DE19500879C1 - Surface hardening of workpieces using electron beams, esp. guideway elements - Google Patents

Surface hardening of workpieces using electron beams, esp. guideway elements

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Abstract

A process for surface hardening of workpieces using electron beams, in which at least two joint planes are hardened, is disclosed. The process is novel in that, after heating and self-quenching within the required hardening time of a surface section, the workpiece (5) together with its carrier (6) is removed from the receptacle with the electron beam installation. It is first cooled by a stream (8) of cooling gas and atomised liquid, and is then dried by the cooling gas. Finally it is returned into the receptacle for hardening of the next surface section. The appts. for carrying out the above process is also claimed. It comprises an electron beam unit connected to a cooling station via a conveyor. The appts. is novel in that a blower (7) and a supply (10) for atomising and mixing of a fluid into the cooling gas stream (8) aimed at the workpiece (5) are arranged in the cooling station and that the cooling station (8) is sealed from the inlet (11) for the cooling gases top the exit (9) for the cooling gases.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenhärten metallischer Werkstücke mit Elektronenstrahlen, vorzugsweise für solche Anwendungen, bei denen die Wärmekapazität des Werkstücks eine Durchführung der kompletten Härteaufgabe in mehreren Schritten mit zwischenzeitlicher Werkstückabkühlung erfordert. Ein typisches An­ wendungsgebiet der Erfindung ist das Oberflächenhärten von Teilen des Maschi­ nenbaus, wie z. B. die Mehrseitenhärtung von Führungsleisten.The invention relates to a method for surface hardening metallic Workpieces with electron beams, preferably for those applications where the heat capacity of the workpiece performing the complete hardness task in several Steps with intermediate workpiece cooling required. A typical An The field of application of the invention is the surface hardening of parts of the machine nenbau, such as. B. the multi-side hardening of guide rails.

Die Oberflächenhärtung mittels Elektronenstrahlen ist allgemein bekannt. Es wird in bekannter Weise die Oberfläche mit dem Elektronenstrahl gehärtet. Die eingebrachte Energie wird dabei in Wärme umgewandelt und führt zur Austeniti­ sierung des Werkstoffs in einer an die Oberfläche angrenzenden Randschicht. Durch Wärmeleitung wird die Wärme vom Einstrahlungsort in das Werkstückinne­ re abgeleitet. Die dadurch bewirkte Abkühlung der erwärmten Randschicht führt nach Beendigung des Energieeintrags zur Umwandlung des gebildeten Austenits in Martensit und damit zur Härtung der Randschicht. Diese Art der Abschreckung durch Wärmeleitung wird auch als Selbstabschreckung bezeichnet.Surface hardening using electron beams is well known. It the surface is hardened in a known manner with the electron beam. The The energy introduced is converted into heat and leads to austenite sation of the material in an edge layer adjacent to the surface. The heat is transferred from the point of radiation into the inside of the workpiece by heat conduction re derived. The resultant cooling of the heated outer layer leads after the end of the energy input to convert the austenite formed in martensite and thus to harden the surface layer. That kind of deterrent by heat conduction is also called self-deterrence.

Es ist bekannt, daß nach der Einwirkung des Elektronenstrahls auf die Oberfläche des Werkstückes die dadurch gespeicherte Eigenwärme zu Anlaßeffekten führt, wenn das Werkstückvolumen gering ist (Neue Hütte 32 (1987) 4, S. 127-134). Durch diese Eigenwärme, insbesondere bei höheren Einhärtetiefen, kann eine martensitische Umwandlung nicht mehr erfolgen. Durch verfahrenstechnische und wärmebehandlungstechnische Maßnahmen wurde versucht, diesen Mangel zu beseitigen, indem die Werkstücke gekühlt werden. Diese Kühlung erfordert je­ doch relativ hohe Zeiten. Der Nachteil kommt besonders dann zur Auswirkung, wenn an einem Werkstück mehrere Teilflächen zu härten sind, da jeweils vor dem nächsten Härteschritt die Ausgangstemperatur erreicht sein muß.It is known that after the action of the electron beam on the surface of the workpiece, the inherent heat thus stored leads to tempering effects, if the workpiece volume is small (Neue Hütte 32 (1987) 4, pp. 127-134). Due to this inherent heat, especially at higher hardening depths, a martensitic transformation no longer take place. Through procedural and Heat treatment measures have been attempted to address this shortcoming eliminate by cooling the workpieces. This cooling ever requires relatively high times. The disadvantage comes into play especially if several sub-areas are to be hardened on a workpiece, since each before next hardening step the initial temperature must be reached.

