DE2111183A1 - Verfahren zur zweistufigen Oberflaechenhaertung von Werkstuecken aus Eisen- und Stahllegierungen und Anordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

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Gebr. Böhler & Co. Aktiengesellschaft in Wien

Verfahren zur zweistufigen Oberflächenhärtung von Werkstücken aus Eisen- und Stahllegierungen und Anordnung zur Durchführung des Vefahrens

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Oberflächenhärtung von Werkstücken aus härtbaren Eisen- und Stahllegierungen, insbesondere mit einem Verfahren, mit dem auf der Werkstückoberfläche Bereiche aus metastabilem Austenit mit gleichmäßigen Eigenschaften auch bei sehr langen Behandlungszeiten erzielt werden können.

Die Erzeugung von metastabilem Austenit ist das wesentliche Merkmal der zweistufigen Oberflächenhärtung. Bei diesem Verfahren wird in der ersten Stufe ein jeweils nur kleiner Bereich der Werkstoff oberfläche in extrem kurzer Zeit austenitisiert, wodurch die Umgebung dieses Bereiches zunächst kalt bleibt. Durch den anschließend erfolgenden raschen Wärmeabfluß aus dem austenitisierten Bereich in das Werkstückinnere wird der Austenit so rasch abgekühlt, daß er im wesentlichen erhalten bleibt, also nicht in Martensit umwandelt. Der so erzeugte Austenit hat Zähigkeitseigenschaften, die mit jenen ühlicher Austenite vergleichbar sind, unterscheidet sich von diesen aber durch eine Härte, die höher als die Martensithärte ist,die durch übliche Abschreckhärtung bei gleich hohen Kohlenstoffgehalten erzielt werden kann. Die Ursache dieser hohen Austenithärte ist, daß bei der Härteprüfung vom eindringenden Prüfkörper ein plastisch verformter Bereich erzeugt wird, der während seiner Entstehung mindestens teilweise in einen Martensit extrem hoher Härte umwandelt. Es handelt sich demnach um einen metastabilen Austenit, der sich von üblichen Austeniten, die bei Beanspruchungen bei Raumtemperatur stabil sind und daher bei der

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Härteprüfung niedrige tlärtewerte ergeben, grundsätzlich unterscheidet. Diese mehr oder weniger weitgehende Umwandlung des metastabilen Austenits in der zweiten Stufe erfolgt nicht nur bei der Härteprüfung, sondern auch bei Beanspruchungen beliebiger Art bei Raumtemperatur. Es sind daher keine zusätzlichen Maßnahmen notwendig, um das gewünschte Gebrauchsverhalten zu erzielen. Demnach ist also die zweistufige Oberflächenhärtung in einem Arbeitsgang durchführbar, bei dem durch lückenlose Aneinanderreihung von kleinen, austenitisierten Bereichen ein gehärtetes Band oder ein gehärteter Bereich, z.B. bei Werkzeugschneiden, entsteht. Dieser Arbeitsgang ist aber für den Erfolg des Verfahrens und damit für ^ * die Qualität der behandelten Werkstückoberfläche entscheidend.

Wenn bei diesem Arbeitsgang die Austenitisierung zu langsam erfolgt, entstehen Oberflächenbereiche, die sehr hohe Martensitanteile enthalten oder zur Gänze aus Martensit bestehen. Solche Bereiche haben Eigenschaften, die mit jenen von weißen Reibmartensitschichten vergleichbar sind, deren Sprödigkeit und Neigung zum Ausbrechen bekannt ist. Erfolgt die Austenitisierunt; durch zu große lokale Energieeinbringung, können störende Aufschmelzerscheinungen auf der Werkstückoberfläche oder auf Y/erkzeugschneiden entstehen, die vor der Ingebrauchnahme entfernt werden müssen. '

