DE2335587C2

DE2335587C2 - Verfahren zur Oberflächenhärtung eines Sinterhartmetall-Werkstückes

Info

Publication number: DE2335587C2
Application number: DE2335587A
Authority: DE
Inventors: Isadore J. Sioux City Ia. Rocklin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-07-13
Filing date: 1973-07-13
Publication date: 1985-11-28
Also published as: BE802294A; AU475576B2; ZA734781B; NL178397C; CH584757A5; FR2193086A1; DE2335587A1; IL42733A0; US3763343A; AU5806173A; NL178397B; DK153061B; IT998236B; GB1436789A; SE407354B; JPS4943839A; IL42733A; CA941909A; NL7309809A; FR2193086B3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Bei einem solchen bekannten Verfahren (Fertigungstechnik, 5. Jahrgang, Heft 3, März 1955, Seite 118 bis 120) wird zur Erhöhung der Festigkeit von Werkzeugen aus Fe-Werkstoffen durch die Elektro-Funken-Methode die Benutzung thermo-chemischer Vorgänge angestrebt, indem durch Lösung von Luftstickstoff im aufgeschmolzenen Metall harte Nitride gebildet werden, die in einer Austenit-Masse fein verteilt sind, indem durch Lösung von Kohlenstoff aus der Verfestigungselektrode im aufgeschmolzenen Metall Martensit und in der Austenit-Masse fein verteilte harte Carbide gebildet werden und indem durch Lösung verschiedener Elemente aus der Verfestigungselektrode im aufgeschmolzenen Metall eine Legierung der sich bildenden Austenitschicht gebildet wird. Es handelt sich bei diesem bekannten Verfahren also darum, durch Einbringen zusätzlicher Elemente aus der umgebenden Luft und aus der Elektrode in Fe-Werkstoffen neue Verbindungen oder Legierungen zu schaffen, wofür zwar die Verwendung von Hartmetallen als Werkstoff für die Verfestigungselektrode vorgesehen ist, nicht aber die Verfestigung von Werkzeugen, die selbst aus Hartmetallen oder Sinterhartmetallen bestehen.

Es ist zwar bereits ein Verfahren bekannt (Fertigungstechnik, 5. Jahrgang, Heft 6, Juni 1955, Seite 244—250), das sich mit einer pulvermetallurgischen Legierung befaßt, es handelt sich dabei aber lediglich um die pulvermetallurgische Herstellung einer Legierung, die auf der Erkenntnis basiert, daß bei der partiellen Härtung durch Funkenent'jdung in der sogenannten Beilby-Schicht ein Gemisch von Metalloxiden und Metall vorliegt, was auf den Gedanken geführt hat, Legierungen aus reinem Al und Al-Oxid herzustellen. Darüber hinaus wird dieses bekannte Verfahren im wesentlichen nur für die Bearbeitung von Werkzeugstahl oder Schnellstahl, also auch von Fe-Werkstoffen benutzt.

Es ist bereits untersucht w&rden (Elektrie, Heft 9, 1963, Seite 68—71), welchen Einfluß die elektrischen ίο und mechanischen Betriebsgrößen auf die Auftragsmasse bei der Elektrofunkenverfestigung haben. Dabei ist festgestellt worden, daß technologische Ergebnisse, die an Geräten mit unterschiedlicher Funkenleistung ermittelt wurden, nicht vergleichbar und reproduzierbar sind, da jede Entladungsform einen typischen Verfestigungsbzw. Gbertragungseffekt hervorruft.