Für die Qualität der gehärteten Randschicht spielt sowohl die Abkühlgeschwin­ digkeit, insbesondere bis zum Erreichen einer Temperatur von etwa 500°C, als auch die Temperatur, die sich nach Wärmeausgleich im Werkstück einstellt, eine Rolle. Ist erstere zu gering und/oder letztere zu hoch, kann durch die Bildung von Zwischenstufengefüge und/oder durch Selbstanlaßeffekt die Qualität der Härte­ schicht leiden. Beide Effekte können sich überlagern, da eine zu hohe Aus­ gleichstemperatur des Werkstücks gleichzeitig eine verminderte Abkühlge­ schwindigkeit zur Folge hat. Werden Werkstücke bei Ausführung der Mehrseiten­ härtung überhitzt, so ist es notwendig und üblich, die Werkstücke nach Härtung einer oder mehrerer Flächen aus der Anlage zum Oberflächenhärten mittels Elektronenstrahlen (Elektronenstrahlanlage) zu entnehmen und erst nach hinreichender Abkühlung die Werkstücke erneut in die Elektronenstrahlanlage einzubringen, um die Mehrseitenhärtung, d. h. die Härtung einer weiteren Seite, fort­ zusetzen. Das gleiche gilt für den verfahrensbedingt, erwärmten Werkstückträger. Bei sofortiger Neubestückung mit Werkstücken führt die Erwärmung der Werk­ stücke durch den Werkstückträger zur Verminderung der für die Selbstabschreckung erforderlichen Temperaturdifferenz und damit zur negativen Beeinflussung der Oberflächenhärtung.The cooling rate plays a role in the quality of the hardened surface layer digkeit, especially up to a temperature of about 500 ° C, as also the temperature that arises in the workpiece after heat equalization Role. If the former is too low and / or the latter is too high, the formation of Intermediate structure and / or the quality of hardness through self-starting effect suffer layer. Both effects can overlap each other because the off is too high same temperature of the workpiece and a reduced cooling leads to dizziness. Become workpieces when executing the multiple pages curing overheats, so it is necessary and customary to harden the workpieces one or more surfaces from the surface hardening plant  to be removed by means of electron beams (electron beam system) and only after sufficient cooling to bring the workpieces back into the electron beam system, multi-side curing, d. H. the hardening of another side clog. The same applies to the process-related, heated workpiece carrier. With immediate replacement with workpieces, the factory heats up pieces through the workpiece carrier to reduce the for self-deterrence required temperature difference and thus for negative influence surface hardening.

Bei der üblichen Abkühlung der Werkstücke von 100°C-300°C auf etwa Raum­ temperatur beträgt die erforderliche Zeitdauer oft ein Mehrfaches der Zykluszeit der Elektronenstrahlanlage, welche sich aus den Zeiten für den Werkstückwechsel, der Evakuierung, der Prozeßdurchführung und des Belüftens ergibt. Insbesondere bei der Härtung von Kleinserienteilen kann durch diese zeitauf­ wendige Verfahrensweise die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens belastet bzw. in Frage gestellt werden.With the usual cooling of the workpieces from 100 ° C to 300 ° C to approximately space temperature, the time required is often a multiple of the cycle time the electron beam system, which is derived from the times for the workpiece change, evacuation, process execution and ventilation. In particular when hardening small series parts, this can increase the time agile procedure burdens the economics of the process or in Question to be asked.