Bei metallographischen Untersuchungen sind die Ergebnisse

ψ solcher Oberflächenbehandlungen als schwer anätzbare, mikroskopisch nicht auflösbare weiße Bereiche erkennbar. Die Unterscheidung, ob diese weißen Bereiche aus Martensit oder aus metastabilem Austenit bestehen, kann z.B. mit Hilfe intensiver Ätzbehandlungen erfolgen, die beim Vorliegen von Austenit im Oberflächenber,eich des Schliffes zur Bildung von Martensitnadeln führen. Solche Martensitnadeln können nicht entstehen, wenn die weißen Bereiche schon vor dem Ätzen martensitisch sind. Eine andere Unterscheidungsmöglichkeit oder Identifizierungsmöglichkeit beim Vorliegen weißer Bereiche sind röntgenographische Bestimmungen der Austenitanteile.

Die Erzeugung von Bereichen aus metastabilem Austenit ist auf Werkstücken aus Eisen- und Stahllegierungen dann möglich, wenn ausreichend hohe Kohlenstoffgehalte bei der Austenitisierung

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in extrem kvu'zer Zeit in Lösung gebracht werden können. Beim Vorliegen nicht oder nur schwer lösbarer Karbide oder beim Vorliegen von (Jraphitausscheidungen muß der Kohlenstoffgehalt der Grundmasse ausreichend hoch sein; die Karbide oder der Graphit befinden sich dann im nicht aufgelösten Zustand im weißen Bereich. Die Höhe des notwendigen Mindestkohlenstoffgelulltes betrügt bei unlegierten Stühlen etwa 0,(> ;« und kann bei legierten Stählen noch niedriger liegen.

Als Energiequellen i'ür die Durchführung der zweistufigen Oberflächenhärtung wurden bisher Reibscheiben, Plasmabrenner und Elektronenstrahl en verwendet. Eine wesentliche Anforderung an solche Energiequellen ist, daß sie eine Energiekonzentration auf der Y/erlcstückobcrf lache· ermöglichen, mit der in extrem kurzen Zeiten,

_ ο nach allerdings nur qualitativen Überlegungen in weniger als 10 Sekunden, die erforderliche Austenitisierung erzwungen werden kann.

Eine weitere wesentliche Anforderung besteht darin, daß zur Erzielung von Austenitbereichen mit gleichbleibender Form und gleichbleibenden Eigenschaften eine gleichmäßige Energieeinbringung in das Werkstück während der gesamten Behandlungsdauer möglich sein

Diese beiden Forderungen sind am einfachsten mit ausreichend stabilen Elektronenstrahlen erfüllbar. Ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendung derselben ist aber, daß die Behandlung der Werkstücke im Hochvakuum erfolgen muß. Die hierfür erforderlichen hohen Anlagekosten haben außerdem zur Folge, daß die Verwendung von Elektronenstrahlen für die Massenfertigung nicht in Betracht gezogen werden kann und nur in Sonderfällen wirtschaftlich vertretbar ist.

Bei der Verwendung von mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten von mehr als 100 m/s rotierenden Reibscheiben, zweckmäßig aus gehärtetem Schnellarbeitsstahl mit glatten und geeignet profilierten Stirnflächen, erfolgt die Energieeinbringung durch die Reibungswärme, die beim Andrücken solcher Stirnflächen gegen das Werkstück entsteht. Bei diesem Vorgang, bei dem z.B. das Y/erkstück an der Scheibe vorbeigeführt wird, um auf diesem eine Spur aufzubringen,

