DE2013674B2 - Verfahren zum Härten von Werkstücken, wie Werkzeugen mittels eines Energiestrahls - Google Patents

Description

unterteit wird und diese Teilbereiche nacheinander durch den Energiestrabi beaufschlagt werden, und daß die Behandlungsgeschwindigkeit hierbei so vorgegeben wird, daß eine ausreichende Wärmeableitung an einem bereits behandelten Teilbereich bis zur Behandlung des unmittelbar benachbarten Teilbereichs gewährleistet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es ferner vorteilhaft sein, daß unmittelbar benachbarte Teilbereiche jeweils übersprungen und erst nach mindestens einer Behandlung eines weiter entfernten Teilbereichs behandelt werden.

In manchen Anwendungsfällen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es zweckmäßig sein, wenn ein Werkstück oder beispielsweise ein Formteil eines Präzisionswerkzeugs in weichem Zustand mechanisch vorbearbeitet und anschließend zunächst eine Härtung vorbestimmter Zonen bis zur Erzielung einer mittleren Härte durchgeführt wird. Nachfolgend kann dann an dem vorgehärteten Werkstück bzw. Formteil dessen Fertigbearbeitung und Fertigschleifen bis zu den vorgeschriebenen Maßen erfolgen und an diesen Arbeitsgang kann sich dann ein weiterer Härtungsvorgang zur Erzielung der Endhärte anschließen. Dementsprechend kann gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine stufenweise Behandlung der zu härtenden Oberflächenbereiche vorgesehen sein, wobei zwischen jeweils zwei Behandlungsstufen eine formgebende Nach- bzw. Fertigbearbeitung des Werkstücks bzw. Werkzeugs durchgeführt wird.

Darüber hinaus ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, daß im Bedarfsfalle verschiedene vorbestimmte Oberflächenbereiche in der Weise behandelt werden, daß die erzielbaren Härtetiefen in diesen Bereichen jeweils unterschiedlich sind. So können dann beispielsweise nebeneinanderliegende Härtebereiche einer Werkstücksoberfläche unterschiedliche Härtetiefen besitzen, falls dies aus Anwendungsgründen zweckmäßig ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung£^fnrm des erfindungsuemäßen Verfahrens dient als Energiestrahl in an sich bekannter Weise ein steuerbarer Ladungsträgerstrahl, insbesondere ein Elektronenstrahl. Die besonderen Eigenschaften eines Elektronenstrahls für die Materialbearbeitung im allgemeinen, wie sie vor allem in der Erzielbarkeit sehr hoher Energiedichten und in der leichten Steuerbarkeit des Elektronenstrahls zu sehen sind, können als bekannt vorausgesetzt werden, so daß sich eine Einzelerörterung dieser Eigenschaften erübrigt. Speziell beim Härten erlauben die Eigenschaften des Elektronenstrahls in besonders vorteilhafter Weise eine Wärmezufuhr zu beliebigen Stellen eines Werkstücks bzw. eines Werkzeugs und letzten Endes ein lokalisiertes Härten an verschiedenartigsten Konturen, vor allen Dingen aber auch praktisch eine Konzentration der Härte ausschließlich an den einem Verschleiß unterworfenen Bereichen oder Stellen.

In verschiedenen Anwendungsfällen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird es günstig sein, wenn man den Energiestrahl impulsförmig zur Einwirkung auf die zu behandelnden Oberflächen-Teilbereiche kommen läßt, da man hierdurch eine Einstellung des jeweils gewünschten Härtegrades in einfacher Weise realisieren kann. Beispielsweise kann es zur Erzielung eines bestimmten Härtegrades vorteilhaft sein, wenn mindestens zwei Energiestrahlimpulse vorgegebener Impulsdauer nacheinander auf die zu härtenden Oberflächen-Teilbereiche gerichtet werden.

Weiterhin kann die Anzahl von Energiestrahlimpulsen so ausgewählt werden, daß sich eine an verschiedenen zu härtenden Oberflächenbereichen unterschiedliche Behandlungstiefe ergibt Außerdem

ίο kann auch ein Rastermuster vorgesehen sein, das entsprechend der Anordnung der zu härtenden Oberflächenbereiche ausgebildet ist.

