DE1608324B1 - Verfahren zur lokalisierten elektrolytischen Erwaermung der Oberflaeche eines Werkstueckes aus Metall,insbesondere von Kohlenstoffstahl - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver- . dem er auf die Werkstücksoberfläche auftrifft, wobei fahren und Vorrichtung zur lokalisierten elektro- tatsächlich keine elektrolytische Nebenbehandlung lytischen Erwärmung der Oberfläche eines Werk- zwischen der verteilten, ausgebreiteten oder absrückes aus Metall, insbesondere von Kohlenstoffstahl. gelenkten Flüssigkeit und dem Werkstück stattfindet.

Die USA.-Patentschrift 3 188 245 beschreibt eine 5 Weiterhin wurde beobachtet, daß die Gestaltung des auf elektrischen Entladungsvorgängen beruhende elektrolytisch erwärmten Bereiches und sein Ausmaß Wärmebehandlung von Metallen in Elektrolyten, bei genau durch Einstellung der Entfernung der Düse von der eine Metalloberfläche durch elektrolytische Wir- der Oberfläche und des von der Düse herauskommenkung und elektrische Entladungsvorgänge über die den Stromtyps reguliert werden kann. In anderen Oberfläche eines Werkstückes, welches in ein Elek- io Worten, wenn der aus der Düse austretende Strahl trolytbad eingetaucht wird, erwärmt wird, wobei die eine im wesentlichen laminare Strömung beim ÜberEntladung durch elektrolytische Entwicklung einer brücken des Zwischenraumes und vor dem Moment Gasschicht an der Fläche zwischen dem Elektrolyt des Auftreffens ist und die Gegenelektrode die röh- und dem Werkstück gefördert wird. Die Wärme- renförmige Düse darstellt, wird der elektrolytische behandlung kann für metallurgische Zwecke verwen- 15 Erwärmungsstrom im Flüssigkeitsstrom wirklich zu det werden, zur Förderung der Bildung von Legierun- einer laminaren Umhüllung oder Grenzschicht der gen oder zum Überziehen des Werkstückes mit Ober- Flüssigkeit beschränkt, und auf dem Werkstück kann flächenschichten von Materialien, welche mindestens ein im wesentlichen ringartiges Muster gebildet bis in die Oberflächenbereiche des Werkstückes dif- werden,
fundiert werden können. 20 Wenn jedoch die Düse vom Werkstück weiter ent-

Die in der obenerwähnten Patentschrift offenbarten fernt ist, wird die laminare Umhüllung der leitenden Techniken sind hauptsächlich zum allgemeinen Er- Flüssigkeit erweitert, bis endlich der gesamte Quer- ■ wärmen von wirklich allen in das Elektrolytbad ge- schnitt des Strahles tatsächlich durch elektrolytische tauchten Metalloberflächen geeignet. Es ist jedoch Erwärmungswirkung ausgefüllt ist.
immp.r häufiger wünschenswert, die Wärmebehand- 25 Der Abstand der Düse vom Werkstück erstreckt lung zu lokalisieren und somit die Diffusion nur in sich vorzugsweise von 0,1 bis ungefähr 10 τητη., wähbegrenzte Bereiche des Werkstückes zu bewirken. Es rend die verwendete' Gleichspannung von 60 bis hat sich als unpraktisch erwiesen, Techniken ähnlich 120 Volt reicht. In einer besonderen Ausführungsform denen der Galvanoplastik für solch lokalisierte Er- der Erfindung, welche insbesondere zum lokalisierten wärmung zu verwenden; demnach begrenzt die Um- 30 Erwärmen von inneren Höhlungen eines Werkstückes hüllung einer mit dem Werkstück in ein Elektrolytbad geeignet ist, wird die elektrolytische Strömung durch getauchten Gegenelektrode nicht genügend die elek- diese Höhlungen -geleitet.--Hier unterstützt der seittrolytische Erwärmung des Werkstückes, während die liehe Teil der laminaren Grenzschicht der Elektrolyt-Umhüllung des Werkstückes sehr oft unbequem und flüssigkeit das Erwärmungsverfahren besser als der nicht genügend für jeden Zweck geeignet ist. 35 Querschnitt der Düse, wie im vorhergehend beschrie-