Der am Beispiel des Oberflächenhärtens erläuterte Stand der Technik kann auch für andere Aufgaben der thermischen Oberflächenmodifikation mit Energiestrah­ len eine Rolle spielen.The prior art explained using the example of surface hardening can also for other tasks of thermal surface modification with energy beam len play a role.

Es ist bekannt, daß Werkstücke im Rahmen von Wärmebehandlungen zum Errei­ chen einer hohen Härte forciert abgeschreckt werden. Als Kühlmittel werden dazu Fluids und/oder Gase verwendet, die auf das zu härtende Werkstück durch Sprü­ hen oder Spritzen aufgebracht werden (DE-OS 38 09 645 A1). Bei der Verwen­ dung dieses Abschreckverfahrens in der beschriebenen Art und Weise zur Zwi­ schenabkühlung elektronenstrahlgehärteter Werkstücke besteht die Gefahr, daß die Werkstücke nach der Zwischenabkühlung mit Kühlmittelresten behaftet sind.It is known that workpieces in the context of heat treatments for errei high hardness. As a coolant to this Fluids and / or gases used on the workpiece to be hardened by spraying hen or syringes are applied (DE-OS 38 09 645 A1). When using This quenching procedure in the manner described for the Zwi cooling of electron beam hardened workpieces there is a risk that the workpieces are left with coolant residues after the intermediate cooling.

Weiterhin ist bekannt, daß Werkstücke in Vakuumöfen erwärmt und anschließend in Kühlkammern abgeschreckt werden (DE-OS 33 44 768). Dieses Verfahren besitzt den Nachteil, daß es einen hohen gerätetechnischen Aufwand, z. B. für Kühlkammern, Schleuse und Werkstücktransport erfordert. It is also known that workpieces are heated in vacuum ovens and then be quenched in cooling chambers (DE-OS 33 44 768). This method has the disadvantage that it requires a high level of equipment, e.g. B. for Cooling chambers, lock and workpiece transport required.  

Ein weiterer Nachteil bekannter Abschreckverfahren liegt darin, daß sie nicht schnell genug auf den Bereich der Raumtemperatur abschrecken, sondern nur bis in einen Temperaturbereich führen, in dem keine weiteren wesentlichen Gefüge­ änderungen stattfinden. Die Abschreckung wird also nur bis in einen zur Raum­ temperatur deutlich erhöhten Temperaturbereich durchgeführt. Es wird die beim Härten mit Energiestrahlen erforderliche Abkühlung der Werkstücke auf etwa Raumtemperatur nicht erreicht.Another disadvantage of known quenching methods is that they do not deter quickly enough to the room temperature range, but only up to lead to a temperature range in which there are no other significant structures changes take place. So deterrence only becomes one in one room temperature significantly increased temperature range. It will be the one at Hardening required cooling of the workpieces to approximately with energy beams Room temperature not reached.

