DE1262731B - Verfahren zur Herstellung von einsatzgehaerteten Werkstuecken - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

C23c

Deutsche Kl.: 48 b-9/14

1262 731
J28423VTb/48b
24. Juni 1965
7. März 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von flachen, oberflächlich einsatzgehärteten Werkstücken mit guter Verformbarkeit, besonders aus Kohlenstoff- oder Nitrierstahl.

In vielen Zweigen der Technik werden Werkstücke aus Stahl benötigt, deren Oberflächen ganz oder teilweise hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind, die aber gleichzeitig eine gewisse Zähigkeit aufweisen müssen, entweder weil dies die Funktion im praktischen Betrieb des betreffenden Werkstückes erfordert oder weil eine leichte Verformbarkeit für Bearbeitungsgänge bei ihrer Herstellung, z. B. Biegen, vorausgesetzt werden muß. In solchen Fällen hat sich die Oberflächenhärtung seit langem sehr gut bewährt, bei der mittels Nitrieren oder Aufkohlen und anschließendem Abschrecken nur die Oberfläche oder — durch Abdecken bestimmter Bereiche — ein Teil der Oberfläche gehärtet wird, während der darunterliegende Werkstoff seine Elastizität in vollem Maß behält. Ein typisches Beispiel für die breite Anwendung dieser sogenannten Einsatzhärtung sind Zahnräder, deren Zahnoberflächen gegen Verschleiß geschützt werden müssen, während die Zahnkerne und die Nabe infolge der unbeeinflußten Zähigkeit des Werkstoffes gegen Bruch geschützt sind.

Besondere Probleme treten aber bei der Oberflächenhärtung von flachen Werkstücken auf, beispielsweise verhältnismäßig dünnen Blechen, deren Oberfläche, eventuell nur an bestimmten Bereichen, durch Einsatzhärten gegen Verschleiß geschützt werden sollen, die aber dennoch eine gewisse Verformbarkeit haben müssen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn im Anschluß an das Härten weitere formgebende Bearbeitungen erforderlich sind, wie Biegen, Walzen od. ä. Solche Bearbeitungsstufen können deshalb vielfach erst nach dem Härten ausgeführt werden, weil ein nachträgliches Härten infolge der dabei auf das Werkstück einwirkenden Temperaturen und Form- und Maßänderungen nicht möglich ist. Eine durchgehend gehärtete Oberfläche bei solchen dünnen Blechen, Platten usw. neigt aber bei einer formgebenden Bearbeitung oder bei einer kinematischen Beanspruchung im praktischen Betrieb zu Brüchen.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren offenbart, mittels dessen dieses Problem auf sehr vorteilhafte Weise lösbar ist und das darin besteht, daß die Werkstücke an ihren zu härtenden Oberflächen mit einer Maske abgedeckt werden, die eine Vielzahl kleinstmöglicher, besonders runder oder quadratischer Löcher mit geringstmöglichem Abstand voneinander aufweist, und daß anschließend die unter den Löchern

Verfahren zur Herstellung

von einsatzgehärteten Werkstücken

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

7030 Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

John Thomas Gulliksen, Peekskill, N. Y.;

Alfred Ernest Oldaker,

Frank Joseph Bolda, Poughkeepsie, N. Y.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 30. Juni 1964 (379139)

liegenden Werkstückoberflächen einsatzgehärtet werden, worauf die Maske wieder entfernt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind insbesondere die im folgenden erläuterten Vorteile erzielbar. Während bisher verhältnismäßig teure einsatzhärtbare Stähle erforderlich waren, können nunmehr, bei Anwendung der Erfindung, auch weniger kostspielige verformbare Kohlenstoffstähle benutzt werden. Flache Teile, wie Bleche, Platten usw., können nach dem Einsatzhärten gewalzt werden, ohne daß Oberflächenrisse befürchtet werden müssen, während man bisher das Richten der Platte vielfach von Hand ausführen mußte. Die um die gehärteten Punkte herum verbleibenden zusammenhängenden ungehärteten Bereiche stellen gleichzeitig vorzügliche Schmierkanäle dar, wenn die einsatzgehärteten Bereiche gegenüber den nichtgehärteten Bereichen eine gewisse Erhöhung aufweisen; sind infolge des gewählten Härtungsverfahrens solche Höhenunterschiede zwischen gehärteten und ungehärteten Bereichen nicht vorhanden, so schleifen sich im praktischen Betrieb die ungehärteten Bereiche allmählich ab, so daß diese dann ebenfalls als Schmierkanäle oder für entsprechende Zwecke nutzbar gemacht werden können.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das Werkstück mit einer für monochromatisches Licht