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entsteht ein Materialabtrag bis zu 0,2 mm. Beim Einbau dieses Verfahrens in die Fertigung muß dieser Materialabtrag durch entsprechende Übermaße berücksichtigt werden und die Behandlung vor dem Fertigschleifen erfolgen, wenn genaue Einbaumaße einzuhalten sind. Außerdem muß der Materialabtrag sehr genau eingestellt werden, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Weitere NachLeile dieses Verfahrens sind, daß es nur bei Werkstücken mit einfacher Geometrie, z, B. bei zylindrischen Werkstücken, bei solchen mit ebenen Flächen oder mit geraden Schneiden oder Kanten anwendbar ist und daß an die Maßgenauigkeit dieser Werkstücke hohe Anforderungen gestellt werden müssen. Geringe lokale Abmessun;;sfehler in der Größenordnung von 0,01 mm haben bereits wegen des dann verminderten oder erhöhten Materialabtrags eine ungleichmüßige Energieeinbringung und eine Veränderung der Form der entstehenden Austenitschicht zur Folge. Die Kosten für eine Anlage zur Erzeugung von Ileibaustenit sind aber vergleichsweise die niedrigsten.

Bei der Verwendung von Plasmabrennern wird die Energie ausgenützt, die durch die Rekombination der Ladungsträger des Plasmas auf elektrisch leitenden Oberflächen frei wird. I)ie Bereiche dieser Ladungsträger sind bei Verwendung von heißem Plasma, das durch Dissoziation des Arbeitsgases mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens erzeugt wird, von einem heißen, nicht dissoziierten Gasstrom umgeben, der große und unerwünschte Wärmemengen in das Werkstück einbringt, so daß besonders bei längeren Behandlungszeiten die bereits entstandenen Austenitschichten durch Anlaßwirkungen zerstört und die Entstehung weiterer Schichten wegen zu hoher Werkstücktemperaturen unmöglich wird. Aus diesen Gründen wurde bereits vorgeschlagen, zur Oberflächenhärtung die kalte Flamme eines Hochfrcquenzplaemabrenners, also kaltes Plasma, zu verwenden, in dem Papier nicht zur Entzündung gebracht werden kann« Auf elektrisch leitenden Oberflächen, z.B. auf metallischen Oberflächen, kann mit kaltem Plasma ebenfalls die erwünschte Ladungsrekombination erzielt und damit eine extrem rasche Erhitzung ohne störende Nebenwirkungen durch heiße Gase erzwungen werden. Di« Möglichkeit des Arbeiten« in freier Luft, die in erträglichen Grenzen liegenden Anlagekosten β«wie die Unabhängigkeit Ton der Geometrie und der Maßgenauigkeit der zu behandelnden Werkstück· sprechen für die Verwendung Ton kalten Plasma,

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Wenn jedoch ein Werkstück mit kaltem Plasma ohne Beachtung besonderer Maßnahmen behandelt wird, ist im allgemeinen die Energieeinbringung zur Erzeugung von Austenitschichten unzureichend. Noch störender ist aber, daß die Wirkung der Behandlung derart ungleichmäßig ist, daß technisch brauchbare Oberflächenhürtungen

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über Bereiche von nur wenigen cm nicht erzielt werden können. Gleichartige Erfahrungen liegen auch bei der Behandlung von Werkzeugschneiden vor, bei denen lokale Aufschmelzungen als Folge übermäßiger Energiezufuhr und unzureichende Härteannähmeη gleichzeitig auftreten können.

Ein Verfahren, mit dem diese Schwierigkeiten vermieden werden können, wäre somit von großem technischen Interesse.

Die wesentliche Voraussetzung zur Durchführung der zweistufigen Oberflächenhärtung mit kaltem Plasma in technisch brauchbarer Weise ist, daß in das Werkstück während der Behandlung gleich große Energiemengen in der Zeiteinheit eingebracht werden. Um nun diese Voraussetzung erfüllen zu können, ist es erfindungsgemäß notwendig, daß sich das zu behandelnde Werkstück in einem Hochfrequenzstromkreis mit konstanter Frequenz befindet, der durch die kalte Plasmaflamme galvanisch geschlossen wird.

