DE1248421B

DE1248421B - Verfahren zum Aufkohlen und Haerten von Eisen, Stahl und deren Legierungen

Info

Publication number: DE1248421B
Application number: DE1960S0070381
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Rolf Esche; Hans Schaefer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1960-09-16
Filing date: 1960-09-16
Publication date: 1967-08-24

Description

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Aufkohlen 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, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, 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.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Schwingungen durch einen als Vorschubstempel (4) ausgebildeten Schall- bzw. Ultraschallschwingkörper, vorzugsweise mit gegenüber der angestrahlten Fläche größerer Abstrahlfläche, erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den vorzugsweise in der Nähe des Ausganges der Induktionsspule (2) angeordneten Schwingkörper nach entsprechender Abstimmung Resonanzschwingungen im Werkstück erzeugt werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 629 657; deutsche Patentanmeldung St 535 VI a/ 18c (bekanntgemacht am 27.9.1951); USA.-Patentschrift Nr. 2 920 988; L. B e r g m a n n, »Der Ultraschall«, 1939.