DE2111183B2 - Verfahren und Anordnung zur zweistufigen Oberflächenhärtung von Werkstücken aus härtbaren Eisen- und Stahllegierungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zweistufigen Oberflächenhärtung von Werkstücken aus härtbaren Eisen- und Stahllegierungen, wobei ein ionisierbares gasförmiges Medium in einem elektromagnetischen Hochfrequenz-Wechselfeld mit einer vorzugsweise zwischen 10 und 100 MHz liegenden, z. B. 13,56 MHz betragenden Frequenz ionisiert wird und das auf diese Weise erzeugte Plasma mit dem zu erhitzenden Werkstück in Verbindung gebracht wird sowie eine Anordnung zur Durchführung des ersteren.

Die Erzeugung von metastabilem Austenit ist das bo 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 sich nicht in Martensit umwandelt. Der so erzeugte Austenit hat Zähigkeilseigenschaften, die mit jenen üblicher 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 dabei bei der Härteprüfung niedrige Härtewerte 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 Austenitisierung durch zu große lokale Energieeinbringung, können störende Aufschmelzerscheinungen auf der Werkstückoberfläche oder auf Werkzeugschneiden entstehen, die vor der Ingebrauchnahme entfernt werden müssen.

Bei metallographischen Untersuchungen sind die Ergebnisse 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 Oberflächenbereich 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 in extrem kurzer Zeit in Lösung gebracht werden können. Beim Vorliegen nicht oder nur schwer lösbarer Karbide oder beim Vorliegen von Graphitausscheidungen 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 Mindestkohlenstoff gehaltes beträgt bei unlegierten Stählen etwa 0,6% und kann bei legierten Stählen noch niedriger liegen.

Als Energiequellen für die Durchführung der zweistufigen Oberflächenhärtung wurden bisher Reibscheiben, Plasmabrenner und Elektronenstrahlen verwendet. Eine wesentliche Anforderung an solche Energiequellen ist, daß sie eine Energiekonzentration auf der Werkstückoberfläche ermöglichen, mit der in extrem kurzen Zeiten, nach allerdings nur qualitativen Überlegungen in weniger als 10~² 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 muß.

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 Anlagekosien 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 Schne-'arbeitsstahl 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 Werkstück an der Scheibe vorbeigeführt wird, um auf diesem eine Spur aufzubringen, 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 Nachteile dieses Verfahrens sind, daß es nur bei Werkstücken mit einfacher Geometrie, z. B. bei zylindrischen Werkstükken, 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 Abmessungsfehler in der Größenordnung von 0,01 mm haben bereits wegen des dann verminderten oder erhöhten Materialabtrags eine ungleichmäßige Energieeinbringung und eine Veränderung der Form der entstehenden Austenitschicht zur Folge. Die Kosten für eine Anlage zur Erzeugung von Reibaustenit sind aber vergleichsweise die niedrigsten.

Aus der DT-OS 1458981 ist ein Verfahren zur zweistufigen Oberflächenhärtung mit einem Lichtbogenplasma bekannt, wobei der Lichtbogen in einem Plasmabrenner zwischen einer Stabelektrode und einer Ringelektrode brennt. Hierbei wird die Energie ausgenützt, die durch die Rekombination der Ladungsträger des Plasmas auf elektrisch leitenden Oberflächen frei wird. Die Bereiche dieser Ladungsträger sind bei Verwendung des heißen Plasmas, das durch Dissoziation des Arbeitsgases mit Hilfe des

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.

Bei einem der CH-PS 493 634 entnehmbaren Verfahren zur Oberflächenhärtung von Stählen wird nicht mehr mit einem Lichtbogenplasma, sondern mit einem Hochfrequenzplasma gearbeitet, das die Besonderheit aufweist, daß es kalt ist. (In solchem kalten Plasma kann nicht einmal Papier zum Entzünden gebracht werden.)

Das zuletzt erwähnte Verfahren beruht darauf, daß das nur mit einem Ausgang eines Hochfrequenzerzeugers verbundene Werkstück über den Plasmastrahl vom Hochfrequenzerzeuger Schwingungsenergie aufnimmt. Auf elektrisch leitenden Oberflächen, z. B. auf metallischen Oberflächen, wird mit dem kalten Plasma ebenfalls die erwünschte Ladungsrekombination erzielt und damit eine extrem rasche Erhitzung ohne störende Nebenwirkungen durch heiße Gase erzwungen. Die Möglichkeit des Arbeitens in freier Luft, die in erträglichen Grenzen liegenden Anlagekosten sowie die Unabhängigkeit von der Geometrie und der Maßgenauigkeit der zu behandelnden Werkstücke sprechen für die Verwendung von kaltem Plasma.

