DE1608324C - Verfahren zur lokalisierten elektrolytischen Erwärmung der Oberfläche eines Werkstückes aus Metall, insbesondere von Kohlenstoffstahl - Google Patents

Description

Flüssigkeit beschränkt, und auf dem Werkstück kann ein im wesentlichen ringartiges Muster gebildet werden.

Wenn jedoch die Düse vom Werkstück weiter entfernt ist, wird die laminare Umhüllung der leitenden Flüssigkeit erweitert, bis endlich der gesamte Querschnitt des Strahles tatsächlich durch elektrolytische Erwärmungswirkung ausgefüllt ist.

Der Abstand der Düse vom Werkstück erstreckt sich vorzugsweise von 0,1 bis ungefähr 10 mm, während die verwendete Gleichspannung von 60 bis 120 Volt reicht. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, welche insbesondere zum lokalisierten

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 clektrolytische 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 Oberflächcnschichten von Materialien, welche mindestens
bis in die Oberflächenbereiche des Werkstückes diffundiert werden können.

Die in der obenerwähnten Patentschrift offenbarten
Techniken sind hauptsächlich zum allgemeinen Erwärmen von wirklich allen in das Elektrolytbad getauchten Metalloberflächen geeignet. Es ist jedoch
immer häufiger wünschenswert, die Wärmebehand- 25
lung zu lokalisieren und somit die Diffusion nur in
begrenzte Bereiche des Werkstückes zu bewirken. Es
hat sich als unpraktisch erwiesen, Techniken ähnlich
denen der Galvanoplastik für solch lokalisierte Erwärmung 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

diese Höhlungen geleitet. Hier unterstützt der seitliche Teil der laminaren Grenzschicht der Elektrolytflüssigkeit das Erwärmungsverfahren besser als der Querschnitt der Düse, wie im vorhergehend beschriebenen System.

In beiden Fällen sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die Zirkulation des Elektrolyten 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, das Werkstück begrenzt in einen Elek- gleichzeitig als Kühlmittel. Es wurde ebenfalls festtrolyten zu tauchen, auf sich nehmen zu müssen. gestellt, daß das Eindringen der Diffusion des Werk-

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 elcktrolytischen Er- 50 1 kHz bis 5 MHz aufweist. Ein Niederfrequenzwärmungsstrom mit oder ohne Elektrodencntladung Wechselstrom (30 bis 500 Hz) kann ebenfalls zur hinwegführt, wie im vorerwähnten Patent beschrie- Förderung des elcktrolytischen Wärmeverfahrens verben, um den dem Elektrolylstrom unterworfenen Be- wendet werden.

reich des Werkstückes zu erwärmen. Während man Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vor-

normalerweise einen unbegrenzten oder nur teilweise 55 liegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beschränkten Elcktrolytstrom 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 Elektrodensystem 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-Vcrsuchc bewiesen, daß das Gegenteil richtig ist. In räume;; des Werkstückes gemäß der vorliegenden der Tat wird die elektrolytische Erwärmungswirkung, Erfindung darstellt,

wenn ein Flüssigkeitsstrahl von einer im allgemeinen Fig. 2 eine qiierschnittliche Ansicht entlang der

röhrenförmigen Düse, welche als Gegenelektrode 65 Linie Ιί-II von I·' i g. I,

dienen kann, gegen die zu behandelnde Werkstück- F i g. 3 eine Vorrichtung /ur lokalisierten elektro-

oberfla'chc gerichtet wird, wirklich auf die Umriß- Iytischcn Erwärmung und zur Diffusion einer flachen linien dc. Strahles in dem Augenblick begrenzt, in Werkstückoberfläche,

getauchten Gegenelektrode nicht genügend die elektrolytische Erwärmung des Werkstückes, während die Umhüllung des Werkstückes sehr oft unbequem und nicht genügend für jeden Zweck geeignet ist.

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Methode zum elektrolytischen Erwärmen von Metallwerkstücken vorzusehen, wobei die Erwärmung genau auf begrenzte Bereiche der

3 4

Fig. 4 eine Ansicht dieser Oberfläche nach solch von dem Werkstück 26 und der Elektrode 30 gebilde-

einer Erwärmung, ten Elektrodensystem angeschlossen. Die Impulsspan-

F ig. 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 Fest-

durch 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 9 A sind wird, welcher auf einer Frequenz von etwa 5 bis