Die aufgezeigten Schwierigkeiten können nicht vermieden werden, wenn ein Hochfrequenzgenerator verwendet wird, dessen Frequenz nicht stabilisiert ist, oder wenn trotz Verwendung eines Hochfrequenzgenerators mit stabilisierter Frequenz das.Werkstück während der Plasmabehandlung mit der Elektrode des Plasmabrenners und dem Hochfrequenzgenerator einen offenen Schwingungskreis bildet, so daß das Werkstück als kapazitiver Rückschluß wirkt.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur zweistufigen Oberflächenhärtung von Werkstücken aus härtbaren Eisen- und Stahllegierungen, und die Erfindung besteht darin, daß zur Erzeugung von Oberflächenbereichen aus metastabilem Austenit mit gleichbleibenden Querschnittaformen und gleichbleibenden Eigenschaften in das Werkstück während der Behandlungsdauer gleich große Energiemengen in der Zeiteinheit mit kaltem Plasma eingebracht werden, durch welches ein Ilochfrequenzstromkreis mit konstanter Frequenz galvanisch geschlossen wird.

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Eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in der Fig. 1 der Zeichnung wiedergegeben. Sie besteht aus einen Hochfrequenzgenerator 1 mit stabilisierter Frequenz und stufenlos regelbarer Leistung, aus einem iireriner 2 zur Erzeugung des keilten Plasuas ο mit dem das durch Erdschluß 4 mit dem Ilochfrequenzgenerator verbundene Werkstück 5 behandelt wird, sowie aus einer zwischen Hochfrequenzgenerator und Brenner angeordneten Abgleicheinheit G zur Eins Le 11 um·; der optimalen Energieeinbringun_f; in das Werkstück, die mit Hilfe des Leistungsmessers 7 für die zum Werkstück hinlaufende Leistung und des Leistungsmessers S für die reflektierte Leistung kontrollierbar ist.

^ Die Frequenz des Ilochfrequenzstromkreises soll wenigstens lü IiIIz

betragen. Als obere Grenze der Frequenz können nach den derzeitigen Vorstellungen 100 MIIz angegeben werden. Zu beachten ist, daß eine Frequenz gewählt wird, die nach den postalischen Vorschriften zugelassen ist. Zur Zeil, wird vorzugsweise eine Frequenz von 13,5G MHz angewendet«

Die maximale Leistung der Hochfrequenzgeneratoren soll zwischen mindestens 1 und 5 kW liegen und soll stufenlos regelbar sein, um die Leistungseinbringung in das Werkstück je nach Bedarf verändern zu können. Mit Hilfe der außerdem notwendigen Abgleicheinheit wird dafür gesorgt, daß die zum Werkstück hinlaufende Leistung oder Vorwärtsleistung möglichst groß und die reflektierte Leistung oder Verlustleistung möglichst klein ist. Diese Leistungen sollen auch deshalb ™ meßbar sein, weil sie eine Kontrolle der Energieeinbringung in das Werkstück während der Behandlungsdauer in sehr einfacher V/eise ermöglichen, so daß sich nachträgliche umständliche und zeitraubende Kontrollen erübrigen.

Der Aufbau von Plasmabrennern zur Erzeugung von kaltem Plasma ist grundsätzlich bekannt. Solche Brenner bestehen im wesentlichen aus einem Rohr, in dem die Bildung des Plasmas entweder mit einem elektrischen Ilochfrequenzfeld mit Hilfe einer axial im Rohr angeordneten Elektrode oder mit einem magnetischen Ilochfrequenzfeld erfolgt, das von einer das Rohr umgebenden Hochfrequenzspule erzeugt wird. Durch einen Zündvorganp; im Brenner werden Elektronen des Arbeitsgases ausgelöst, die im Ilochfrequenzfeld eine so sterke Beschleunigung erfahren,

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daß sie die Moleküle ties Arbeitsloses dissoziieren und ionisieren können, also ein Plasma bilden.