Andere Abschreckverfahren, die bis Raumtemperatur geführt werden, haben den Nachteil, daß dazu Fluids verwendet werden, die in Resten auf der Werkstücko­ berfläche verbleiben können, was einer unverzüglichen Weiterbehandlung im Elektronenstrahlprozeß im Wege steht. Desweiteren kann es beim Abschrecken mit Wasser zu Korrosionsschäden kommen, wenn die Werkstücke nach Beenden der Abkühlung eine nasse Oberfläche besitzen. Soll diese Gefahr ausgeschlossen werden, müssen die Werkstücke zusätzliche Trocknungsstationen durchlaufen. Dadurch wird der technologische Aufwand in unerwünschtem Maße weiter erhöht.Other quenching processes that are run to room temperature have that Disadvantage that fluids are used that are in residues on the workpiece surface can remain, which means an immediate further treatment in the Electron beam process is in the way. Furthermore, it can be used for quenching Corrosion damage will occur if the workpieces are finished after the Cooling have a wet surface. Should this danger be excluded the workpieces have to go through additional drying stations. This further increases the technological outlay to an undesirable extent.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, die es gestatten, Werkstücke, die einer Oberflächenhärtung mit Elektronenstrahlen, in mehren Schrit­ ten zu unterziehen sind und den Werkstückträger, in kurzer Zeit auf etwa Raum­ temperatur abzukühlen, ohne das den Werkstücken und dem Werkstückträger Kühlmittelrückstände anhaften und ohne daß eine zusätzliche Trocknung der Werkstücke und des Werkstückträgers erforderlich wird. Die Lösung der Aufgabe soll insbesondere auch mit Chargenanlagen zur Oberflächenhärtung mit Elektronenstrahlen kompatibel sein und eine Werkstückabkühlung in­ nerhalb einer Zykluszeit der Elektronenstrahlanlage ermöglichen. The invention has for its object to a method and a device create workpieces that allow surface hardening with electron beams, in several steps and the workpiece carrier, in a short space of time cool down temperature without the workpieces and the workpiece carrier Coolant residues adhere and without additional drying of the Workpieces and the workpiece carrier is required. The solution to the task especially with batch systems for surface hardening be compatible with electron beams and a workpiece cooling in allow within a cycle time of the electron beam system.  

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 aufgeführt.According to the invention, the object according to the features of claim 1 solved. Further refinements are listed in claims 2 to 8.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Werkstücke und der Werkstückträger nach der Wärmebehandlung einer oder mehrerer Fläche des Werkstücks mit Elektronenstrahlen, in einer Zeitspanne, die gleich oder kürzer der Zykluszeit ist, für die Weiterführung der Wärmebehandlung der nächsten Flä­ che zur Verfügung stehen. Der Einsatz von gasförmigen und flüssigen Kühlmitteln bedingt ein deutliches Herabsetzen der Kühlzeit gegenüber reiner Gaskühlung. Als Kühlmittel dienen vorzugsweise Luft und Wasser. Das Wasser wird dabei zerstäubt und intervallweise in den Luftstrom eingebracht, mit dem die Werkstücke in der Kühlstation beaufschlagt werden. Durch ein Verlängern der Intervallpau­ sen für die Zuführung des flüssigen Kühlmediums ab einer bestimmten Tempera­ tur wird ein Abtrocknen der Werkstücke und des Werkstückträgers bis zum Ende des Kühlprozesses bewirkt.The inventive method has the advantage that the workpieces and Workpiece holder after heat treatment of one or more surfaces of the Workpiece with electron beams, in a time period that is the same or shorter is the cycle time for the continuation of the heat treatment of the next area available. The use of gaseous and liquid coolants requires a significant reduction in the cooling time compared to pure gas cooling. Air and water are preferably used as coolants. The water is there atomized and introduced at intervals into the air flow with which the workpieces be charged in the cooling station. By extending the interval pau for the supply of the liquid cooling medium from a certain temperature will dry the workpieces and the workpiece carrier to the end of the cooling process.

Die Art und Weise des Kühlmitteleinsatzes ermöglicht eine schnelle Kühlung oh­ ne Gefügeumwandlungen, bei der Verwendung von Wasser, ohne die oben be­ schriebenen Nachteile.The way the coolant is used enables rapid cooling oh ne structural changes when using water without the above written disadvantages.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehöri­ gen Zeichnungen zeigen inThe invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. The belonging gen drawings show in

Fig. 1 einen Grundriß einer Anlage zum Härten von Werkstücken, bestehend aus Elektronenstrahlanlage und Kühlstation, Fig. 1 is a plan view of an installation for hardening workpieces consisting of electron beam conditioning and cooling station,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Kühlstation. Fig. 2 shows a section through a cooling station.

Neben der in Fig. 1 dargestellten Elektronenstrahlanlage 1 befindet sich eine Kühl­ station 2, welche über eine Transporteinrichtung 3 verbunden sind. An der Trans­ porteinrichtung 3 ist eine Beschickungsstation 4 angeschlossen.In addition to the embodiment shown in Fig. 1 electron-beam system 1 there is a cooling station 2, which are connected via a transportation device 3. At the trans port 3 , a loading station 4 is connected.