Mit besonderem Vorteil lassen sich Schneid- oder Stanzwerkzeuge mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellen, da ein ausschließliches Härten der Schnittplattenkanten und ähnlicher einem Verschleiß unterworfener Werkzeugteile mit sehr hohen Härtcwerten ermöglicht wird, während gleichzeitig das Grundmaterial des Werkzeugs seine normale Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften beibehält. Wie bereits durchgeführte Untersuchungen gezeigt haben, erhöht sich die Standzeit von unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Schneid- oder Stanzwerkzeugen je nach Werkstoff

»5 um einen Faktor von 2 bis 10 bei gleichbleibender Schnitt bzw. Stanzqualität. Es wurden beispielsweise mittels Elektronenstrahls (Leistung 130 W, Fleckdurchmesser 0,3 mm) Härtungen an Präzisionsstanzmatrizen aus dem Werkstoff X 90 CrMoV 18 durchgeführt. Die nachfolgende Überprüfung der gehärteten Schneidkanten ergab eine Härte von 850 HVl, während mit bisher bekannten Methoden gehärtete Stanzmatrizen lediglich bis auf eine Härte von 480 HVl gebracht werden konnten. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubte hierbei eine Beibehaltung der Toleranz der vorangegangenen mechanischen Bearbeitung der Matrize in deren ungehärtetem Zustand innerhalb von 2iim, Durch entsprechende Wahl der Elektronenstrahlparameter wurde eine Tiefe der Härtezone von etwa 0,3 mm erreicht. Durch Veränderung der Elektronenstrahlparameter läßt sich die Querschnittsform der Härtezone bequem steuern. Die Standzeit der auf die beschriebene Weise hergestellten und gehärteten Stanzmatrizen erhöhte sich

♦5 um den Faktor 4. Weiterhin wurden mittels Elektronenstrahls (Leistung 400W. Fleckdurchmesser 0,5 mm) Härtungen an aus einem Vergütungsstahl bestehende Schneiden durchgeführt. Ohne Störung der Maßhaltigkeit der Schneide ergab sich eine Härte

so von 950 HVl.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gestattet insgesamt gesehen eine wesentlich einfachere und billigere Herstellung von gehärteten Werkstücken und Werkzeugen, wobei vor allem die Maßhaltigkeit der fertigen, gehärteten Präzisionsteile praktisch 100° oig beibehalten werden kann und sich extrem hohe Härtewerte an den vorbestimmten, zu härtenden Zonen erzielen lassen. Ein weiterer besonderer Vorteil ist darin zu erblicken, daß sich unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens praktisch mühelos höchste Härtewerte an Schneidkanten ergeben, wobei der Übergang der Härtewerte von der gehärteten Zone zum Grundwerkstoff beispielsweise übere einen Bereich von 0,1 mm erfolgen kann.

Claims (9)

1 2 Anordnung der zu härtenden Oberflächenbe- Patentausprüche: reiche ausgebildet ist. 10 Anwendung des Verfahrens nach einem

1. Verfahren zum Härten von Werkstücken.. der vorangehenden Ansprüche zur Herstellung wie Werkzeugen mittels eines Energiestrahls, wo- 5 von Schneid- oder Stanzwerkzeugen wobei led.gbei das in weichem, d.h. in noch ungehärtetem Hch deren Schnittplahenkanten und ahnl ehe Zustand bereits unter genauer Formgebung auf einem Verschleiß unterworfene Werkzeugteile Fertigmaß bearbeitete Werkstück, " Werkzeug bzw.-stellen gehartet werden,
od. dgl. durch kurzzeitiges Erhitzen durch Energiestrahleinwirkung und nachfolgendes rasches ^lo
Abkühlen durch Selbstabschreckung gehärtet
wird und wobei nur solche Oberflächenbereiche
des Werkstücks, Werkzeugs od. dgl. gehärtet werden, die bei Gebrauch dem Verschleiß am rnei- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten sten unterworfen sind, dadurch gekeian- i5 von Werkstücken, wie Werkzeugen mittels eines zeichnet, daß ein jeweils ausgewählter Ober- Energiestrahls, wobei das in weichem, d. h. in noch flächenbereich in der Weise einer lokalisierten ungehärtetem Zustand bereits unter genauer Formge-UTid dosierten Behandlung mittels Energiestrahis bung auf Fertigmaß bearbeitete Werkstück, Werkausgesetzt wird, daß dieser Bereich in mehrere zeug od. dgl. durch kurzzeitiges Erhitzen durch Enevkleinere Teilbereiche unterteilt wird und diese ^a° siestrahleinwirkung und nachfolgendes rasches AbTeilbereiche nacheinander durch den Energie- kühlen durch Selbstabschreckung gehärtet wird und strahl beaufschlagt werden und daß die Behänd- wobei nur solche Oberflächenbereiche des Werklungsgeschwindigkeit hierbei so vorgegeben wird, Stücks, Werkzeugs od. dgl. gehärtet werden, die bei daß eine ausreichende Wärmeableitung an einem Gebrauch dem Verschleiß am meisten unterworfen bereits behandelten Teilbereich bis zur Behänd- ^£5 sind.

