DE19626008A1 - Verfahren zur Härtung von Oberflächen bei Stahl und Gußeisen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Härtung von Oberflächen bei Bauteilen aus Stahl bzw. Gußeisen mit­ tels einer Energieeinbringung und anschließender Abküh­ lung. Ferner betrifft die Erfindung ein Bauteil mit gehärteter Oberfläche.

Zur Härtung von Oberflächen bei fertig bearbeiteten Bauteilen wird induktive elektrische Erhitzung bzw. Erhitzung mittels gasförmiger Brennstoffe mit an­ schließender Wasser- oder Luftabkühlung benutzt. Bei diesen Härtungsverfahren treten mehrere Probleme auf, nämlich Entkohlung der Bauteiloberfläche, makrosko­ pische Eigenspannungen infolge des unterschiedlichen Gefüges in der Härteschicht und dem Grundwerkstoff, geometrischer "Verzug" entweder durch den beim Härten aufgebrachten Thermozyklus oder aber durch die auftre­ tenden Eigenspannungen. Keines der beiden genannten Verfahren erlaubt (verfahrensbedingt) eine geometrisch beliebige Gestaltung der Härteschicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich Oberflächen von Stahl- oder Gußteilen härten lassen, ohne daß makroskopische Eigen­ spannungen auftreten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 vorgeschlagen; die Unteransprüche betreffen vorteil­ hafte Weiterbildungen. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur diskontinuierlichen Härtung von Oberflächen bei Stahl und Gußeisen vorgeschlagen, bei dem in der zu härtenden Oberfläche durch einen impuls­ förmigen zeitlichen Verlauf der elektrischen Energie­ einbringung in einem lokalen Bereich das Material über die A₃-Transustemperatur erhitzt wird und die anschlie­ ßende Abschreckung durch den natürlichen Wärmefluß in das Bauteil erfolgt. Während der Zeit, wo keine elek­ trische Energie zugeführt wird, wird die Elektrode kon­ tinuierlich über die zu härtende Oberfläche weiterbe­ wegt, so daß eine diskontinuierliche Härteschicht ent­ steht. Die Elektrode dient lediglich zur Einleitung der elektrischen Energie. Anstatt einer Elektrode können, den Anforderungen entsprechend, auch mehrere Elektroden gleichzeitig eingesetzt werden.

Bei der Erfindung erfolgt die Härtung der Oberfläche bei Bauteilen aus Stahl bzw. Gußeisen mittels Einbrin­ gung elektrischer Energie mit einem impulsförmigen zeitlichen Verlauf in kleine lokale Bereiche (zweck­ mäßigerweise kleiner als 10 bis 15 mm², insbesondere kleiner als 2 mm Durchmesser, vorzugsweise kleiner als etwa 3 bis 4 mm²), mit der Folge einer lokalen Erhit­ zung bis über die A₃-Transustemperatur, und durch die darauf folgende Abschreckung infolge der natürlichen Wärmeableitung in das Bauteil.

Die Vorteile dieser Erfindung gegenüber den bekannten Verfahren zur Härtung von Oberflächen bei fertig be­ arbeiteten Bauteilen sind die folgenden:

• - Die nach der vorliegenden Erfindung hergestellten gehärteten Oberflächen sind dadurch gekennzeich­ net, daß eine diskontinuierlich gehärtete Ober­ fläche erhalten werden kann, die frei von makros­ kopischen Eigenspannungen ist und infolgedessen unempfindlich für Thermowechselspannungen und auch unempfindlich für Spannungsschwankungen bzw. Span­ nungsgradienten ist.
• - Infolge der lokalen und im Vergleich zu anderen Härtungsverfahren geringen Energieeinbringung kön­ nen Oberflächen von präzisionsgefertigten Bau­ teilen ohne geometrischen "Verzug" gehärtet wer­ den.
• - Da die zur Energieeinbringung benötigte Elektrode (die aus Kupfer, Graphit, Stahl usw. gefertigt werden kann) jede beliebige Geometrie annehmen kann, ist die Härtung jeder beliebig gestalteten Oberfläche möglich
• - Neben dem geringen Energieverbrauch im Vergleich zu den bekannten Verfahren erübrigt die erfin­ dungsgemäß vorgesehene Abschreckung durch den natürlichen Wärmetransport in das Bauteil die Be­ nutzung von Kühlmittel und ist damit umwelt­ freundlich und kostengünstig.
• - Die aufgrund der erfindungsgemäß lediglich in einer Vielzahl von kleinen Flächenbereichen gehär­ tete diskontinuierliche Härtungsschicht bedingt (und zwar infolge der Diskontinuität des kristal­ lographischen Gefüges (Ferrit/Perlit gegenüber Martensit bzw. Zwischenstufengefüge)), daß eine ursprünglich glatte Oberfläche wellenförmig modu­ liert wird, was eine wesentlich verbesserte Schmierung einer derartig gehärteten Oberfläche gewährleistet.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Abb. 1 einen Querschliff durch eine lokale Härtungs­ zone in einer Oberfläche eines Bauteils aus St 60,

Abb. 2 ein Beispiel für eine geometrisch regelmäßige Anordnung der Härtungszonen einer diskonti­ nuierlichen Härteschicht (schematisch) und

Abb. 3 ein Beispiel für eine geometrisch unregelmäßige Anordnung der Härtungszonen einer diskonti­ nuierlichen Härteschicht (schematisch).

Eine Welle aus St 60 wurde mit einer Graphitelektrode mit 1,5 mm Durchmesser punktförmig diskontinuierlich gehärtet. Abb. 1 zeigt ein Schliffbild durch eine der lokalen Härtungszonen.

In Abb. 2 wird als Beispiel eine diskontinuierlich, geometrisch regelmäßig gehärtete Schicht schematisch dargestellt, während Abb. 3 eine diskontinuierlich, geometrisch unregelmäßig gehärtete Schicht schematisch darstellt.

Claims (6)

1. Verfahren zur diskontinuierlichen Härtung von Oberflächen bei Stahl und Gußeisen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der zu härtenden Oberfläche durch einen impulsförmigen zeitlichen Verlauf der elektrischen Energieeinbringung in einem lokalen Bereich das Material über die A₃-Transustemperatur erhitzt wird und die anschließende Abschreckung durch den natürlichen Wärmefluß in das Bauteil erfolgt, wobei während der Zeit, wo keine elek­ trische Energie zugeführt wird, die Elektrode kontinuierlich über die zu härtende Oberfläche weiterbewegt wird, so daß individuelle lokale Här­ tezonen entstehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Härtungszonen der diskontinuierlichen Härteschicht der Oberfläche entweder geometrisch regelmäßig oder geometrisch unregelmäßig angeord­ net sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf einer geometrisch beliebigen Oberfläche die diskontinuierliche Härtung in beliebigen Bereichen durchgeführt wird sowie ihre Härteeigenschaften gradiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß unter Benutzung von Elektroden aus insbesondere Kupfer, Kupferlegie­ rungen, Graphit, Si-SiC mit einer der zu härtenden Oberfläche entsprechenden Form benutzt werden.

5. Bauteil aus Stahl oder Gußeisen mit einer Ober­ fläche, die eine diskontinuierliche Härteschicht aufweist, welche einzelne geometrisch regelmäßig oder geometrisch unregelmäßig angeordnete Här­ tungszonen umfaßt.

6. Verwendung von nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellten gehärteten Oberflächen für den Motoren- und Getriebebau.