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Verfahren zum Aufkohien und Härten von Eisen, Stahl und deren Legierungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rufkohlen und Härten von Eisen, Stahl und
deren Legierungen in einer kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeit, z. B. Alkohol,
durch Einwirkung von Wärme und Ultraschall, wobei das zu behandelnde Werkstück induktiv
bis über den Curiepunkt auf Härtetemperatur erwärmt und nach Ablauf der Haltezeit
abgeschreckt wird.
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Verfahren zur Durchführung solcher Aufkohlungsvorgänge sind an sich
bekannt und bringen gegenüber den herkömmlichen Aufkohlungsverfahren im Salzbad
oder bei der Gasaufkohlung den Vorteil kürzerer Behandlungszeiten. Andererseits
treten bei der induktiven Aufkohlung unter Verwendung von Alkohol Schwierigkeiten
bei der Wahl der Aufkohlungstemperatur auf, die zur Vermeidung von Rußbildung und
Rußansätzen oberhalb des Curiepunktes liegen muß. Je höher bei diesen bekannten
Verfahren die Temperatur gewählt wird, um so größer ist die Eindringtiefe des Kohlenstoffes
und um so schneller ist der Aufkohlungsvorgang beendet. Die Höhe der Temperatur
ist jedoch nach oben hin begrenzt, und zwar einmal durch den Schmelzpunkt des Metalls
und andererseits durch den verhältnismäßig hohen Energieaufwand, der auch bei solchen
Anlagen, insbesondere bei durchlaufendem Betrieb, von Bedeutung ist. Die Erfindung
geht von der Erkenntnis aus, daß die Aufkohlungsgeschwindigkeit bei induktiver Erwärmung
in Alkohol unterhalb des Curiepunktes schneller verläuft als oberhalb des Curiepunktes.
Dies wird auf die durch Magnetostriktion hervorgerufene mechanische Wechselbeanspruchung
im Werkstück zurückgeführt, die die Diffusion des Kohlenstoffes in das Werkstück
erleichtert. Diese Wechselkräfte werden durch die Induktionsspule induziert. Oberhalb
des Curiepunktes verschwindet der magnetostriktive Effekt. Eine mechanische Wechselbeanspruchung
des Werkstückes ist dann nicht mehr induktiv erreichbar und muß durch mechanische
Kraftübertragung herbeigeführt werden.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in
der Angabe eines Verfahrens zum Oberflächenbehandeln metallischer Werkstücke, bei
dem entweder die Temperatur den bekannten Verfahren gegenüber in mäßigen Grenzen
gehalten und somit ein wirtschaftlicher Einsatz der elektrischen Energie erreicht
oder bei Temperaturen oberhalb des Curiepunktes die Aufkohlungszeit wesentlich herabgesetzt
und die Eindringtiefe des Kohlenstoffes wesentlich erhöht werden kann. Im ersteren
Fall soll eine Aufkohlung gleicher Güte auch bei niedrigeren Temperaturen unterhalb
des Curiepunktes erreichbar sein. Ferner soll bei der induktiven Aufkohlung in Alkohol
die Möglichkeit geschaffen werden, unmittelbar nach Beendigung des Aufkohlens das
Werkstück in der Aufkohlungsflüssigkeit abzuschrecken und seine Oberfläche gleichmäßig
zu härten. Da die Aufkohlungsflüssigkeiten leicht verdampfen, besteht die Gefahr
der Dampfblasenbildung und eine ungleichmäßige Abschreckung der Werkstückoberfläche,
was Weichfleckigkeit zur Folge hat und die Oualität der Härtung in Frage stellt.
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Diese Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch beseitigt, daß
das Werkstück und das es umgebende flüssige Aufkohlungsmedium während des gesamten
Erwärmungs- und Abkühlungsvorganges oder zumindest in dem Zeitintervall, in dem
die Temperatur des Werkstückes über dem Curiepunkt liegt, mechanischen Schwingungen
im Schall- bzw. Ultraschallbereich ausgesetzt wird. In Weiterbildung der Erfindung
werden die mechanischen Schwingungen durch einen als Vorschubstempel (4) ausgebildeten
Schall- bzw. Ultraschallschwingkörper, vorzugsweise mit gegenüber der angestrahlten
Fläche größerer Abstrahlfläche erzeugt. Schließlich ist es Vorteilhaft, daß durch
den vorzugsweise in der Nähe des Ausganges der Induktionsspule (2) angeordneten
Schwingkörper nach entsprechender Abstimmung Resonanzschwingungen im Werkstück erzeugt
werden.
Zum besseren Verständnis wird das erfindungsgemäße Verfahren
nachfolgend an Hand eines möglichen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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F i g.1 zeigt eine schematische Darstellung einer einseitig zu beschickenden
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und F i g. 2 eine
solche für Durchlaufbetrieb; F i g. 3 zeigt die Anordnung eines Schwingkörpers in
der Abschreckzone.
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Das zu behandelnde, beispielsweise aufzukohlende Werkstück
1 ist von der Induktionsspule 2 umgeben, die von einem Nieder-, Mittel-
oder Hochfrequenzgenerator 3 gespeist wird. Sowohl die Induktionsspule 2 als auch
das Werkstück 1 sind ebenso wie der Schwingkörper 4 in einem Behälter 5 angeordnet,
der mit der Aufkohlungs- bzw. Abschreckflüssigkeit 6, z. B. Alkohol, gefüllt ist.