Eine Aus führun.'cs form des Plasmabrenners, zeigt die Fig. 2* Er bestellt aus einer stabi'örmigen Elektrode 9, die mit einem Kabel mit der Iiochf requenzs tromquelle verbunden werden kann, aus einem liohr 11, das die Elektrode umgibt und die Zuführung des Arbeitsgases durch einen Anschlußstut zen 12 erriiüglicht, au." einer Elektroden— hai t erung 13, welche die axiale Anordnung der Elektrode im Rohr sicherstellt, aus einer Düse 11 zur Formgebung der Plasmaflamme 15, Die Zündun·' de.<! Brenners erfolgt, durch Berührung der Elektrode mit einem Metall- oder Kohlest ab, der in einem Isolator befestigt ist. Beim Abziehen des .Stabes entsteht ein Iiochf requenzlichtbogen, der die Bildung der von der Elektrode ausgehenden Plasmaflamme einleitet, die dann iη f r e i er Lu f 1 vre i t erbr ennt.

Als Material für die Elektrode kann thoriertes Wolfram gewählt werden. Als Arbeitsgas hut sieh für die zweistufige Oberflächenhärtung handelsübliches Schwei!Jargon bisher am besten bewährt.

Für das Brennerrohr ist eine besondere .Materialauswahl nicht erforderlich. Es kann aus elektrisch nicht leitendem Material bestehen oder auch aus Metall, z.B. aus Kupfer sein, wenn die Geschwindigkeit des strömenden Arbeitsgases groß genug ist, um Überschläge zwischen der Elektrode und dem Metallrohr zu verhindern. Für die Elektrodenhalterung muß hingegen elektrisch nicht leitendes Material gewählt werden. Zu beachten ist, daß das Brennerrohr durch die vom Werkstück abstrahlende Wärme übermäßig beansprucht werden kann. In solchen Fällen ist es notwendig, das Ilohr in geeigneter Weise zu schützen. Dies kann sowohl durch eine Kühlung als auch dadurch erfolgen, daß an dem Rohr eine Düse zur Formgebung der Plasmaflamme angeordnet wird. Die Düse muß aus elektrisch nicht leitendem Material bestehen und gegen die Strahlungswärme ausreichend widerstandsfähig sein. Praktisch ist hierfür jede feuerfeste keramische Masse geeignet.

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AusführungsbeispieleJ

Mit einer Anlage zur Erzeugung von kaltem Plasma, deren Hochfrequenzgenerator eine stabilisierte Frequenz von 13,56 IvIIIz und eine maximale Leistungsaufnahme von 1,25 kW hatte, wurden verschiedene Werkstücke unter Beachtung der erfindu lgsgemäß angegebenen Maßnahmen behandelt:

a) Auf einer Platte aus einem unlegierten Stahl mit 1,1 % C und mit den Abmessungen 100 χ 60 χ 14 mm wurden im wassergehärteten Zustand Spuren aus metastabilem Austenit mit 2,5 mm Breite erzeugt, die im Querschnitt die l'Orm eines Kreisabschnittes mit 0,3 mm Tiefe hatten. Die mit 100 ρ Belastung P ermittelte Mikrohärte dieser Spuren be£rug 950 bis 1000 kp/mm , jene der wassergehärteten Oberfläche etwa 800 kp/mm . Die Spuren hatten über die ganze Länge einen vollkommen gleichbleibenden Querschnitt. Die Vorschubgeschwindigkeit, mit der die Platte in einem Abstand von etwa 5 ram an dem Brenner vorbeigefiihrt wurde, betrug 160 mm je Liinute, die über die Plasmaflamme zur Platte hinlaufende Leistung 500 W.

b) Auf einer Bewehrungsleiste mit 8x2 mm Querschnitt und 2000 mm Länge aus einem Stahl mit 0,6 <f₀ C, 0,3 $ Si, 0,6 % Mn und 0,1 % Cr, die im vergüteten Zustand vorlag und eine Mikrohärte von 360 kp/

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mm hatte, wurde eine Kante durch Erzeugung eines Bereiches aus metastabilem Austenit gehärtet, dessen Querschnitt die Form eines