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist benen System.

es, eine verbesserte Methode zum elektrolytischen In beiden Fällen sieht eine weitere Ausgestaltung

Erwärmen von Metallwerkstücken vorzusehen, wobei der Erfindung vor, daß. die Zirkulation des Elektrodie Erwärmung genau auf begrenzte Bereiche der lyten nach Beendigung des elektrischen Stromflusses Werkstücksoberfläche beschränkt werden kann, ohne 40 weitergeführt werden kann, um die zuvor erwärmte die Unbequemlichkeiten einer Umhüllung oder die Oberfläche abzukühlen; hier dient der Elektrolyt Notwendigkeit, dasWerkstück begrenzt in einen Elek- gleichzeitig als Kühlmittel. Es wurde ebenfalls festtrolyten zu tauchen, auf sich nehmenzu müssen. gestellt, daß das Eindringen der Diffusion des Werk- Jj

Es wurde nun festgestellt, daß es möglich ist, die Stückes durch Verwendung eines relativ hochfrequen- ™ Wärmebehandlung ,und Diffusion entlang der- Ober- 45 ten Wechselstromes gefördert werden kann, der fläche eines Metallwerkstückes zu lokalisieren, indem zwischen Gegenelektrode und Werkstück dem elekman entlang der Oberfläche oder dagegen eine be- trolytischen Erwärmungsstrom (s. Beschreibung in wegliche Elektrolytströmung führt und indem man USA.-Patentschrift 3 356 601) überlagert wird, wobei über einen von dieser beweglichen Strömung über--.-·, der überlagerte Wechselstrom eine Frequenz von brückten Zwischenraum, einen ele'ktrolytischen Er- 50 IkHz bis 5MHz aufweist. Ein Niederfrequenzwärmungsstrom mit oder ohne Elektrodenentladung Wechselstrom (30 bis 500 Hz) kann ebenfalls zur hinwegführt, wie im vorerwähnten Patent beschrie- Förderung des elektrolytischen Wärmeverfahrens ver-

ben, um den dem Elektrolytstrom unterworfenen Be- wendet werden. ..

reich des Werkstückes zu erwärmen. Während man . Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vornormalerweise einen unbegrenzten oder nur teilweise 55 Hegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beschränkten Elektrolytstrom erwarten würde, der als Beschreibung unter Bezugnahme, auf die Zeichnung, eine elektrolytische Brücke zwischen den Elektroden in welcher die Erfindung beispielsweise und schemaid, h. dem Werkstück und einer Gegenelektrode) tisch dargestellt ist. Es zeigt

dient, um ein unkontrolliertes Elektrolysensystem zu Fig. 1 eine Ansicht des axialen Querschnittes,

bilden, dessen Wirkung durch die Form der Gegen- 60 welcher die Anwendung der vorliegenden Erfindung elektrode oder deren Gestaltung unbegrenzt ist, haben beim elektrolytischen Erwärmen eines inneren Hohl-Versuche bewiesen, daß das Gegenteil richtig ist. In raumes des Werkstückes gemäß der vorliegenden der Tat wird die elektrolytische Erwärmungswirkung, Erfindung darstellt,

wenn ein Flüssigkeitsstrahl von einer im allgemeinen F i g. 2 eine querschnittliche Ansicht entlang der

röhrenförmigen Düse, welche als Gegenelektrode 65 Linie H-II von F i g. 1,

dienen kann, gegen die zu behandelnde Werkstück- Fig. 3 eine Vorrichtung zur lokalisierten elektro-

oberfläche gerichtet wird, wirklich auf die Umriß- lytischen Erwärmung und zur Diffusion einer flachen linien des Strahles in dem Augenblick begrenzt, in Werkstücksoberfläche,