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 Oberflächenhärtungen über Bereiche von nur wenigen cm² nicht erzielt werden können. Gleichartige Erfahrungen liegen auch bei der Behandlung von Werkzeugschneiden vor, bei denen lokale Aufschmelzungen als Folge übermäßiger Energiezufuhr und unzureichende Härteannahmen gleichzeitig auftreten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend angeführten Nachteile zu vermeiden und bei Werkstücken aus härtbaren Eisen- und Stahllegierungen in wirtschaftlicher Weise eine gute Oberflächenhärtung in großen Bereichen zu erzielen. Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß ein Hochfrequenzstromkreis mit konstanter Frequenz über das Werkstück und das kalte Plasma galvanisch geschlossen wird, wobei das Werkstück mit den beiden Ausgängen eines Hochfrequenzgenerators elektrisch leitend verbunden wird.

Gegenüber den bekannten Verfahren zur Oberflächenhärtung von härtbaren Stählen bietet somit das erfindungsgemäße Verfahren den beträchtlichen Vorteil, daß durch dieses in wirtschaftlicher Weise eine gute Oberflächenhärtung in großen Bereichen erzielt werden kann.

Bei diesem Verfahren geht es auch darum, die in Richtung auf das Werkstück geleitete Leistung, d. h. die »Vorwärtsleistung« möglichst groß und die reflektierte Leistung oder Verlustleistung möglichst klein zu halten. Deshalb ist eine bevorzugte Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gekennzeichnet, daß für den Hochfreauenzeenerator Vor-

laufleistung und reflektierte Leistung erfaßt werden und daß danach die Leistung des Hochfrequenzgenerators so eingestellt wird, daß die Differenz von Vorlaufleistung und reflektierter Leistung einen möglichst großen Wert erreicht.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einem Hochfrequenzgenerator, an dessen Ausgang ein Brenner zur Erzeugung des kalten Plasmas, mit dem das Werkstück behandelt wird, angeschlossen ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des mit stabilisierter Frequenz arbeitenden Hochfrequenzgenerators stufenlos einstellbar ist, daß das Werkstück durch Erdschluß mit dem Hochfrequenzgenerator elektrisch leitend verbunden ist und daß zwischen Hochfrequenzgenerator und Brenner eine an sich bekannte Abgleicheinheit und überdies zwischen Hochfrequenzgenerator und Abgleicheinheit ein Leistungsmesser zur Bestimmung der Vorwärtsleistung sowie ein zweiter Leistungsmesser zur Ermittlung der reflektierten Leistung geschaltet sind.

Eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in der Fig. 1 der Zeichnung wiedergegeben. Sie besteht aus einem Hochfrequenzgenerator 1 mit stabilisierter Frequenz und stufenlos regelbarer Leistung, aus einem Brenner 2 zur Erzeugung des kalten Plasmas 3, mit dem das durch Erdschluß 4 mit dem Hochfrequenzgenerator verbundene Werkstück 5 behandelt wird, sowie aus einer zwischen Hochfrequenzgenerator und Brenner angeordneten Abgleicheinheit 6 zur Einstellung der optimalen Energieeinbringung in das Werkstück, die mit Hilfe des Leistungsmessers 7 für die zum Werkstück hinlaufende Leistung und des Leistungsmessers 8 für die reflektierte Leistung kontrollierbar ist.

Die Frequenz des Hochfrequenzstromkreises soll wenigstens 10 MHz betragen. Als obere Grenze der Frequenz können nach den derzeitigen Vorstellungen 100 MHz angegeben werden. Zu beachten ist, daß eine Frequenz gewählt wird, die nach den postalischen Vorschriften zugelassen ist. Zur Zeit wird vorzugsweise eine Frequenz von 13,56 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 Weise 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 Hochfrequenzfeld mit Hilfe einer axial im Rohr angeordneten Elektrode oder mit einem magnetischen Hochfrequenzfeld erfolgt, das von einer das Rohr umgebenden Hochfrequenzspule erzeugt wird. Durch einen Zündvorgang im Brenner werden Elektronen des Arbeitsgases ausgelöst, die im Hochfrcquenzfcld eine so starke Beschleunigung erfahren, daß sie die Moleküle des Arbeitsgases dissoziieren und ionisieren können, also ein Plasma bilden.

Eine Ausführungsform des Plasmabrenners zeigt die Fig. 2. Er besteht aus einer stabförmigen Elektrode 9, die mit einem Kabel 10 mit der Hochfrequenzstromquelle verbunden werden kann, aus einem Rohr 11, das die Elektrode umgibt und die Zuführung des Arbeitsgases durch einen Anschlußstutzen 12 ermöglicht, aus einer Elektrodenhalterung 13, welche die axiale Anordnung der Elektrode im Rohr sicherstellt, aus einer Düse 14 zur Formgebung der Plasmaflamme 15. Die Zündung des Brenners erfolgt durch Berührung der Elektrode mit einem Metall- oder Kohlestab, der in einem Isolator befestigt ist. Beim Abziehen des Stabes entsteht ein Hochfrequenz! ichtbogen, der die Bildung der von der Elektrode ausgehenden Plasmaflamme einleitet, die dann in freier Luft weiterbrennt.

