DE2018793A1 - Electron beam tool hardening - Google Patents

Description

• Verfahren zum Härten von Werkstücken oder Werkzeugen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Härten von Nerkstücken oder Werkzeugen, z.B. von Bandsägen, chneid- oder Stanzwerkzeugen, mittels eines Elektronenstrahls.
• Das Härten mittels eines Elektronenstranls, d.h. also das Ernitzen eines Werkstücks durch Einwirkenlassen eines gebündelten Elektronenstrahls auf die jeweils zu härtende Zone des Werkstücks und das nachfolgende Abkühlen der erwärmten Zone durch Selbstabschreckung, ist bereits bekannt. Besonders vorteilhaft ist bei einem solchen Verfahren u.a., daß die Erwärmung der zu härtenden Werkstückszonen sehr kurzzeitig erfolgt.
• Darüber hinaus bietet der Elektronenstrahl infolge seiner leichten Ablenkbarkeit durch elektrische oder magnetische Felder die Iyiöglichkeit, ihn auf beliebige Oberflächenstellen eines Werkstücks oder Werkzeugs richten zu können.
• Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein derartiges mit Elektronenstrahlung arbeitendes fIärteverfahren noch wesentlich zu verbessern und es insbesondere hinsichtlicn seiner Anwendbarkeit dahingehend zu erweitern, daß auch Werkstücke oder Werkzeuge mit komplizierteren geometriachen Oberflächenausbildungen, z.B. Kanten und Spitzen aufweisende Werkzeuge, wie etwa Bandsägen, Scnneid- oder Stanzwerkzeuge, mittels eines Elektronenstrahls gehärtet werden können, wobei die höchsten Härtewerte gerade an den Kanten oder Spitzen eines Werkstücks oder Werkzeugs erzielbar sein sollen. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß vorbestimmte, zu närtende Bereiche oder Stellen eines Werkstücks bzw. Werkzeugs mit an die jeweilige Form und/oder Lage dieser Bereiche oder Stellen angepaßter Elektronenstrahl-Energie beaufschlagt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vor allem dann äußerst vorteilhaft zum Einsatz bringen, wenn die zu härtenden Zonen eines Werkstücks oder Werkzeugs Volumenelementen zugeordnet sind, die von vornherein ein gegenüber den übrigen Volumenelementen des Werkstücks bzw. werkzeugs unterschiedliches Närmeleitverhalten aufweisen, wie dies etwa bei erkzeugkanten oder -spitzen der Fall ist. Derartige durch gegenüber dem Grundkörper unterschiedliches ärmeleitverhalten gekennzeichnete Bereiche oder Stellen eines Werkstücks bzw.
• Werkzeugs lassen sich unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch härten, daß sie mit entsprechend unterschiedlicher Elektronenstrahl-Energie beaufschlagt werden.
• Insbesondere können gemäIj einer Weiterbildung der Erfindung die jeweils Volumenelementen mit gegenüber den übrigen Volumenelementen ungünstigerem Närmeleitverhalten zugeordneten zu wartenden Bereiche oder Stellen eines Werkstücks bzw. Werkzeugs mit relativ verminderter Elektronenstrahl-Energie. und/ oder mit einer geringeren Einwirkungsdauer der Elektronenstrahl-Energie beaufschlagt werden.
• Ideispielsweise ist die Wärmeableitung an den Zahnspitzen einer däge stets etwas niedriger als an den zugehörigen Zahnflanken.
• Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Härteverfahrens kann jedocn erreicht werden, daß gerade an den am stärksten beanspruchten Sägezahnspitzen die höchsten Härtewerte auftreten, indem beim härten die Energieeinbringung in Anpassung an die Geometrie des Werkstücks bzw. Werkzeugs gesteuert wird Gemä einer sehr vorteilhaften Ausführungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Anpassung der Elektronenstrahl-Energie an die Form und/oder Lage der zu härtenden Bereiche oder Stellen durch entsprechende Einstellung der Leistungsdichteverteilung im Strahlquerschnitt des Elektronenstrahls. eispielsweise läßt sich beim Härten einer Bandsäge durch Anwendung elektronen-optischer maßnahmen die Verteilung der Leistungsdicnte im Bestrahlungsfleck so einstellen, daß die Säge jeweils im Bereich einer Zahnspitze wegen der dortigen ungünstigeren Narmeableitungsverhältnisse mit etwas weniger Energie als an den übrigen zu härtenden Bereichen beaufsctllagt wird, so daß nach dem Abschalten der Energiezufuhr an den Sägezahnspitzen infolge Selbstabschreckung ein sehr feinkörniges Wlartensitgefüge gebildet werden kann.
• Andererseits ist es aber aucn möglich, daß die Anpassung der Elektronenstrahl-Energie an die Form und/oder Lage der zu härtenden Bereiche oder Stellen des Werkstücks bzw. Werkzeugs durch Wendeln des Elektronenstrahls bei unveränderter Leistungsdichteverteilung in dessen Strahlquerschnitt erfolgt. m beim Beispiel der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für das bandsägehärten zu bleiben, wird gemäß letzterer Ausführungsmöglichkeit der Elektronenstrahl in der Neise beeinflußt, daß der Bestrahlungsfleck mittels hochfrequenter wendelung Bannkurven beschreibt, dergestalt, daß die Einwirkzeit an der Zahnspitze kürzer als in den übrigen Bereichen gehalten wird. Mit anderen Worten wird jeweils an dem Ort einer Sägezahnspitze eine höhere Rastergeschwindigkeit des Bestrahlungsflecks erzeugt als an anderen Bereichen, etwa an den unmittelbar benachbarten Bereichen der Schneidflanken. Beispielsweise laßt sich durch Überlagerung des Elektronenstranls mit einer nocnfrequenten Sinus schwingung eine Nedelung erreichen, bei der die Zahnspitzen jeweils im Bereich des riulldurchgangs der ßinusschwingung liegen, d.h. also jeweils im Bereicn der tiC)Ctlsten Nedelgescnwindigkeit. Im übrigen ist es möglich, das *rfindungsgemäße Verfahren in der Neise auszuführen, daß die Energiebeaufschlagung der zu hartenden Bereiche oder stellen von Volumenelementen mit voneinander abweichendem Wärmeleitverhalten gleichzeitig erfolgt, so daß auf jeden Fall die maximale, durch den Härtungseffekt bedingte Bearbeitungsgeschwindig keit eingehalten werden kann.
