DE1284979B - Verfahren zum Oberflaechenhaerten von Stahl mittels Hochfrequenzerhitzung - Google Patents

Verfahren zum Oberflaechenhaerten von Stahl mittels Hochfrequenzerhitzung

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DE1284979B
DE1284979B DE1958L0030681 DEL0030681A DE1284979B DE 1284979 B DE1284979 B DE 1284979B DE 1958L0030681 DE1958L0030681 DE 1958L0030681 DE L0030681 A DEL0030681 A DE L0030681A DE 1284979 B DE1284979 B DE 1284979B
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DE1958L0030681
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Ettenreich
Dr Phil Franz
Lihl
Dr Phil Ludwig
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PHIL FRANZ DR
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PHIL FRANZ DR
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06Surface hardening
    • C21D1/09Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmebehandlungsverfahren für Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, und zwar wird durch extrem hohe Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten ein bisher unbekanntes Härtegefüge hergestellt.
  • Die bisher bekannte Härtetechnik zielt auf Umwandlung des Stahlgefüges in Martensit (oder die daraus abgeleiteten Vergütungsgefüge). Nun ist bekanntlich Martensit bei Maxiinalhärte für die meisten Verwendungszwecke zu spröde, andererseits büßt er bei Herabsetzung der Sprödigkeit an Härte ein. Eine Steigerung der Korrosionsbeständigkeit hat die martensitische Härtung nicht zur Folge-, werden in dieser Hinsicht Ansprüche gestellt, so müssen dem Stahl wertvollere Legierungsbestandteile beigemischt werden.
  • Erfindungsgemäß wird ein Härtungsgefüge hergestellt, das an Härte den Martensit erreicht, wenn nicht übertrifft, dabei keiner Anlaßbehandlung bedarf, sondern bei Vollhärte ausreichend zäh ist und überdies eine beachtlich erhöhte Korrosionsbeständigkeit aufweist.
  • Die Oberflächenerhitzung von legierten Stählen mittels extrem hohen Frequenzen im Megahertz-Bereich ist an sich bekannt (Patentschrift 10 227 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin). Bei dem bekannten Verfahren erfolgt die Verwendung der hohen Frequenzen, um dadurch die Eindringtiefe auf die Oberflächenschicht zu begrenzen. Dabei wird zunächst die Oberfläche des Werkstücks bei Frequenzen von 400 KE[z bis zum Curiepunkt erwärmt und darauf die Wärmebehandlung bei Frequenzen von 30 MHz bis zur Erreichung der Härtetemperatur fortgesetzt.
  • Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren ist es erfindungsgemäß wesentlich, eine Vorwärinung auf einen mittleren Temperaturbereich zu vermeiden und die Erhitzung auf die Härtetemperatur innerhalb eines Bereichs von 0,1 s vorzunehmen.
  • Die Abkühlung der aufgeheizten Schicht erfolgt bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie Berechnungen ergeben haben, in Zeiten, die nur einen Bruchteil einer zehntel Sekunde ausmachen. Diese extrem schnelle Abkühlung ist es, welche die Entstehung des erfindungsgemäßen, bisher gänzlich unbekannten Gefüges zur Folge hat. Wird das Werkstück, wie in dem entgegengehaltenen Patent beschrieben, in zwei Stufen aufgeheizt, dann werden auch Materialmengen, die mehr oder weniger tief unter der Oberfläche liegen, durch den Wärmeabfluß vorgeheizt. Die Folge ist ein weit kleinerer Temperaturgradient, als durch das erfindungsgemäße Verfahren hervorgerufen werden kann, d. h. die Abkühlung der aufgeheizten Oberflächenschicht kann nur vergleichsweise langsam erfolgen. Diese Abkühlungsgeschwindigkeit ist zwar hoch genug, um das klassische Härtegefüge zu erreichen, reicht jedoch nicht aus, den Effekt der Erfindung zu erreichen.
  • Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Strahler mit zwei gegebenenfalls in ihrem Abstand veränderbaren Elektroden, die an dem Ausgang eines Hochfrequenzgenerators angeschlossen sind.
  • Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Sammler zur punktförmigen Konzentration der elektromagnetischen Feldenergie.
  • Um die erforderliche Härtetemperatur innerhalb der kurzen erfindungsgemäß vorgesehenen Zeitdauer von 0,1 Sekunden zu erreichen, ist annähernd punktförmige Konzentration der Energien erforderlich, wenn Energiequellen mit technisch vertretbarer Leistung benützt werden sollen.
