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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Sammler
zur punktförmigen Konzentration der elektromagnetischen Feldenergie.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.