»gleichschenkeligen Dreiecks hatte. Die Länge der von der Kante ausgehenden Schenkel dieses Dreiecks betrug 0,5 mm. Im Austenit-

bereich wurde eine Mikrohärte von 900 bis 950 kp/mm festgestellt. Die Behandlung dieser Bewehrungsleiste erfolgte mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 810 mm je Minute und mit einer Vorwärtsleistung von 300 W.

c) Zur Härtung der Zahnspitzen verschiedener Holzbandsägen mit Querschnitten von 0,7 χ 10, 0,7 χ 20 und 0,7 χ 25 mm und Zahntiefen von 2,0 bis 2,6 mm wurden diese mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 810 mm je Minute in etwa 5 mm Abstand an döm Plasmabrenner vorbeigeführt, wobei die Vorwärtsleistung 150 W betrug. Die Zahnspitzen dieser Sägen zeigten nach der Behandlung Bereiche aus metastabilem Austenit mit dreieckigen Querschnitts-

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formen. Die Mikrohärte der Austeiiitberexclie lag zwischen 930 und 1000 kp/mm . Die Sägen hatten Mikrohärte!! zwischen 420 und 440 kp/ mm und waren aus Stählen mit etwa 0,7 % C, 0,3 $ Si, 0,6 Je Mn, 0,6 # Ni, 0,2 # W und 0,05 fo V.

Die Standzeiten von Sägen, deren Spitzen aus metastabilem Austenit bestehen, betragen im Vergleich zft jenen von üblichen Sägen das Zwei- bis Vierfache.

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Claims (4)

- 10 - 112G Patentansprüche

1. Verfahren zur zweistufigen Oberflächenhärtung von Werkstücken aus härtbaren Eisen- und Stahllegierungen, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erzeugung von Oberflächenbereichen aus metastabilem Austenit mit gleichbleibenden Querschnittsfornien und gleichbleibenden Eigenschaften in das Werkstück während der Behandlungsdauer gleich große Energiemengen in der Zeiteinheit mit kaltem Plasma eingebracht werden, durch welches ein Hoclurequenzstrorakreis mit konstanter Frequenz galvanisch geschlossen wird,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kalte Plasma in einem IJrenner mit einer stabförmigen Elektrode aus thoriertem Wolfram aus handelsüblichem Schweißargon erzeugt wird.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Hochfrequenzgenerator (l) mit stabilisierter Frequenz k und stufenlos regelbarer Leistung, durch einen Brenner (2) zur Erzeugung des kalten Plasmas (3), mit dem das durch Erdschluß (4) mit dem Hochfrequenzgenerator verbundene Werkstück (5) behandelt wird, sowie durch eine zwischen Hochfrequenzgenerator und Brenner angeordnete Abgleicheinheit (6) zur Einstellung der optimalen Energieeinbringung in das Werkstück, die mit Hilfe des Leistungsmessers (7) für die zum Werkstück hinlaufende Leustung und des Leistungsmessers (8) für die reflektierte Leistung kontrollierbar ist.

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4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Hochfrequenzgenerator, dessen maximale Leistungsaufnahme im Bereich zwischen 1 und 5 kW liegt und dessen stabilisierte Frequenz mindestens 10 UIIz und höchstens 100 MIIz, vorzugsweise 13,!Lid MHz, beträgt.

δ. Anordnung nach den Ansprüchen 3 und 4, gekenn-ζ e J e h η ο t durch einen Brenner zur Erzeugung von kaltem Plasma, der aus einer Elektrode (ü) ans thoriertem .Wolfram, aus einer elektrodenhalterung (13) aus elektrisch nichtleitendem Mate-rial, aus einem Itohr (11) aus Kupfer mil einem Anschlußstut ζen (l^) für die Zuleitung des Arbeitsgases und aus einer Düse (14") aus einer feuerfesten keramischen Masse besteht.

Gebr. Bö hl" er & Co Ali ti engeseil schaft Patentbüro

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