  • Mit bekannten Verfahren konnte der erforderliche steile Temperaturgradient nicht erreicht werden, da dabei außer Acht blieb, daß außer der angewandten Frequenz sowohl die Energiedichte als auch die Zeitdauer der Einwirkung sowie eine möglichst hohe Flächenkonzentration der Energie eine entscheidende Rolle spielen, verbunden mit einer Ausnutzung der Wärmeleitfähigkeit beschränkt auf geringe Schichtdicke. Während bei den bekannten Verfahren praktisch allein durch Wahl der Frequenz die Eindringtiefe der Erwärmung gesteuert wurde, wird gemäß der Erfindung die unmittelbare Erwärmung auf die äußerste Oberflächenschicht der zu härtenden Zone konzentriert und der Rest der an sich insgesamt dünnen Zone durch Wärmeleitung auf die erforderliche Temperatur gebracht.
  • Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt A b b. 1 ein Prinzipschema einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher als Strahler und Sammler ein Rotationsellipsoid vorgesehen ist, A b b. 2 eine Anordnung, bei welcher Strahler und Sammler voneinander getrennt sind und aus zwei Rotationsparaboloiden bestehen und A b b. 3 eine Anordnung, bei welcher der Strahler aus einem Rotationsparaboloid und der Sammler aus einer Linse besteht.
  • Der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Strahler weist zwei Elektroden auf, die verstellbar ausgeführt sein können, um eine Anpassung an die gegebenen Frequenzverhältnisse zu ermöglichen. Die Elektroden sind an den Ausgang eines Hochfrequenzgenerators angeschlossen und derart auf einen Sammler gerichtet, daß die elektromagnetische Feldenergie durch diesen angenähert punktförmig konzentriert wird. Der Strahler und der Sammler für die Feldenergie kann dabei aus einem hohlen Rotationsellipsoid aus elektrisch leitendem Werkstoff bestehen. In den einen Brennpunkt dieses Ellipsoids ist eine Elektrode elektrisch isoliert eingeführt. Die Fläche des Ellipsoids stellt die andere Elektrode dar. Ferner sind Mittel vorgesehen, um das zu härtende Werkstück im Bereich des zweiten Brennpunktes des Rotationsellipsoids anzuordnen, wobei der Brennpunkt selbst sich auf der Werkstückoberfläche zu befinden hat. Durch eine derartige Anordnung wird die notwendige Konzentration der Energie auf einen möglichst kleinen Bereich erzielt.
  • Strahler und Sammler können bei einer derartigen Anordnung miteinander verbunden oder voneinander getrennt sein, je nachdem wie dies aus technischen Gründen zweckmäßig erscheint. Es ist auch möglich, den Strahler und den Sammler aus je einem hohlen Rotationsparaboloid im Brennpunkt eine vorzugsweise kugelförmige Elektrode isoliert angebracht. Die andere Elektrode stellt wiederum die Fläche des Paraboloids dar. Im Bereich des Brennpunkts des als Sammler dienenden Rotationsparaboloids ist das zu härtende Werkstück angeordnet. Zur Einstellung der im Brennpunkt vorgesehenen Elektrode kann es zweckmäßig, sein, diese Elektrode beweglich zu gestalten, um beispielsweise mittels hierfür geeignete Einstellvorrichtuncren den Abstand der Elektrode vom C reflektierenden Teil des Paraboloids zu verändern. Selbstverständlich können an die Stelle der Rotationsparaboloide Kugelkalotten vorgesehen werden, deren Radien den Krümmungskreisen der Paraboloide entsprechen.
  • In Ab b. 1 ist in das aus elektrisch leitendem Werkstoff bestehende Rotationsellipsoid 1 eine kugelförmige Elektrode 2 im Brennpunkt F, angeordnet. Diese Elektrode ist mittels einer Durchführung 3 von dem elektrisch leitenden Rotationsellipsoid isoliert und an den einen Pol des Ausgangs des Hochfrequenzgenerators 4 angeschlossen. Der andere Pol des Ausgangs des Hochfrequenzgenerators ist über eine elektrische Leitung 5 mit dem Rotationsellipsoid leitend verbunden.
  • Im Bereich des zweiten Brennpunktes F., des Ellipsoids ist in diesem eine Aussparung 6 zur Üinführung des Werkstücks 7 vorgesehen. Alle vom BrennpunktF, ausgehenden Strahlen des elektromagnetischen Strahlungsfeldes werden infolge der geometrisch-optischen Gesetze im BrennpunktF., vereinigt. In diesem Brennpunkt befindet sich die bberfläche des Werkstücks 7, wodurch eine gemäß der Erfindung große Energiedichte pro Flächeneinheit an einem Punkt der Werkstückoberfläche erzielt wird. Durch eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Brennpunkt kann jede beliebige Flächenhärtung bis zur gesamten Oberflächenhärtung durchgeführt werden.