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Fig. 4 eine Ansicht dieser Oberfläche nach solch von dem Werkstück26 und der Elektrode30 gebildeeiner Erwärmung, ten Elektrodensystem angeschlossen. Die Impulsspan-

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer erfin- nungsquelle besteht aus einer Batterie 46, die einen dungsgemäßen Vorrichtung, teilweise im Querschnitt; Kondensator 47 über eine Drossel 48 auflädt. Der

F i g. 6, 7, 8 und 9 sind Querschnittsdarstellungen 5 Kondensator 47 kann sich über die impulsformende entlang der Linie VI-VI von F i g. 5, die Schnitte Drossel 49 durch Triggerung eines steuerbaren Festdurch die Düsen von verschiedenen Gestaltungen dar- körpergleichrichters (SCR) 50 entladen, dessen stellen, und Steuerelektrode durch den Zeitgeber 51 angesteuert

Fig. 6A bis 6D, 7A bis 7D, 8A und 9A. sind wird, welcher auf einer Frequenz von etwa 5 bis Ansichten von Mustern, welche man mit diesen Elek- io 30 kHz schwingen kann. Der Motor 29 Hegt mit troden erhalten kann. einer Batterie 52 in Reihe, parallel zu dem Zwischen-

In F i g. 1 ist ein System zur Wärmebehandlung raum 32, während die Spule 53 des Elektromagneteines Werkstücks 1 aus Metall dargestellt, welches ventils 37 mit dem Potentiometer 54 parallel zu dem zwischen zwei elektrisch isolierenden Platten 4 und 5 Elektrodensystem reihengeschaltet ist. Es ist daher durch Bolzen 6, welche parallel zu der Bohrung 3 15 offensichtlich, daß das System 41 und 42 dazu gelaufen, geklemmt ist. Die Platten 4 und 5 sind mit eignet ist, den üblichen elektrolytischen Erwärmungsdeckungsgleichen Öffnungen 7 und 8 versehen, gleichstrom über den Zwischenraum 32 zwischen der welche mit der Bohrung 3 übereinstimmen und von Elektrode 30 und dem Werkstück 26 zu leiten, wähgleicher Ausdehnung sind, so daß die innere Ober- rend System 35 bis 45 eine hohe Frequenz (1 kHz bis fläche jeder Öffnung der inneren Wand 9 der Boh- 20 5 MHz) dem ersteren überlagert. Rechteck- oder rung 3 entspricht. Die Platten 7 und 8 sind mit roh- nadeiförmige Impulse können durch das System 46 renartigen Erhebungen 10 und 11 ausgebildet, in bis 51 auf die Elektroden 26, 30 gegeben werden, welche Graphitmuffen 12 und 13 eingeschraubt sind während der Motor 29 und die Spule 53 auf diese zur Bildung von Gegenelektroden für ein elektro- Impulse ansprechen, um das Werkstück und die lyrisches Erwärmungssystem, dessen andere Elektrode 25 Elektrode in vibrierender Weise relativ zueinander zu von dem Werkstück 1 gebildet wird. Zwei Röhren 14. verschieben und die Elektrolytströmung impulsweise und 15 sind mit den Elektroden 12 und 13 verbun- zu steuern.

den und ermöglichen eine Zirkulation eines Elektro- In Fig.:4 stellen die Punktierungen das auf der

Iyten in Richtung des Pfeiles 16, welche von einer Oberfläche 25 des Werkstückes 26 gebildete Muster 60 Pumpe 17 bewirkt wird. Die Pumpgeschwindigkeit ist 30 dar. Es ist· offensichtlich, daß die Erwärmung nur in so bemessen, daß der Elektrolyt in einem laminaren einem ringförmigen Bereich stattgefunden hat, welcher Strom fließt, wobei die Grenzschichten 18 des Stro- der laminaren Hülle des auf den in F i g. 3 dargestellmes elektrolytische Brücken zwischen . dem Werk- / ten Bereich H auftreffenden Elektrolyts entspricht, stück und den Elektroden 12 und 13 bilden. Der \ . ^: .