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undurchlässigen Negativmatrix mit dem gewünschten entfernt. Die nunmehr zurückgebliebenen entwickel-Lochmuster abgedeckt, in eine lichtempfindliche Sub- ten Punkte haben einen Radius von nur etwa stanz getaucht, belichtet, entwickelt und nach Ent- 0,125 mm.

fernung der unbelichteten lichtempfindlichen Schicht Anschließend wird die Platte gereinigt und in ein

in an sich bekannter Weise elektrolytisch verkupfert; 5 elektrolytisches Verkupferungsbad eingetaucht, so anschließend wird das Werkstück einsatzgehärtet, daß über die ganze Fläche des Bleches, ausgenomgegebenenfalls unter Verwendung eines an sich be- men die Punkte 10, eine Kupferschicht aufgalvanikannten Zyanhärtungsbades aus 25% NaCl, 50% siert wird. Bei einer Galvanisierungsdauer von 50 Mi-NaCN und 25% BaCO₃, und schließlich von der nuten erhält man eine Kupferschicht von etwa Kupfermaske in bekannter Weise durch Behandeln io 0,018 mm. mit einem Chromsäurebad befreit.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es mög- Zusammensetzung des Galvanisierungsbades:

lieh, außerordentlich kleine Punkte mit sehr geringem Kupferzyanid 45 g/J

Abstand auf die Werkstücksoberfläche aufzubringen, Zyankali ........... 72g/l

nämlich Punkte bis zu einem Durchmesser von 15 Ätzkali ... 7 5 g/l

0,125 mm und einem Mittenabstand von 0,375 mm. Rochelle-Salz'..........'. 6 Volumprozent

Genügt für den Einzelfall ein weniger feines Matrix- Glanz-Zusatz 2 Volumprozent

muster, so können die zum Einsatzhärten vorzubereitenden Flächen auch auf andere Weise vorbe- Galvanisierungsbedingungen:

reitet werden, z. B. durch Abdecken mit kohlenstoff- 20 Temperatur 55° C

haltigen Zementen oder durch Aufgalvanisieren von Stromdichte ". ". '. '. 20 bis 25 A

Kupfer unter Verwendung anderer Markierungs- Kathodenbewegung ......... 20/min.

mittel, wie z. B. Farbe oder Wachs.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung Nach der Aufgalvanisierung des Kupfers werden ausgeht, ist gegeben durch Metals Handbook, 1948 25 die entwickelten Punkte in bekannter Weise entEdition, S. 693-694, sowie durch die USA.-Patent- fernt, so daß man ein verkupfertes Blech erhält, auf schrift 2 528 216. Durch die erstgenannte Veröffent- dessen einer Seite sich ein Lochmuster entsprechend lichung ist es bekannt, zur Verhinderung der DifEu- den Punkten 10 befindet. Beim Eintauchen des so sion des Kohlenstoffs während der Einsatzhärtung verkupferten Bleches in ein Einsatzhärtungsbad einer das Werkstück mit Kupfer zu plattieren, um be- 30 Zusammensetzung, wie unten angegeben, für die stimmte ausgewählte einsatzgehärtete Flächen auf Dauer von 25 Minuten bei einer Temperatur von einem Werkstück aus Stahl zu erhalten. In der ge- etwa 800° C wird die zu härtende Fläche bis zu einer nannten USA.-Patentschrift ist das Nitrieren bzw. Tiefe von etwa 0,05 mm aufgekohlt und anschließend Aufkohlen ausgewählter Bereiche mit Hilfe einer in Öl abgeschreckt. Das Einsatzhärtungsbad hat fol-Kupferschicht beschrieben, die vor dem Härten von 35 gende Zusammensetzung: den zu härtenden Bereichen abgelöst wird. Chlornatrium 25%

Das erfindungsgemaße Verfahren wird rm folgen- Natriumzyanid 50%

den an Hand der Zeichnungen naher erläutert. Es Kohlensaures Barium 25 < >/o

F i g. 1 die ausschnittweise vergrößerte Darstellung 4° Nach der Einsatzhärtung wird das Kupfer in beeiner zur Einsatzhärtung vorbereiteten Platte vor kannter Weise in einem Chromsäurebad abgelöst, dem Ablösen der die einzelnen Punkte eines Matrix- Nach diesem Vorgang ist feststellbar, daß der Kohmusters darstellenden Kupfermaske, lenstoff sowohl parallel zur Oberfläche als auch in