  • Analoge Verhältnisse liegen bei der Ausführungsform der Vorrichtung gemäß A b b. 2 vor. Statt des Rotationsellipsoids sind hier für den Strahler und den Sammler zwei Rotationsparaboloide 8 und 9 vorgesehen, die mit ihren Scheiteln auf einer gemeinsamen Hauptachse liegen und mit ihren öffnungen einander zugekehrt sind. Der elektrische Anschluß erfolgt sinnentsprechend der Angaben zu Ab b. 1. Die beiden Rotationsparaboloide können, wie in der Abbildung gezeigt, voneinander getrennt sein oder einander so nahe gebracht werden, daß sie sich gegenseitig berühren. Auch hier werden die vom Brennpunkt F, ausgehenden Strahlen des elektromagnetischen Strahlungsfeldes infolge der geometrisch-optischen Gesetze der Paraboloide im Brennpunkt F., vereinigt. Das Werkstück 7 wird auch hier derart im Bereich des Brennpunkts F, angeordnet, daß dieser auf der Oberfläche des zu härtenden Werkstücks zu liegen kommt.
  • Sinngemäß gilt dies auch für eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Ab b. 3, lediglich mit dem Unterschied, daß hier der Sammler aus einer Konkavlinse 10 besteht. Für diese Linse wird ein Werkstoff verwendet mit einem für die gewählte Frequenz geeigneten Brechungsindex, beispielsweise Paraffin oder Polyäthylen. Durch diese Linse 10 werden die von F, ausgehenden durch das Rotationsparaboloid parallel gerichteten Strahlen im Brennpunkt F, vereinigt, welcher auch hier auf der Werkstückoberfläche des Werkstücks 7 liegt.
  • In den Abbildungen sind der Einfachheit halber die Vorrichtungen zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Erhitzungszone weggelassen. Selbstverständlich können hierfür alle bekannten Anordnungen, beispielsweise Vorrichtungen zur Erzeugung von Drehbewegunaen, Längsbewegun-C gen und die Kombination beider Bewegungsarten, Verwendung finden.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Oberflächenhärten von Stahl mittels Hochfrequenzerhitzung im MHz-Bereich auf Temperaturen im Bereich zwischen 1100 und 1300' C unter Beschränkung auf Oberflächenschichten von 0,2 mm und darunter bei Kühlung durch innere Wärmeleitung, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Erhitzung in einer einzigen Behandlungsstufe im Frequenzbereich zwischen 20 und 100 MHz innerhalb einer Zeitdauer von 0,1 s und bei einer Leistungsdichte von mindestens 40 kW/cm3 erfolgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr zum Werkstück mit angenähert punktförmiger Konzentration erfolgt, gegebenenfalls unter Relativbewegung zwischen Werkstück und Energiequelle. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, mit einem zur Erzeugung einer gerichteten Strahlung aus zwei, gegebenenfalls in ihrem Abstand veränderbaren Elektroden bestehenden Strahler, dessen beide Elektroden an den Ausgang eines Hochfrequenzgenerators angeschlossen sind, gekennzeichnet durch einen Sammler (1; 9, 9; 10) zur punktförmigen Konzentration der elektromagnetischen Feldenergie. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein aus elektrisch leitendem Werkstoff bestehendes, gleichzeitig als Strahler und Sammler wirkendes Rotationsellipsoid (1), dessen Fläche die eine Elektrode bildet und in dessen einen Brennpunkt (F,) die zweite kugelförmige Elektrode isoliert durch die Fläche hindurchgeführt ist und durch Mittel zur Lagerung des zu härtenden Werkstückes (7) im Bereich des zweiten Brennpunktes (F 2 ) des Ellipsoids. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Strahler und Sammler aus je einem hohlen Rotationsparaboloid (8, 9) bestehen und in den Brennpunkt des als Strahler dienenden Rotationsparaboloides (8) eine kugelförmige Elektrode (2) isoliert durch die als zweite Elektrode dienende Fläche eingeführt ist und Mittel zur Aufnahme des zu härtenden Werkstückes (7) im Bereich des Brennpunktes (F.) des als Sammler dienenden Rotationsparaboloides (9) vorgesehen sind. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Rotationsparaboloide Kugelkalotten vorgesehen sind. 7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler aus einem Rotationsparaboloid (8) oder einer Kugelkalotte als der einen Elektrode und einer isoliert durch die Rotationsfläche eingeführten im Brennpunkt anaeordneten zweiten Elektrode besteht (2) und als Sammler der Energie eine Konkavlinse (10) aus einem Werkstoff mit einem für die verwendete Frequenz geeigneten Brechungsindex dient, in deren einem Brennpunktbereich das zu erhitzende Werkstück (7) angeordnet ist.
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