elektrolytische Erwärmungsstrom wird von einer 135 Beispiel 1

Quelle 19 geliefert, welche in Reihe mit einer Drossel -Bei Anwendung des in F i g. 3 dargestellten Systems

20 über die Elektroden 12, 13 und 1 geschaltet ist, wurde S 55 c-Köhlenstoffstahl mit einem wässerigen wobei die Elektroden durch eine Hochfrequenzquelle Elektrolyt' (15 Gewichtsprozent Kaliumacetat) wäh-

21 überbrückt sind, welche an die Primärwicklung rend einer Behandlungszeit von 24 Sekunden und eines Kopplungstransformators 22 angeschlossen ist, 40 einem Zwischenraum 32 von 2 mm behandelt. Vor dessen Sekundärwicklung in Reihe mit einem Block- " dibser Behandlung wurde die Rockwellhärte der kondensator 23 parallel zu den Elektroden liegt. Der Oberfläche 25 mit 65Rc festgestellt. Die querschnittserwärmte Bereich ist bei 2 in Fi g, 2 dargestellt. mäßige Gestaltung der Elektrode 30 war die eines

In Fig. 3 und 4 ist eine Vorrichtung zur elektro- gleichseitigen Dreiecks (s. Fig. 7) mit Außenseiten lyrischen Erwärmung' und Diffusion einer flachen 45 von 10 mm Länge und einer Wandstärke von 2 mm. Werkstücksoberfläche 25 gezeigt. Das Werkstück 26 Die Elektrode bestand aus Graphit. Die Flüssigkeit wird von einer Zahnstange 27 getragen, welche von wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 4,5 Liter einem Ritzel 28 und einem Motor 29 angetrieben ' pro Minute umgewälzt und der Strom wurde mit wird. Die Gegenelektrode ist hier von einer röhren- Gleichspannung 90 Volt zugeführt, bei einer Impulsartigen Düse 30 dargestellt, welche aus Graphit be- 50 weite und einem Impulsabstand von 0,5 msec aus der steht und einen gleichmäßigen Querschnitt aufweist, Quelle 46 bis 51. Es wurde kern Hochfrequenzwobei die Düse 30 eine Mündung 31 besitzt, welche wechsel- oder Dauergleichstrom verwendet. Nach der von der Werkstücksoberfläche durch einen von dem genannten Behandlungszeit wurde festgestellt, daß Elektrolytstrahl überbrückten Zwischenraum getrennt man eine Wärmebehandlungstiefe von 3 mm erreicht ist. Die Elektrode 30 ist auf einer feststehenden 55 hatte, mit einer weiteren Verhärtung bis zu 222Rc. Stütze 33 montiert, deren Elektrolyteinlauf 34 mit der Auch durch eine Dauerbehandlung mit Gleich-

Bohrung 35 der Düse 30 verbunden ist und von einer strom bei 118VoIt während einer Zeitspanne von Pumpe 36 über ein elektromagnetisch gesteuertes 11 Sekunden wurde die Härte auf 222 Rc erhöht. Ventil 37 gespeist wird. Der Elektrolyt wird in einen Man hat festgestellt, daß die Härte noch weiter geBehälter 38 geleitet und in ein Reservoir 39 entlang 60 steigert werden könnte bei Anwendung des Systems der Leitung 40 zurückgebracht. 27, 28, 29, 52 durch eine Vibration in Richtung des

