DE19942386B4

DE19942386B4 - Verfahren zur Randschichtbehandlung von Oberflächen mittels Energiestrahl

Info

Publication number: DE19942386B4
Application number: DE1999142386
Authority: DE
Inventors: Udo Ahl; Dr.-Ing.-habil. Zenker Rolf; Eberhard Wagner; Tadeusz Ptaszek
Original assignee: PRO BEAM SYSTEMS GmbH; PRO-BEAM SYSTEMS GmbH
Current assignee: PRO-BEAM ANLAGEN GMBH, 09221 NEUKIRCHEN, DE
Priority date: 1999-09-04
Filing date: 1999-09-04
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2019-09-05
Also published as: DE19942386A1

Abstract

Verfahren zur Randschichtbehandlung von Oberflächen mittels Elektronenstrahl, der durch Überlagerung zweier Ablenkfunktionen zweidimensional derart abgelenkt wird, dass auf der Oberfläche eines Bauteils ein an die Geometrie der Oberfläche angepasstes Energieübertragungsfeld erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Ablenkfunktion den zwei Ablenkfunktionen überlagert wird wobei die Parameter der Ablenkfunktionen in Abhängigkeit von Geometrie und Dicke der zu behandelnden Randschicht eingestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Randschichtbehandlung von Oberflächen mittels Elektronenstrahl, das es ermöglicht, Flächenbereiche von Bauteilen in ihren Werkstoffeigenschaften zu verändern, vorzugsweise zu härten, wobei diese Flächen beliebig geformt, insbesondere gekrümmt ausgebildet sein können. Das Verfahren wird bevorzugt für die Behandlung von Ventilsitzen, Kalotten, Gelenkteilen verwendet.
Es sind Verfahren bekannt, bei denen beispielsweise Ventilsitze oder Gelenkteile durch Induktionshärten verschleißbeständige Schichten erhalten. Dabei wird ein an das Bauteil bzw. an die Bauteilkontur angepasster Induktor lokal zur Einwirkung gebracht. Dadurch wird der zu härtende Bereich erwärmt und anschließend mit einem geeigneten Abkühlmedium abgeschreckt. Ein Nachteil dieser Lösung ist, dass der gehärtete Bereich um so mehr in seiner geometrischen Form von der tatsächlichen Bauteilkontur abweicht, je weniger genau die Anpassung der Induktorform an diese erfolgt. Das hat unterschiedlich dicke Schichten zur Folge, wodurch Oberflächenbereiche nicht hinreichend tief gehärtet werden.
Um derartige Nachteile zu vermeiden, werden zum Teil aufwendige mechanische Maßnahmen vorgenommen, wie verfahrbare Induktoren, die einzeln bis zum Flächenkontakt an die zu härtende Oberfläche, z. B. einen Ventilsitz herangefahren und anschließend einzeln auf einen geeigneten Koppelungsabstand zurückgefahren werden ( DE 33 20 111 01 ). Unabhängig davon ist das Induktionshärten meist mit erheblichen Maß- und/oder Formänderungen verbunden und erfordert eine zusätzliche mechanische Nachbearbeitung. Des Weiteren ist das Induktionshärten meist mit nachfolgendem Anlassen verbunden.
Es ist auch bekannt, im Verbrennungsmotorenbau den Ventilteller und Ventilsitz im Kontaktbereich mit einem verschleißbeständigen Material zu versehen. Diese Bereiche werden in einem getrennten Prozess beschichtet ( WO 97/47 862 ). Der Nachteil hierbei ist der hohe Fertigungsaufwand durch den zusätzlichen Prozess. Er erfordert auch einen weiteren anlagentechnischen Aufwand.
Es ist auch bekannt, auf dem Bereich des Ventilsitzes durch thermisches Spritzen eine verschleißbeständige Schicht aufzubringen ( EP 0 843 022 A1 ). Das Verfahren hat den Nachteil, dass das Aufbringen derartiger Schichten einen hohen Aufwand erfordert und hierzu noch eine aufwendige Nachbearbeitung der Fläche auf Endkontur erforderlich ist.