■ Fig. 2 die Fläche entsprechend der Fig. 1, jedoch die Tiefe des Materials eingedrungen ist, so daß die nach dem Ablösen der Kupfermaske, wodurch die 45 aufgekohlten Punkte 10 nunmehr die in F i g. 2 gevergrößerten aufgekohlten Punkte des Matrixmusters zeigte Größe erlangt haben. Diese Ausdehnung der sichtbar sind, und Punkte 10 kann durch Veränderung der Behand-

F i g. 3 die ausschnittweise vergrößerte Darstel- lungsdauer und/oder der Temperatur des Bades belung einer zur Einsatzhärtung vorbereiteten Platte in einflußt werden.

der Ansicht entsprechend F i g. 2, jedoch mit quadrat- 50 Bei einem Negativmuster mit gleichmäßig verteilförmigen Punkten vom größerem Abstand unterein- ten Löchern von einem Durchmesser von 0,25 mm ander und einem minimalen Anteil der ungehärteten, und einem Mittenabstand von 0,375 mm erhält man zusammenhängenden Fläche. ein Muster von aufgekohlten Punkten 10, die etwa

Bei dem Verfahren zur Einsatzhärtung der in 60% der gesamten Fläche der Platte 12α (Fig. 2) F i g. 1 gezeigten Platte 12 dient als Werkstoff für 55 ausmachen. Ist für die gehärtete Fläche ein noch die Platte AISI-ClOlO-Kohlenstoffstahl, der sich zur größerer Anteil erwünscht, so ist es vorteilhaft, ein Aufkohlung besonders gut eignet. Für die Einsatz- Negativmuster mit quadratisch geformten Löchern härtung wird das Blech zunächst gründlich gereinigt zu verwenden, wie das in F i g. 3 dargestellte Waffel- und dann in eine lichtempfindliche Substanz einge- muster 14.

taucht, nachdem auf der einen Seite des Bleches ein 60 Das beschriebene Verfahren kann ebenso verwenfür monochromatisches Licht undurchlässiges Nega- det werden für die Einsatzhärtung durch Nitrieren tivmuster aufgebracht wurde, entsprechend den dar- von kohlenstoffhaltigen Legierungsstählen, wie z. B. gestellten Punkten 10. Das Muster wird dann mit ASTM A-355 Kl. A. Solche Stähle enthalten bekanntmonochromatischem Licht belichtet, so daß ein den lieh vorzugsweise einen geringen Prozentsatz Alu-Löchern in dem Negativmuster entsprechendes 65 minium oder Chrom, wodurch das Nitrieren erleich-Punktmuster fixiert wird. Anschließend wird das er- tert wird. Bei einem solchen Nitriervorgang werden haltene Punktmuster entwickelt und die nicht be- die zu härtenden Teile in einem Strom aus einer lichtete lichtempfindliche Substanz in üblicher Weise Mischung aus Ammoniakgas und dissoziiertem Am-

moniak oder aus einem stickstoffhaltigen Gas erhitzt, und zwar in einem Temperaturbereich unterhalb des Umwandlungsbereichs des verwendeten Stahles, beispielsweise bei 500 bis 570° C. Ein Abschrecken ist nicht notwendig. Für den Ammoniakstrom wird eine Konzentration von 70 % Ammoniak und 30% Stickstoff und Wasserstoff im Abgas aufrechterhalten.

Claims (2)

Patentansprüche: IO

1. Verfahren zur Herstellung von flachen, oberflächlich einsatzgehärteten Werkstücken mit guter Verformbarkeit, besonders aus Kohlenstoffoder Nitrierstahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke an ihren zu härtenden Oberflächen mit einer Maske abgedeckt werden, die eine Vielzahl kleinstmöglicher, besonders runder oder quadratischer Löcher mit geringstmöglichem Abstand voneinander aufweist, und daß anschließend die unter den Löchern liegenden Werkstückoberflächen einsatzgehärtet werden, worauf die Maske wieder entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mit einer für monochromatisches Licht undurchlässigen Negativmatrix mit dem gewünschten Lochmuster abgedeckt, in eine lichtempfindliche Substanz getaucht, belichtet, entwickelt und nach Entfernung der unbelichteten lichtempfindlichen Schicht in an sich bekannter Weise elektrolytisch verkupfert wird, worauf es einsatzgehärtet wird, gegebenenfalls unter Verwendung eines an sich bekannten Zyanhärtungsbades aus 25% NaCl, 50% NaCN und 25 % BaCO₃, und schließlich von der Kupfermaske in bekannter Weise durch Behandeln mit einem Chromsäurebad befreit wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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