Ein zuverlässiges und reproduzierbares Oberflächenhärtungsverfahren dieser Art für Werkstücke und insbesondere für Sinterhartmetall-Werkstücke steht also bislang nicht zur Verfügung. Ein solches Verfahren wäre aber gerade für Sinterhartmetalle vorteilhaft. Sinterhartmetalle werden nämlich aus verdichteten Pulvern verschiedener Gemische und Bindemittel unter extremen Drücken und hohen Temperaturen hergestellt, wobei versucht wird, einen homogenen Werkstoff zu erhalten. Das Ergebnis ist aber nicht immer ein festes molekulares Gefüge oder eine metallurgische Homogenität des Werkstoffes. Bei einem Werkzeug sind die Pulverteilchen an der Oberfläche im Gebrauch extremem Druck und beim Schneidprozeß der Einwirkung anderer Metalle unterworfen, wodurch Reibungshitze erzeugt wird, so daß die sich berührenden Flächen dem Verschleiß am stärksten ausgesetzt sind. Mit der Zeit können geschärfte Werkzeugschneiden abbrechen und fehlerhafte Schneidvorgänge verursachen. Die geringe Standzeit solcher Werkzeuge hat bislang einer stärkeren Verwendung von Sinterhartmetall-Werkzeugen entgegengestanden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein zuverlässiges und reproduzierbares Oberflächenhärtungsverfahren für Sinterhartmetall-Werkstücke zu schaffen.

Diese Aufgabe ist ausgehend von dem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen Kennzeichen angegebenen Schritte gelöst.

Durch das Verfahren nach der Erfindung wird das Werkstück an seiner Oberfläche schweißzementiert, was u. a. ermöglicht, aus solchen Werkstücken Schneidwerkzeuge herzustellen, die eine wesentlich längere Standzeit haben. Die Frfindung macht es daher möglich, Sinterhartmetall-Werkstücke umfangreicher zu verwenden, da die durch das Verfahren nach der Erfindung gehärteten Werkstücke an ihrer Oberfläche miteinander verschweißte Metallteilchen aufweisen. Diese Werkstücke neigen dadurch wesentlich weniger zu Oberflächenbrüchen, und aus ihnen hergestellte Schneidwerkzeuge oder andere auf Verschleiß beanspruchte Flächen haben bessere Schneidkennwerte und müssen erst nach wesentlich längerer Zeit nachgeschliffen werden. Überhaupt ermöglicht das Verfahren nach der Erfindung stumpfe Schneidkanten aus Sinterhartmetall erneut zu schärfen, indem das erfindungsgemäße Verfahren nach dem Einsatz des SinterhartmetaHs erneut angewandt wird. In Versuchen wurden Haarrisse bei aus Sinterwolframcarbid bestehenden Werkzeugen, die möglicherweise durch den Schleifvorgang beim Schärfen erzeugt wurden, unter Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung mit einer Wolframcarbid-

elektrode in Verbindung mit einer Funkenentladung wieder in den ursprünglichen Zustand gebracht. Dabei wurden durch die Hitze der freigesetzten Lichtbogenenergie des elektrisch erzeugten Funkens die Metalle aufgeschmolzen und rund um die Wolfraincarbidteilchen unter Restrukturierung der Oberfläche wieder miteinander verschmolzen.

Eine Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 1 |; bildet den Gegenstand des Anspruchs 2. Durch das Verfahren nach Anspruch 1 erfolgt die Oberflächenhärtung durch Schwc.Gzementieren der Schmelzoberfläche des Werkstückes, wogegen durch den zusätzlichen Schritt gemäß Anspruch 2 zusätzlich eine Titancarbidschicht auf die Werkstückoberfläche aufgebracht wird, um die Verschleißfestigkeii des Werkstückes weiter zu erhöhen und so beim Einsatz als Schneidwerkzeug eine weiter gesteigerte Standzeit zu erzielen. Die Steuerung der Parameter erfolgt dabei so, daß zunächst kein Elektrodenverbrauch erfolgt, wenn das Sinterhartmetall zuerst schweißzementiert wird. Danach erfolgt die Steuerung so, daß eine gewisse Menge an Titancarbid auf die schweißzementierte Oberfläche übertragen wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 in Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel eines Werkzeuges zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei eine Gehäusehälfte entfernt ist,

F i g. 2 den inneren Teil des Werkzeuges nach F i g. 1 in Seitenansicht,

F i g. 3 den inneren Teil des Werkzeuges nach F i g. 1 in Draufsicht,

F i g. 4 eine in Verbindung mit dem Werkzeug gemäß Fig. 1 —3 verwendete elektrische Schaltung und

Fig. 5 ein gegenüber Fig.4 abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Schaltung.