lung des unmittelbar benachbarten Teilbereichs Das Härten mittels eines Energiestrahls, z. B. eines

gewährleistet ist. konzentrierten Laser- oder Ladungsträgerstrahls. g.>

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- stattet bekanntlich in besonders vorteilhafter Weise kennzeichnet, daß unmittelbar benachbarte Teil- eine strenge Lokalisierung der Wärmezufuhr zu cLn bereiche jeweils übersprungen und erst nach rain- 3° zu härtenden Werkstückzonen und eine extrem kurze destens einer Behandlung eines weiter entfernten Erhitzungsdauer an dieser Zone.

Teilbereichs behandelt werden. Von diesem bekannten Verfahren ausgehend, Lv-

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder2. dadurch schäftigt sich die Erfindung mit dem Problem, Maigekennzeichnet, daß eine stufenweise Behandlung nahmen anzugeben, um das Verfahren in größerem der zu härtenden Oberflächenbereiche vorgehe- 35 Umfange zum industriellen Einsatz, insbesondere für hen ist, wobei zwischen jeweils zwei Behänd- die Härtung von Präzisionswerkzeugen, zu befähigen, lungsstufen eine formgebende Nach- bzw. Fertig- da ein solcher Einsatz eine hohe Wirtschaftlichkeil bearbeitung des Werkstücks bzw. des Werkzeugs eines Härteverfahrens zur Voraussetzung haben durchgeführt wird. muß, wobei unter großer Wirtschaftlichkeit die Mög-

4. Verfahren nach einem der vorangehenden 40 Uchkeit zu verstehen ist, große Stückzahlen von Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ver- Werkstücken oder Werkzeugen in relativ kurzer Zeit schiedene vorbestimmte Oberflächenberciche in und bei verhältnismäßig kleinem Energiebedarf mitder Weise behandelt werden, daß die erzielbaren tels eines Energiestrahls zu behandeln. Hierbei geht Härtetiefen in diesen Bereichen jeweils unter- es insbesondere darum, die Gesamtfläche eines ausschiedlich sind. 45 gewählten, zu behandelnden Oberflächenbereichs in

5. Verfahren nach einem der vorangehenden kürzester Zeit und unter Berücksichtigung der beim Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiestrahl-Härten zu beachtenden physikalischen Energiestrahl in an sich bekannter Weise ein Verhältnisse und Größen, wie insbesondere Energiesteuerbarer Ladungsträgerstrahl, insbesondere absorptionsvermögen eines Werkstoffs, Wärmeüberein Elektronenstrchl, dient. 50 gangszahlen, Wärmeleitzahlen, maximale Anwärm-

6. Verfahren nach einem der vorangehenden zeiten od. dgl. mittels eines Energiestrahls härten zu Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man können. Hiermit hängt auch die Frage der maximal den Energiestrahl impulsförmig zur Einwirkung zulässigen Behandlungsgeschwindigkeit zusammen, auf die zu behandelnden Oberflächen-Teilbe- die — bezogen auf die Gesamtfläche eines Oberfläreiche kommen läßt. 55 chenbereichs — so eingestellt werden muß, daß

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge- keine Härtespannungen bzw. kein Härteverzug aufkennzeichnet, daß man mindestens zwei Energie- tritt. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe Strahlimpulse nacheinander auf die zu behandeln- besteht somit darin, das eingangs genannte Verfahren den Oberflächen-Teilbereiche einwirken läßt. dahingehend zu verbessern, daß eine gleichmäßige

8. Verfahren nach einem der vorangehenden 60 Abkühlgeschwindigkeit erzielt wird, die ihrerseits zur Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Be- Vermeidung von Härtespannungen und Härteverzug handlungstiefen an verschiedenen, zu härtenden wesentlich ist. und daß insgesamt eine optimale Vei-Oberflächenbereichen durch entspret-'uende Wahl fahrenswirtschaftlichkeit erreicht wird.

der Anzahl von Energiestrahlimpulsen einstellbar Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

sind. 65 gelöst, daß ein jeweils ausgewählter Oberflächenbe-

9. Verfahren nach einem der vorangehenden reich in der Weise einer lokalisierten und dosierten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ra- Behandlung mittels Energiestrahis ausgesetzt wird, stermuster vorgesehen ist, das entsprechend der daß dieser Bereich in mehrere kleinere Teilbereiche