• Andererseits kann es aber auch in manchen Anwendungsfällen günstig sein, wenn die Energiebeaufschlagung der zu härtenden Bereiche oder Stellen von Volumenelementen mit voneinander abweichendem ärmeleitverhalten in zeitlichem Abstand vorgenommen wird.
• Zur näheren Erläuterung der Erfindung dienen die'Zeichnungen.
• Im Rahmen von Ausführungsbeispielen zeigen: Fig. 1 einige Zähne einer mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gehärteten Säge aus Bandstahl und Fig. 2 das Diagramm einer möglichen Leistungsdichteverteilung eines zur Härtung von Sägezahnspitzen dienenden Elektronenstrahls.
• Die Standzeit und die bei Betrieb erzielbare Schnittgeschwindigkeit einer Bandsäge hängen im wesentlichen von den Härtewerten ab, die die Säge an ihren Zahnspitzen und an ihren je einer Zahnspitze benachbarten Schneidflanken aufweist, wobei es äußerst wünschenswert ist, daß die maximale Härte jeweils an den Sägezahnspitzen auftritt.
• In Fig. 1 sind einige Zahnspitzen einer unter Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung gehärteten Bandsäge dargestellt. Der Werkstoff dieser Bandsäge wies die Bestandteile 0,75 O/o C, 1,4 °S Si, 0,65 % Mn und 0,37 60 Cr auf.
• Zum Härten der Sägezahnspitzen wurde ein Elektronenstrahl mit einem Strahl strom von 10 mA bei 100 kV Beschleunigungsspannung verwendet, wobei die Sägezähne mit einer Gescnwindigkeit von 0,5 m/sec. unter dem einwirkenden Elektronenstrahl hinwegbewegt wurden. Die Anpassung der Elektronenstrahl-Energie an die Sägezaunform erfolgt jeweils durch eine entsprecnende Verteilung der Leistungsdichte im Strahlquerschnitt, wie sie beispielsweise aus dem Diagramm gemäß Fig. 2 entnommen werden kann, in welchem die Leistungsdichte I in Abhängigkeit vom Abstand r von der Strahlachse dargestellt ist.
• Wie zu erkennen ist, wurde eine derartige Verteilung der Leistungsdichte I im Bestrahlungsfleck gewählt, daß die Intensität im Bereich jeweils einer Sägezahnspitze abnimmt mit einem Minimum direkt an der Zahnspitze (r = O). Im Bereich der beiden einer Spitze benachbarten Zahnflanken wird dagegen mittels entsprechender elektronen-optischer Maßnahmen eine jeweils erhöhte Leistungsdichte im Strahlquerschnitt erzeugt (mit den Maxima bei -r1 und bei +r1), da die Wärmeableitung von diesen Zahnflanken aus zum Sägeblatt bereits wesentlich besser ist als unmittelbar von der Zannspitze aus. Da das Abkühlen durch Selbstabschreckung erfolgen soll, kommt es gerade sehr wesentlich auf eine gute und rasche Wärmeableitung von den erhitzten Zonen an die nicht erhitzten Bereiche eines Nerkstücks bzw. Werkzeugs an. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es nun, durch eine steuerbare Energiebeaufschlagung der zu härtenden Zonen der jeweiligen Werkstücksgeometrie vollauf Rechnung zu tragen und hierdurch der Härte den erforderlichen Verlauf am Werkstück bzw. Werkzeug zu geben.
• In dem hier behandelten Beispiel einer Härtung der Sägezahnspitzen einer Bandsäge wird also erfindungsgemäß eine derartige Leistungsdichteverteilung im Bestranlungsfleck des auf einen Zahn jeweils einwirkenden Elektronenstrahls gewählt, daß die Energieeinbringung im Bereich der Zannspitze wegen der dortigen ungünstigeren Wärmeableitungsverhältnisse stets vermindert ist, so daß bei gleichzeitiger äußerst kurzer Einwirkungsdauer der Energie eine rasche Abkühlung durch Selbstabschreckung nach Unterbrechung der Energiezufuhr gewährleistet und somit eine sehr hohe Härte gerade in den Zannspitzen erzielt'werden kann. messungen haben ergeben, daß die unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gearteten Sägezahnspitzen (vgl. die gestrichelt gezeichneten Bereiche der Sägezähne in Fig. 1) eine Härte von 950 HVl aufwiesen, wobei der Werkstoff eine Ausgangshärte von 530 HV1 besaß.
• Eine Bandsäge aus dem gleichen Werkstoff, die mittels eines üblichen Induktionshärteverfahrens gehärtet wurde, erreichte vergleichsweise lediglich einen Härtewert von 770 HVl in den Zahnspitzen.
• Als Folge der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielbaren hohen Härte in den Sagezahnspitzen ließ sich eine um den Faktor 6 erhöhte Standzeit der betreffenden Bandsäge gegenüber mit konventionellen Verfahren gehärteten Sägen feststellen, während gleichzeitig die Vorschubgeschwindigkeit verdoppelt werden konnte.
• Das erfindungsgemaße Iiärteverfahren laßt sich im übrigen mit großem Vorteil vor allen Dingen zur Wartung von Werkstücken bzw. Werkzeugen anwenden, die von Hause aus Kanten und/oder spitzen aufweisen und bei denen speziell diese Kanten bzw.
• spitzen die höchsten Härtewerte erfordern, da sie im Betrieb dem starksten Verschleiß ausgesetzt sind, wie dies beispielsweise bei den verschiedenartigsten otanz- und Schnittwerkzeugen der Fall ist.
• - Patentanspruche -

