bis 0,1 mm

Ausführungsbeispiel 3

Mit Abstechstählen, die auf erfindungsgemäße Art geschliffen und gleichzeitig gehärtet waren, konnten bis 1450 Ringe von Stahlrohren abgestochen werden, während mit gewöhnlich vergüteten Abstechstählen höchstens 950 Ringe abgestochen werden konnten.

Schleifen eines Abstechmessers

Eigengeschwindigkeit

des Werkzeuges 120 m/Sek.

Druck zwischen
Werkzeug und Werkstück etwa 5 bis 10 g/mm²

Vorhärte des Werkstückes 700 kg/mm² Mikrohärte bei einer Belastung von 25 g/mm²

Kohlenstoffgehalt des Abstechmessers 0,7 %, Mikrohärte nach erfindungsgemäßer Bearbeitung (Belastung 25 g) 1050 kg/mm²

Schichtstärke 0,01 bis 0,02 mm

Ausführungsbeispiel 4

Eine Welle wurde zwischen Körnerspitzen drehbar gelagert. Sie erhält durch die das Werkzeug bildende Scheibe je nach deren Durchmesser eine geringere oder größere Eigengeschwindigkeit als jene der Scheibe, die 120 m/Sek. betrug. Die Stärke der sich bildenden harten Oberflächenschicht hängt vom Arbeitsdruck zwischen Werkzeug und Werkstück ab. Die Oberflächenbeschaffenheit der erfindungsgemäß behandelten Welle war unabhängig von der Dicke der Härteschicht hervorragend; Messungen ergaben in keinem Falle Rauhtiefen von mehr als 0,2 Mikron.

Eigengeschwindigkeit

des Werkzeuges .... 120 m/Sek.

Druck zwischen Werkzeug und Werkstück leichte Berührung

Eigengeschwindigkeit

des Werkstückes, das
durch das Werkzeug

mitgenommen wurde 100 000 U/min

Vorhärte des Werkstückes 800 kg/mm²,
Mikrohärte bei einer
Belastung von 25 g/mm²

Kohlenstoffgehalt 0,9
bis 1,1%, Mikrohärte
nach erfindungsgemäao ßer Bearbeitung (Belastung 25 g) 1100 kg/mm²

Schichtstärke 0,01 mm

Ausführungsbeispiel 5

Eine Stahlscheibe mit einer Arbeitskante, die dem gewünschten Profil eines Gewindes entspricht, schneidet bei einem Bolzen, der rotierend vorgeschoben wird, ein Gewinde heraus, dessen Flanken gleichzeitig geformt und gehärtet werden.

Wird in diesem Falle der Arbeitsdruck zwischen Werkzeug und Werkstück wesentlich erhöht, so entsteht eine plastische Verformung ohne gleichzeitige wesentliche Steigerung der Oberflächenhärte.
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Ausführungsbeispiel 6

Werden zwei oder mehrere Drähte oder Bleche durch eine z. B. mit 120 m/Sek. rotierende Scheibe beispielsweise in ihrer Längsrichtung bestrichen, so entsteht bei entsprechendem Arbeitsdruck ein sehr gleichmäßiges und dauerhaftes Verschweißen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine erhebliche Verbesserung vor allem jener bisher üblichen Verfahren erzielt, welche eine Oberflächenhärtung von härtbaren Stählen zum Ziele haben. Diese Verbesserung besteht sowohl hinsichtlich der erreichbaren Härte als auch hinsichtlich der gleichzeitig erreichbaren Zähigkeit der gehärteten Schicht.

Im Falle der Verwendung der Reibungswärme zwischen Werkstück und Werkzeug zur Durchführung erfindungsgemäßer Oberflächenhärtungen eröffnet sich die zusätzliche Möglichkeit, die Oberflächenhärtung in einem Arbeitsgang mit spanabhebenden Bearbeitungsvorgängen durchzuführen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung von Oberflächen 6ο größter Härte an härtbaren Stählen durch Erhitzen über den Ac₃-Punkt und darauffolgendes Abschrecken, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen der Oberfläche über den Ac₃-Punkt und das sofortige anschließende Abschrekken bis unter den Martensitpunkt mit einer derartigen Geschwindigkeit erfolgen, daß bei Raumtemperatur ein Austenitgefüge vorliegt, welches bis zu einer weiteren Energiezufuhr beständig ist,

und daß dieses durch eine weitere Energiezufuhr in ein Martensitgefüge umgewandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung bis zum Schmelzen der Oberfläche gesteigert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen zur Austenitisierung der Oberflächenschicht mit einem harten Werkzeug mit glatter Oberfläche bei hoher Relativgeschwindigkeit von mindestens über 80 m/Sek. zwischen Werkstück und Werkzeug hervorgerufen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkzeug für die Erzeugung der erforderlichen Reibungswärme eine mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 120 m/Sek. rotierende Stahlscheibe verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung der erforderlichen Reibungswärme ein Werkzeug aus härtbarem Stahl verwendet wird, das nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 3 behandelt wurde.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Werkzeug dienende Stahlscheibe durch Anpressen eines Stahlkörpers, z. B. eines Stabes oder einer Walze, instandgesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativgeschwindigkeit und der Arbeitsdruck zwischen Werkzeug und Werkstück so eingestellt werden, daß die Werkstückoberfläche eine Bearbeitung durch Abtragen von Materialteilchen erfährt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Werkstücke, z. B. Drähte oder Bänder, bis zum Verschweißen erhitzt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 880 446;
deutsche Patentanmeldung A 7561 VI a/18 c
(bekanntgemacht am 23. 10.1952);
britische Patentschriften Nr. 569 005, 571808;
USA.-Patentschrift Nr. 974 099.

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