Die Stromzufuhr besteht hier aus einer regelbaren elektrolytischen Stromflusses von 0,5 mm bei 50 Peri-Gleichspannungsquelle 41, welche mit einer Drossel oden/Sek. sowie durch einen Hochfrequenz-Wechsel-42 zur Aufrechterhaltung des elektrolytischen Erwär- strom von IkHz bis 5MHz, vorzugsweise 10 bis mungsstromes in Reihe geschaltet ist, wie in der vor- 65 30 kHz, und durch Kombinationen von Hochfrequenz, erwähnten Patentschrift beschrieben. Zusätzlich ist Vibration und impulsweise Steuerung der Elektrolyteine Weehselspannungsquelle 43 über einen Transfer- strömung bei einer Geschwindigkeit von etwa 100 mator 44 und einen Kondesnator 45 parallel zu dem bis 1000 Impulsen/Sek.

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Es wurde auch festgestellt, daß man eine erhöhte Erwärmung durch Hinzufügung von Glycerin zum Elektrolyt (bis zu einer Menge von 10°/o) erreichen konnte und daß das System eine lokalisierte Erwärmung bis zu Tiefen von weniger als 10 mm mit größerer Intensität zuließ, als mit dem Eintauch-System der elektrolytischen Erwärmung möglich ist, bei dem eine ähnliche Leistung verwendet wird und bei dem Erwärmungen bis zu Tiefen von 20 bis 25 mm üblich sind.

F i g. 5 stellt noch eine andere Vorrichtung zur Wärmemusterbildung, die Behandlung und Diffundierung eines Werkstückes 61 dar, welches von einer Klemme 62 in einem Kopf 63 eines Wärmebehandlungsapparates gehalten wird. Eine aufwärtsgerichtete röhrenartige Graphitdüse 64 wird von einer Ringklemme65 an einem senkrechten Gleitstück 66 gehalten, welches eine vom Ritzel 67 angetriebene Zahnstange bildet. Eine elektrolytische Wärmequelle 68 wird mit einem Schalter 69 über die Elektrode 64 und das Werkstück 61 reihengeschaltet. Elektrolyt wird der Elektrode 64 durch eine Pumpe 70 durch einen Zuflußmesser 71 von einem Reservoir 72 aus zugeführt, welches als Sammeltrog für den Elektrolyten dient. Ein Zeiger 73 wird von der Elektrode 64 getragen und arbeitet mit einer fixierten Skala 74 zusammen, zum Anzeigen der Entfernung der Zuflußöffnung 75 der Düse vom Werkstück 76.

B eis ρ i e1 II

Das Werkstück 61 war ein Quadrat mit einer Länge und Weite von 40 mm und einer Stärke von 6 mm

ίο und bestand aus SK 7-Stahl. Der zirkulierte Elektrolyt war eine 25°/'oige wässerige Lösung von Kaliumacetat bei 65° C, während die Elektrode 64 aus Graphit bestand. Mit einer Werkstücksentfernung von 10 mm, einer Spannung von 85VoIt, einer Elektrolytflußgeschwindigkeit von 4 Liter pro Minute und einer Maschinenzeit von 33 Sekunden war das mit der Elektrode von F i g. 6 erhaltene Muster (äußerer Umfang 10 mm, innerer Umfang 8 mm) das von F i g. 6 A und entsprach einem gleichmäßig über seine gesamte Fläche erwärmten Kreis mit einem Umfang von 10 ±0,5 mm. Der Unterschied der Ergebnisse und Bedingungen ist in der folgenden Tabelle angegeben:

Entfernung von Elektrode und Werkstück	Span nung	Elektrolyt- fluß- geschwindig- keit	Behand lungszeit	Muster
(mm)	(E. D.)	(Liter/Min.)	(Sek.)
10	85	4	33	Fig. 6 A
5	85	4,5	35	Fig. 6 B
3	90	4	38	Fig. 6C
'Il.	90 kalt	ί }	40	Fig. 6 D
10	85	. 4	35	Fig. 7 A
3	90 ■	4	40	Fig. 7B
*r τ l 0,5	90 kalt	4,5 Y- 2 J	40	Fig. 7 C
*/ 3 I 0,5	90 kalt	ί }	42	Fig. 7D
*r 4 I 0,5	90 kalt .		50	Fig. 8 A
*/ 4 I 0,5	90 kalt		45	Fig. 9 A

* Nach Beendigung des elektrischen Stromflusses wurde die Düse in den angegebenen Abstand gebracht und der Elektrolyt als Kühlmittel bei der. angegebenen Geschwindigkeit umgewälzt, um die behandelte Oberfläche abzukühlen.