Der Schwingkörper 4 - entweder ein Schall- oder Ultraschallschwingkörper - ist über
die Leitungen 7 und 8 mit dem Mittel- oder Hochfrequenzgenerator 9 verbunden. Sobald
der Stromkreis der Induktionsspule 2 geschlossen wird, erwärmt sich das Werkstück
1. Gleichzeitig oder zu einem späteren Zeitpunkt wird auch der Stromkreis des Schwingkörpers
4 geschlossen, so daß sich ein Schallfeld in Richtung der Pfeile x bildet.
Ein Teil der Schallwellen treffen auf die Stirnfläche 10 des Werkstückes 1 und versetzen
dieses in Schwingungen. Ein weiterer Teil der Schallwellen bestreicht die Mantelfläche
des Werkstückes 1 und wird am Spiegel der Flüssigkeit reflektiert, so daß auch die
Stirnfläche 11 des Werkstückes 1 noch beschallt wird. Das auf diese
Weise um das Werkstück 1 gebildete Schallfeld bewirkt, daß der sich insbesondere
bei niedrigen Temperaturen absetzende Ruß ständig beseitigt wird, so daß eine unmittelbare
Berührung der Aufkohlungsflüssigkeit 6 mit dem Werkstück 1 und damit eine Erhöhung
der Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffes gewährleistet ist. Gleichzeitig
wird die erwünschte Wechselbeanspruchung im Werkstück, auch oberhalb des Curiepunktes,
erreicht.
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Der Schwingkörper 4 ist mit einer Abstrahlfläche versehen, die größer
ist als die anzustrahlende Stirnfläche 10, damit um das Werkstück 1 herum ein genügend
großes Schallfeld entsteht. Der Schwingkörper 4 kann dabei mit einem Abstand vom
Werkstück 1 angeordnet sein, wie in F i g. 1 dargestellt; er kann jedoch auch unmittelbar
am Werkstück 1 anliegen. Eine solche Anordnung ist in F i g. 2 gezeigt, wobei der
Schwingkörper 4 als Vorschubstempel ausgebildet ist. Zu diesem Zweck ist
der Schwingkörper 4 an dem Stößel 12 angebracht, der vorzugsweise
rohrförmig ausgebildet ist und die Stromzuführungsleistungen 7 und 8 für den Schwingkörper
4 aufnimmt. Der Stößel 12 kann in die gestrichelt angedeutete Lage gebracht werden,
so daß durch weitere Vorschubeinrichtungen, die beispielsweise in Form der Pfeile
A und B angedeutet sind, das Werkstück von der Plattform 13 auf den
Verschiebetisch 14 und von hier in das Hohlprofil der Induktionsspule 2 gebracht
werden kann. Durch Anheben des Stößels 12 wird das Werkstück 1 alsdann in den Innenraum
der Induktionsspule 2 befördert. Während oder kurz nach dem Glühvorgang wird der
das Werkstück 1 und die Induktionsspule 2 konzentrisch umgebende Schwingkörper 15,
beispielsweise ein Rohrschwinger, zum Schwingen angeregt, dessen Abstrahlrichtung
durch mehrere kleine Pfeile angedeutet ist. Um zu vermeiden, daß das ganze Werkstück
1 zum übermäßigen Glühen kommt, wodurch die Weiterleitung der mechanischen Wechselkräfte
behindert werden würde, wird durch zeichnerisch nicht dargestellte, an sich bekannte
Mittel, z. B. durch angetriebene Exzenterscheiben mit daran befestigten Stangen,
dafür Sorge getragen, daß entweder das Werkstück 1 und oder die Induktionsspule
2 hin und her bewegt werden. Ebenso kann an dieser Vorrichtung der Schwingkörper
4 befestigt werden, damit die Beschallung über die gesamte Oberfläche gleichmäßig
erfolgt. Die Bewegbarkeit des Schwingkörpers 4 kann auch unabhängig von der der
Induktionsspule 2 erfolgen, und zwar so, daß der zur Aufkohlung während des Erwärmungsprozesses
dienende Schwingkörper in die am Ende der Induktionsspule sich anschließende Abschreckzone
gebracht wird. Hierzu kann natürlich auch ein besonderer Schwingkörper 16 verwendet
werden, dessen Anordnung aus F i g. 3 ersichtlich ist. Das Schallfeld des Schwingkörpers
16 bewirkt, daß sich die sonst in der Abschreckzone bildenden Dampfblasen gar nicht
entstehen oder zumindest nach der Entstehung in kürzester Zeit wieder beseitigt
werden. Auf diese Weise wird erreicht, daß sich zwischen dem abzuschreckenden Werkstück
1 und der Abschreckflüssigkeit 6 keine wärmeisolierende Schicht bildet, sondern
vielmehr ein ungehinderter Wärmeübergang vom Werkstück in die Abschreckflüssigkeit
erzielt wird.
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Der Gegenstand der Erfindung beschränkt sich nicht auf das angegebene
Ausführungsbeispiel, sondern er kann rnehrfacherweise abgewandelt werden. So ist
es beispielsweise möglich und in vielen Fällen vorteilhaft, anstatt der Speisung
der Induktionsspule und des oder der Schwingkörper mit je einem Generator die Speisung
aller Verbraucher mit einem einzigen Generator vorzunehmen. Dies kann unter Verwendung
an sich bekannter Modulationsverfahren erfolgen. Ebenso kann die Erzeugung eines
Schallfeldes um das Werkstück auch durch Schwingkörper erfolgen, deren Abstrahlfläche
kleiner oder gleich der Werkstückanstrahlfläche ist, und zwar mit Hilfe von Schallreflektoren,
die einen Teil der abgestrahlten Schallenergie am Werkstück entlangführen.