Zur Härtung der Kontaktfläche von Ventilsitzen, d. h. um die erforderliche Verschleißbeständigkeit zu erreichen, ist auch bekannt, in diesem Bereich Ringe aus einem dem Verschleißwiderstand entsprechenden Material einzubringen ( EP 0 092 081 A1 ). Nachteile dieses Verfahrens sind der hohe Fertigungsaufwand (Herausarbeiten einer Nut, Einbringen der Ringe) und die Gefahr des Lösens der Ringe im Betrieb. Oft sind die verwendeten Werkstoffe für die Ringe sehr kostenintensiv.
Verfahren zur Randschichthärtung mittels Energiestrahl, insbesondere Laserstrahl, sind aus der JP-11-001722 A sowie aus der JP-54-078311 A bekannt. Hierbei kann die Energiedichte des Laserstrahles in Abhängigkeit von den Härtungsbedingungen gewählt werden, der Laserstrahl wird entlang kreisförmiger oder spiraliger Bahnen zur Ausbildung einer möglichst gleichmäßigen harten Randschicht bewegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Randschichtbehandlung von Oberflächen mittels Elektronenstrahl zu schaffen, welches die Mängel der bekannten Verfahren ausschließt bzw. weitgehend beseitigt. Das Verfahren soll mit bekannten Einrichtungen unter Verwendung eines in bekannter Weise ablenkbaren Elektronenstrahls ausführbar sein. Die Produktivität des Verfahrens soll hoch und die Behandlungstiefe und -kontur soll an die Bauteilgeometrie anpassbar sein, wobei werkstoffspezifische Eigenschaften ebenfalls Berücksichtigung finden sollen. Die erzeugte Randschicht soll verschleißbeständig sein und den jeweiligen beanspruchungsspezifischen Anforderungen genügen. Maß- und Form- änderungen sollen weitestgehend vermieden werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens werden in den Ansprüchen 2 bis 4 beschrieben.
Das Wesen der Erfindung besteht dann, dass ein Elektronenstrahl funktional derart abgelenkt wird, dass er ein Energieübertragungsfeld erzeugt, das in seiner Flächenausdehnung bzw. Geometrie der der in ihren Werkstoffeigenschaften zu verändernden Fläche des Bauteils entspricht. Die Energie wird lokal definiert und konturengerecht auf die Oberfläche des Bauteils übertragen. Die dem hauptsächlichen Anwendungsgebiet entsprechende Oberfläche bei der Härtung von Ventilsitzen und Gelenkteilen ist ring- oder kreisförmig. Das dazu notwendige Energieübertragungsfeld wird derart erzeugt, indem die erforderliche Energie lokal definiert und konturengerecht auf das Bauteil übertragen wird. Dieses ring- oder kreisförmige Energieübertragungsfeld wird durch die funktionale Ablenkung des Energiestrahls erzeugt, indem zwei Sinusfunktionen so überlagert werden, dass der Energiestrahl eine Kreisbahn beschreibt. Durch Überlagerung einer dritten Funktion wird die geometrische Form der vorzugsweise ring- oder kreisförmigen Fläche bestimmt. Die Energiedichte in dem Energieübertragungsfeld wird durch Überlagerung der dritten Funktion eingestellt.
Es kann bei bestimmten Anwendungsfällen zweckmäßig sein, die dritte überlagerte Funktion so zu programmieren, dass mehrere ringförmige und/oder kreisförmige Energieübertragungsflächen mit unterschiedlicher Energiedichte entstehen oder die Energiedichte innerhalb der Energieübertragungsfläche radial variabel ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, eine definierte und konturengetreue Dicke der in ihren Eigenschaften veränderten Randschicht herzustellen. Der Energieeintrag ist genau den Beanspruchungsbedingungen und/oder der Bauteilkontur angepasst. Das Verfahren ermöglicht das Erzeugen sehr homogener Schichten mit ausgezeichneten Verschleißeigenschaften, wobei keine oder nur innerhalb der zulässigen Toleranzen liegende Maß- und/oder Formabweichungen auftreten. Die Produktivität des Verfahrens ist bedingt durch kurze Einwirkdauer des Energiestrahls sehr hoch.