Als Material für die Elektrode kann thoriertes Wolfram gewählt werden. Als Arbeitsgas hat sich für die zweistufige Oberflächenhärtung handelsübliches Schweißargon 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, ζ. 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

jo werden. Zu beachten ist, daß das Brennerrohr durch die vom Werkstück abstrahlende Wärme übermäßig beansprucht werden kann. In solchen Fällen ist es notwendig, das Rohr 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 besteher und gegen die Strahlungswärme ausreichend widerstandsfähig sein. Praktisch ist hierfür jede feuerfeste keramische Masse geeignet.

Ausführungsbeispiele:

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

a) Auf einer Platte aus einem unlegierten Stahl mit 1,1 % C und mit den Abmessungen 100 x 60 X 14 mm wurden im wasscrgchärtctcn Zustand Spuren aus metastabilem Austenit mit 2,5 mm Breite erzeugt, die im Querschnitt die Form eines Kreisabschnittes mit 0,3 mm tiefe hatten. Die mit 100 ρ Belastung ermittelte Mikrohärte dieser Spuren betrug 950 bis 1000 kp/ mm², jene der wassergehärteten Oberfläche etwa 800 kp/mm². Die Spuren hatten über die ganze Länge einen vollkommen gleichbleibenden ho Querschnitt. Die Vorschubgeschwindigkeit, mit der die Platte in einem Abstand von etwa 5 mm andern Brenner vorbeigeführt wurde, betrug 16(1 mm je Minute, die über die Plasmaflamme zui Platte hinlaufende Leistung 500 W.
_b5 b) Auf einer Bewehrungsleiste mit 8X2 mm Querschnitt und 2000 mm Länge aus einem Stahl mil 0,6% C, 0,3% Si, 0,6% Mn und 0,1% Cr, die im vergüteten Zustand vorlag und eine Mikro-

härte von 360 kp/mm² hatte, wurde eine Kante durch Erzeugungeines 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 Austenitbereich wurde eine Mikrohärte von 900 bis 950 kp/mm² 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 X 10, 0,7 X 20 und 0,7 X 25 mm und Zahntiefen von 2,0 bis 2,6 mm wurden diese mit einer Vorschub-

geschwindigkeit von 810 mm je Minute in etwa 5 mm Abstand an dem Plasmabrenner vorbeigeführt, wobei die Vorwärtsleistung 150 W betrug. Die Zahnspitzen dieser Sägen zeigten nach der Behandlung Bereiche aus metastabilem Austenit mit dreieckigen Querschnittsformen. Die Mikrohärte der Austenitbereiche lag zwischen 930 und 1000 kp/mm². Die Sägen hatten Mikrohär-· ten zwischen 420 und 440 kp/mnv und waren aus Stählen mit etwa 0,7% C, 0,3% Si, 0,6% Mn, 0,6% Ni, 0,2% W und 0,05% V.
Die Standzeiten von Sägen, deren Spitzen aus metastabilem Austenit bestehen, betragen im Vergleich zu jenen von üolichen Sägen das Zweibis Vierfache.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur zweistufigen Oberflächenhärtung von Werkstücken aus härtbaren Eisen- und Stahllegierungen, wobei ein ionisierbares gasförmiges Medium in einem elektromagnetischen Hochfrequenz-Wechselfeld mit einer vorzugsweise zwischen 10 und 100 MHz liegenden, z. B. 13,56 MHz betragenden Frequenz ionisiert wird und das auf diese Weise erzeugte Plasma mit dem zu erhitzenden Werkstück in Verbindung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenzstromkreis mit konstanter Frequenz über das Werkstück und das kalte Plasma galvanisch geschlossen wird, wobei das Werkstück mit den beiden Ausgängen eines Hochfrequenzgenerators elektrisch leitend verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Hochfrequenzgenerator Vorlaufleistung und reflektierte Leistung erfaßt werden und daß danach die Leistung des Hochfrequenzgenerators so eingestellt wird, daß die Differenz von Vorlaufleistung und reflektierter Leistung einen möglichst großen Wert erreicht.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, mit einem Hochfrequenzgenerator, an dessen Ausgang ein Brenner zur Erzeugung des kalten Plasmas, mit dem das Werkstück behandelt wird, angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des mit stabilisierter Frequenz arbeitenden Hochfrequenzgenerators (1) stufenlos einstellbar ist, daß das Werkstück (5) durch Erdschluß (4) mit dem Hochfrequenzgenerator (1) elektrisch leitend verbunden ist und daß zwischen Hochfrequenzgenerator (1) und Brenner (2) eine an sich bekannte Abgleicheinheit (6) und überdies zwischen Hochfrequenzgenerator (1) und Abgleicheinheit (6) ein Leistungsmesser (7) zur Bestimmung der Vorwärtsleistung sowie ein zweiter Leistungsmesser (8) zur Ermittlung der reflektierten Leistung geschaltet sind.

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