Die in der Elektronenstrahlanlage 1 in bekannter Weise mit dem Elektronenstrahl gehärteten Werkstücke 5 werden, nachdem sie auf einer Fläche gehärtet wurden, auf einem Werkstückträger 6 über die Transporteinrichtung 3 in die Kühlstation 2 eingebracht. Gleichzeitig werden in der Elektronenstrahlanlage 1 die nächsten Werkstücke 5 gehärtet. Nach erfolgter Abkühlung auf Temperaturen 40°C wer­ den die Werkstücke 5 wieder über die Transporteinrichtung 3 in die Elektronen­ strahlanlage 1 zum Härten der nächsten Flächen eingebracht, nachdem die gera­ de gehärteten Werkstücke 5 auf einem Werkstückträger 6 aus der Elektronenstrahl­ anlage 1 zur Kühlstation 2 gebracht wurden. Die Beschickungsstation 4 dient dem Bestücken der Werkstückträger 6 nach erfolgter Wärmebehandlung und zur Be­ reitstellung der nächsten Werkstücke 5.The workpieces 5 hardened with the electron beam in the known manner in the electron beam system 1 , after they have been hardened on a surface, are introduced into the cooling station 2 on a workpiece carrier 6 via the transport device 3 . At the same time, the next workpieces 5 are hardened in the electron beam system 1 . After cooling to temperatures 40 ° C who the workpieces 5 again introduced via the transport device 3 in the electron beam system 1 for hardening the next surfaces after the gera de hardened workpieces 5 on a workpiece carrier 6 from the electron beam system 1 brought to the cooling station 2 were. The loading station 4 is used to load the workpiece carriers 6 after the heat treatment and to provide the next workpieces 5 .

In Fig. 2 ist die Kühlstation 2 dargestellt. Ein Gebläse 7 ist darin so angeordnet, daß der von ihm erzeugte Kühlgasstrom 8 (Luft) das Werkstück 5 und den Werk­ stückträger 6 beaufschlagt. Die Kühlluft kann durch eine Öffnung 9 entweichen.In FIG. 2, the cooling station 2 is shown. A blower 7 is arranged therein so that the cooling gas stream 8 (air) generated by it acts on the workpiece 5 and the workpiece carrier 6 . The cooling air can escape through an opening 9 .

Desweiteren ist eine Zuführung 10 für zerstäubtes Wasser so angebracht, daß es das Werkstück 5 und den Werkstückträger 6 beaufschlagt. Die an der Öffnung 9 für den Austritt der Kühlluft und der Eintrittsöffnung 11 für die Kühlluft angeordne­ ten Sensoren 12 und 13 dienen der Ermittlung des Dampfdrucks. Die intervallweise Zufuhr des zerstäubten Wassers erfolgt nach Maßgabe der Dampfdruckdifferenz der der Kühlstation 2 zu- und abgeführten Luft. Die Zufuhr des zerstäubten Wassers wird mittels der Steuereinrichtung 14 geregelt. Die Wasserzuführung wird ganz unterbrochen, wenn die Abkühlung auf eine bestimm­ te Temperatur, z. B. 60°C, fortgeschritten ist. Als Maß für die Abkühlung wird dabei auf die Temperaturdifferenz zwischen Zu- und Abführung der Luft zurückgegriffen.Furthermore, a supply 10 for atomized water is attached so that it acts on the workpiece 5 and the workpiece carrier 6 . The arranged at the opening 9 for the outlet of the cooling air and the inlet opening 11 for the cooling air th sensors 12 and 13 are used to determine the vapor pressure. The intermittent supply of the atomized water takes place in accordance with the vapor pressure difference of the air supplied to and removed from the cooling station 2 . The supply of the atomized water is regulated by means of the control device 14 . The water supply is completely interrupted when cooling to a certain temperature, z. B. 60 ° C, is advanced. The temperature difference between the supply and discharge of the air is used as a measure of the cooling.