Man hat festgestellt, daß die Hinzufügung von -'^: Glyzerin in einer Menge von 5 % des Gewichtes zum Elektrolyt die Erwärmungsgeschwindigkeit erhöhte und in jedem Falle eine Reduzierung der Erwärmungszeit gestattete. Eine ähnliche Verbesserung wurde durch impulsweises Zirkulieren des Elektro- ■ ' lyten, Vibrieren des Werkstückes und indem man eine Hochfrequenz dem System überlagert, wie oben beschrieben, erreicht.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur lokalisierten elektrolytischen Erwärmung der Oberfläche eines Werkstückes aus Metall, insbesondere von Kohlenstoffstahl, wobei eine Werkstücksoberfläche mit einem Elektrolyten in Kontakt gebracht wird und ein elektrolytischer Erwärmungsstrom durch den Elektrolyten zur Erwärmung der Oberfläche geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Oberfläche lokalisiert wird, indem der Elektrolyt in Form einer sich bewegenden Strömung an die Oberfläche gebracht wird, wobei der elektrolytische Erwärmungsstrom über eine Elektrode geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt gegen die Ober-

fläche von einer Elektrodendüse in Form eines Strahles geführt wird, welcher einen Zwischenraum zwischen der Düse und dem Werkstück überbrückt, wobei der elektrolytische Erwärmungsstrom zwischen der Düse und dem Werkstück fließt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse aus Graphit besteht und von der Werkstücksoberfläche ungefähr 0,1 bis 10 mm weit entfernt angeordnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche als Unterseite des Werkstückes angeordnet wird und daß der Strahl aufwärts gegen die Unterseite des Werkstückes gerichtet wird. ■ !5

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse und das Werkstück einer Vibrationsbewegung relativ zueinander unterworfen werden, während der elektrolytische Erwärmungsstrom durch den Elektrolyten geführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gegen die Oberfläche gerichtete Strahl impulsweise eingeschaltet wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche durch einen im Werkstück vorgesehenen Kanal gebildet wird und daß der Elektrolyt durch den Kanal geleitet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß des elektrolytischen Erwärmungsstromes beendet wird und danach die Elektrolytströmung an der Oberfläche zur Kühlung derselben jedoch fortgesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 1 kHz; bis 5MHz dem elektrolytischen Erwärmungsstrom überlagert ist.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, welche eine Halterung für das Werkzeug aufweist sowie eine in Verbindung mit einem Elektrolyten stehende und vom Werkstück entfernte Gegenelektrode und eine an das Werkstück und die Gegenelektrode geschaltete elektrolytische Wärmeleistungsquelle zum Durchleiten eines elektrolytischen Erwärmungsstromes durch den Elektrolyten, welcher den Zwischenraum zwischen der Gegenelektrode und dem Werkstück überbrückt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (14, 15, 17) zur Leitung einer Elektrolytströmung auf die Werkstücksoberfläche (9, 35) während des Flusses des elektrolytischen Erwärmungsstromes vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode als eine aus Graphit bestehende und vom Werkstück (1, 26) etwa 0,1 bis 10 mm entfernte röhrenförmige Düse (12, 13, 30) ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsquelle eine Wechselstromquelle (43) von 1 kHz bis 5MHz aufweist, welche an das Werkstück (1, 26) und die Gegenelektrode (12, 13, 30) anschaltbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen COPY

009 552/191