Ansichten von Mustern, welche man mit diesen Elek- 10 30 kHz schwingen kann. Der Motor 29 liegt mit

troden erhalten kann. einer Batterie 52 in Reihe, parallel zu dem Zwisehen-

In F i g. 1 ist ein System zur Wärmebehandlung raum 32, während die Spule 53 des Elektromagneteines Werkstücks I aus Metall dargestellt, welches ventils 37 mit dem Potentiometer 54 parallel zu dem zwischen zwei elektrisch isolierenden Platten 4 und 5 Elektrodensystem rcihcngeschaltct ist. Es ist daher durch Bolzen 6, welche parallel zu der Bohrung 3 15 ollensichtlich, daß das System 41 und 42 dazu gelaufen, geklemmt ist. Die Platten 4 und 5 sind mit eignet ist, den üblichen elektronischen 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, wühgleicher 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 erstercn 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 anspreche.n, um das Werkstück und die lytisches 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

lyten 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 dargestell-

mes elektrolytische Brücken zwischen dom Werk- ten Bereich H auftretenden Elektrolyts entspricht,

stück und den Elektroden 12 und 13 bilden. Der .

elektrolytische Erwärmungsstrom wird von einer 35 B e 1 s ρ 1 e 1 I

Quelle 19 geliefert, weiche 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 S55c-Kohlenstoilstahl 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- dieser 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 F i g. 2 dargestellt. mäßige Gestaltung der Elektrode 30 war die eines

In Fig. 3 und 4 ist eine Vorrichtung zur elektro- gleichseitigen Dreiecks (s. F i g. 7) mit Außenseiten lytischen 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 90VoIt 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 kein Hochfrequcnzwobei die Düse 30 eine Mündung 31 besitzt, welche wechsel- oder Dauergleichstrom verwendet. Nach der von der Werkstücksoberfläche durch einen von dem genannten Behandlungszcit 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 222 Rc. 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 118 Volt 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-

Gleichspaniningsquelle 41, weiche mit einer Drossel oden/Sek. sowie durch einen I lochfrcquen/.-Werhsol-

42 zur Aufrechterhaltung des elektrolytischen F.rwär- strom von IkHz bis 5 MHz, vorzugsweise 10 bis

mungsstromes in Reihe geschaltet ist, wie in der vor- 65 30 kl Iz, und durch Kombinationen von Hochfrequenz,

erwähnten Patentschrift beschrieben. Zusätzlich ist Vibration und impiilsweiso Steuerung der Illektrolyt-

cinc Wechselspannungsquellc 43 über einen Trunsfor- strömung bei einer Geschwindigkeit von etwa K)O

mator44 und einen Koiulesnator45 parallel zu dem bis H)Ol) Inipiilsen/Sek.

Es wurde auch festgestellt, daß man eine erhöhte Erwärmung durch Hinzufügung von Glycerin zum Elektrolyt (bis zu einer Menge von 10%) 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 elektronischen Erwärmung möglich ist, bei dein 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 Wäimemustcrbildung, 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 Ringklemme 65 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 e i spi el 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 SK7-StahI. 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 85 Volt, einer Elektrolytfiußgeschwindigkeit 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. 6 C
• 1 2 \ 2	90 kalt	U) Ov	40	Fig. 6 D
10	85	4	35	Fig. 7 A
3	90	4	40	Fig. 7 B
•i 7 \ 0,5	90 kalt	4,5 ) 2 J	40	Fig. 7 C
■ *| 3 \ 0,5	90 kalt	i }	42	Fig. 7 D
*f 4 1 0,5	90 kalt	I }	50	Fig. 8 A
• i ·* \ 0,5	90 kalt	2 5 }	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°,i> des Gewichtes zum Elektrolyt die Erwärmungsgeschwindigkeit erhöhte und in jedem Falle eine Reduzierung der Erwär-. mungszeit gestattete. Eine ähnliche Verbesserung wurde durch impulsweises Zirkulieren des Elektrolyten, Vibrieren' des Werkstückes· und indem man eine Hochfrequenz dem System überlagert, wie oben besehrieben, erreicht.

Claims (12)

1. Patentansprüche:

   I. Verfahren zur lokalisierten elektrolytischen Erwärmung der Oberfläche eines Werkstückes

   «5

   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. 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. 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. . 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. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gegen die Oberfläche gerichtete Strahl impulsweise eingeschaltet wird.
7. 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. 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. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eih Wechselstrom mit einer Frequenz von IkHz bis 5MHz dem elektrolytischen Erwärmungsstrom überlagert ist.
10. 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. 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. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsquelle eine Wechselstromquejle (43) von 1 kHz bis 5 MHz aufweist, welche an das Werkstück (1, 26) und die Gegenelektrode (12, 13, 30) anschaltbar ist.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 632/202