Claims (8)

1. Verfahren zum Oberflächenhärten von Werkstücken mittels Elektronen­ strahlen, bei denen mindestens zwei Teilflächen gehärtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke nach dem Erwärmen und Selbstab­ schrecken innerhalb der erforderlichen Härtezeit einer Teilfläche dem Re­ zipienten entnommen werden, zunächst durch die Kombination eines Kühl­ gasstromes mit einem zerstäubten Fluid abgekühlt, danach mit Hilfe des Kühlgasstromes getrocknet und schließlich zur Härtung der nächsten Teilfläche in den Rezipienten zurückgeführt werden. 1. A method for surface hardening of workpieces by means of electrons, in which at least two partial surfaces are hardened, characterized in that the workpieces are removed after heating and self-deterring within the required hardening time of a partial surface, initially by the combination of a cooling gas stream cooled with an atomized fluid, then dried with the aid of the cooling gas stream and finally returned to the recipient for the hardening of the next partial area. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlgas Luft verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that as the cooling gas Air is used. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid Was­ ser verwendet wird.3. The method according to claim 1, characterized in that what as a fluid ser is used. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Men­ ge der Fluidzufuhr und/oder die Länge der Zeitintervalle der Fluidzufuhr nach Maßgabe der Dampfdruckdifferenz des Fluids zwischen Kühlgaszu- und -abfuhrstrom der Kühlstation geregelt wird.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the men ge of the fluid supply and / or the length of the time intervals of the fluid supply according to the vapor pressure difference of the fluid between cooling gas and discharge current of the cooling station is regulated. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die In­ tervallpausen mit zunehmender Temperaturabnahme der Werkstücke ver­ größert werden.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the In interval pauses with increasing temperature decrease of the workpieces be enlarged. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die In­ tensität von Kühlgasstrom und Fluidzufuhr nach Maßgabe der abzuführen­ den Wärmemenge und verfügbaren Kühlzeit gewählt wird. 6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that the In Intensity of cooling gas flow and fluid supply in accordance with the the amount of heat and available cooling time is selected.   7. Einrichtung zum Oberflächenhärten von Werkstücken mittels Elektronenstrahlen, bestehend aus einer Elektronenstrahlanlage, die über eine Transporteinrichtung mit einer Kühlstation verbunden ist, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlstation (2) ein Gebläse (7) und eine Zuführung (10) zur Zerstäubung und Beimischung eines Fluids in den auf die Werkstücke (5) gerichteten Kühlgasstrom (8) angeordnet sind und daß die Kühlstation (2) bis auf die Eintrittsöffnung (11) für das Kühlgas und die Öffnung (9) für den Austritt des Kühlgases geschlossen ist.7. Device for surface hardening of workpieces by means of electron beams, consisting of an electron beam system, which is connected via a transport device to a cooling station, according to claim 1, characterized in that in the cooling station ( 2 ) a blower ( 7 ) and a feed ( 10 ) for atomizing and admixing a fluid in the cooling gas stream ( 8 ) directed towards the workpieces ( 5 ) and that the cooling station ( 2 ) is closed except for the inlet opening ( 11 ) for the cooling gas and the opening ( 9 ) for the outlet of the cooling gas is. 8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ein­ trittsöffnung (11) und der Öffnung (9) Sensoren (12; 13) zur Bestimmung des Dampfdrucks des Kühlgases angeordnet sind, die ihrerseits mit einer Steuereinrichtung (14) für das Gebläse (8) und die Zuführung (10) verbun­ den sind.8. Device according to claim 5, characterized in that in the one opening ( 11 ) and the opening ( 9 ) sensors ( 12 ; 13 ) for determining the vapor pressure of the cooling gas are arranged, which in turn with a control device ( 14 ) for the fan ( 8 ) and the feed ( 10 ) are connected.
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Metallurgical Plant and Technology 5/1984, S. 74-80 *
VDI-Z 122(1980), Nr. 22, S. 1021-1028 *

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