Claims (8)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Härten von Werkstücken oder Werkzeugen, z.B.

   von Bandsägen, Schneid- oder otanzwerkzeugen, mittels Elektronenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß vorbestimmte, zu härtende Bereiche oder Stellen des Werkstücks bzw.

   Werkzeugs mit an die jeweilige Form und/oder Lage dieser Bereiche oder Stellen angepaßter Elektronenstrahl-Energie beaufschlagt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils Volumenelementen mit gegenüber den übrigen Volumenelementen des Werkstücks bzw. Werkzeugs unterschiedlichem Wärmeleitverhalten zugeordneten zu härtenden Bereiche oder Stellen mit entsprechend unterschiedlicher Elektronenstrahl-Energie beaufschlagt werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da{ die jeweils Volumenelementen mit gegenüber den übrigen Volumenelementen ungünstigerem Wärmeleitverhalten zugeordneten zu härtenden Bereiche oder Stellen mit relativ vermindernder Elektronenstrahl-Energie und/oder mit einer geringeren Einwirkungsdauer beaufschlagt werden.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung der Elektronenstrahl-Energie an die Form und/oder Lage der zu härtenden Bereiche oder ;;tellen durch entsprechende Einstellung der Leistungsdichteverteilung im Strahlquerschnitt erfolgt.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung der Elektronenstrahl-Energie an die Form und/oder Lage der zu närtenden Bereiche oder Stellen durch Wedeln des Elektronenstrahls bei unveränderter Leistungsdichteverteilung in dessen Strahl querschnitt erfolgt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das wendeln des Elektronenstrahls durch dessen Uberlagerung mit einer hochfrequenten Sinusschwingung vorgenommen wird.
7. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiebeaufschlagung der zu härtenden Bereiche oder Stellen von Volumenelementen mit voneinander abweichendem -Wärmeleitverhalten gleichzeitig erfolgt.
8. 8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiebeaufsenlagung der zu närtenden Bereiche oder Stellen von Volumenelementen mit voneinander abweichendem Wärmeleitverhalten in zeitlichem Abstand erfolgt.