An drei Ausführungsbeispielen soll die Erfindung beschrieben werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1: einen Schnitt durch ein Ventil und darunter ein ringförmiges Energieübertragungsfeld im Bereich des Ventilsitzes in der Draufsicht,
2: einen Schnitt durch ein konkaves kalottenförmiges Bauteil und darunter das zugehörige Energieübertragungsfeld mit radial veränderter Energiedichte in der Draufsicht,
3: einen Schnitt durch ein konvex ausgebildetes Bauteil und darunter das zugehörige Energieübertragungsfeld mit radial veränderter Energiedichte in der Draufsicht.
Die Sitzfläche 1 des Ventils 2 (nur zum Teil dargestellt) ist zu härten. Ein Elektronenstrahl 3 wird durch Überlagerung von zwei Sinusfunktionen funktional mit an sich bekannten Funktionsgeneratoren derart abgelenkt, dass er eine Kreisbahn beschreibt. Eine dritte überlagerte Funktion bewirkt, dass ein ringförmiges Energieübertragungsfeld 4 entsteht und die Energiedichte im Energieübertragungsfeld 4 über die zu behandelnde Sitzfläche 1 konstant bleibt. Das Energieübertragungsfeld 4 kann auch aus mehreren Teilfeldern unterschiedlicher Energiedichte zusammengesetzt sein.
Das in 2 dargestellte Bauteil 5 (Kalottenteil) ist im Bereich seiner konkaven Fläche 6 zu härten. Der Elektronenstrahl 3 erzeugt ein Energieübertragungsfeld 4 in Form einer Kreisfläche, dessen Energiedichte im Inneren des Kreises geringer ist als am Rand. Das ist wegen der durch die Kalottenkontur bedingten lokal unterschiedlichen Einstrahlwinkel des Elektronenstrahls erforderlich, um eine gleichmäßige Dicke der Härteschicht im Bereich der Fläche 6 zu erreichen.
In 3 ist ein Bauteil 5 (Gelenkteil) mit einer zu härtenden konvexen Fläche 7 dargestellt. Vom Prinzip her lauft das Verfahren wie in 2 ab.
Zwischen dem Bauteil und dem Elektronenstrahl findet während der Energieübertragung keine Relativbewegung zueinander statt. Die Einwirkdauer des Elektronenstrahls ist extrem kurz.

Claims

Verfahren zur Randschichtbehandlung von Oberflächen mittels Elektronenstrahl, der durch Überlagerung zweier Ablenkfunktionen zweidimensional derart abgelenkt wird, dass auf der Oberfläche eines Bauteils ein an die Geometrie der Oberfläche angepasstes Energieübertragungsfeld erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Ablenkfunktion den zwei Ablenkfunktionen überlagert wird wobei die Parameter der Ablenkfunktionen in Abhängigkeit von Geometrie und Dicke der zu behandelnden Randschicht eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl durch die Überlagerung von zwei Sinusfunktionen derart abgelenkt wird, dass er eine Kreisbahn beschreibt und durch Überlagerung einer dritten Ablenkfunktion ein ring- oder kreisringfömiges Energieübertragungsfeld erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiedichte in dem Energieübertragungsfeld konstant oder in einem ring- oder kreisringförmigen Energieübertragungsfeld radial variabel ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieübertragungsfeld aus mehreren kreis- und/oder ringförmigen Flächen mit unterschiedlicher Energiedichte besteht.