Gemäß Fig. 1 umfaßt das dargestellte Werkzeug eine Gehäusehälfte 10, welche einen Pistolengriffteil 12 und einen Auslöseschalter 14 aufweist, der durch einen Druckknopf 16 zu betätigen ist. Das Gehäuse umfaßt einen oberen Teil 18, welcher eine Elektrodenhalter-Schwinganordnung 20 umgibt. Das vordere Ende 22 des Gehäuses halten Beleuchtungslämpchen 24, 26, welche eine gute Beleuchtung des zu behandelnden Werkstücks sicherstellen. Ein Durchtritt an diesem Ende des Gehäuses nimmt eine herausragende Führung 28 auf, die einen Kolben umgibt, der an einem Ende eine Spannzange 30 aufweist, in welcher eine Elektrode 32 gehalten ist.

Gemäß F i g. 2, J umfaßt die SchwinganorJnung 20 ein Gestell 34, welches an seiner einen Seite eine Magnetspule 36 aufnimmt. Ein Anker 38 der Magnetspule 36 erstreckt sich gemäß F i g. 3 zentral innerhalb der Führung 28 und ist innerhalb derselben mit einem Schaft 40 der Spannzange 30 verbunden. Der Schaft 40 der Spannzange 30 ist von einer Büchse 42 auj PTFE oder ähnlichem Material umgeben, welche nicht nur zur hin- und hergleitenden Lagerung der Spannzange sondern auch zur elektrischen Isolation derselben gegenüber der Führung 28 dient. Eine Kapazitätsentladeeinrichtung ist mit einer Anschlußschraube 44 verbunden, welche die Energie zu der Elektrode 32 führt. Eine Ringmuffe 46 kann aus einem Isoliermaterial bestehen, um die Kapazitätsentladungsenergie mittels eines festen Abstands in der Ringmuffe 46 des die Elektrode aufnehmenden Schaftes 40 gegenüber dem Anker 38 zu isolieren. Das innere Ende des Ankers 38 ist mit einem Hammer 48 verbunden, welcher Polstücke 50,52 des lamellierten Kernes der Magnetspule 36 überbrückt und normalerweise unter der Einwirkung einer Druckfeder 56 gegen einen Block 54 gedrückt wird, wobei die Druckfeder 56 gegen den Kopf 58 eines mit dem Hammer 48 in Eingriff gehaltenen Bolzens gedrückt wird. Eine Wechselstromerregung der Magnetspule 36 bewirkt eine schnel'e Hin- und Herbewegung des Ankers 38 und damit der Spannzange 30 nebst zugeordneter Elektrode 32.

Die Energieversorungsschaltung für die Anordnung gemäß Fig. 1—3 kann entsprechend Fi g.4 ausgebildet sein und ist normalerweise ein gesondertes Teil, das über ein flexibles Kabel 60 {Fig. 1) angeschlossen ist Die Schaltung nach F i g. 4 umfaßt einen Stecker 62 zum Anschluß an eine Wechselstromquelle sowie einen Ein/ Aus-Schalter 64 zum Ein- und Ausschalten von Leitungen 65, 68, die an eine Spartransformatorwicklung 70 angeschlossen sind. Eine Sicherung 72 dient zum Schutz der Schaltung. Ein beweglicher Abgriff 73 der Spartransformatorwicklung 70 liegt an einer Transformatorwicklung 74, die induktiv mit einer Transformatorwicklung 76 gekoppelt ist; der Ausgang dieser letztgenannten Wicklung liegt an einer Gleichrichterbrücke 78 mit einem geerdeten Ausgangsanschluß 80 und einem positiven Anschluß 82. Über einen Widerstand 84 sowie eine Leitung 86 wird eine Verbindung zu einer Reihe von Kondensatoren 88,90,92,94 hergestellt- Diese Kondensatoren liegen parallel, so daß ihre Kapazitäten sich addieren, und gemeinsam an einer Erdleitung 96 liegen, die durch eine Krokodilklemme mit einem schematised dargestellten Werkstück 98 verbunden ist.

Eine Anschlulibauemheit 100 umfaßt einen Anschluß 102, welcher mit der Anschlußschraube 44 nach Fig. 1 durch eine Leitung 104 verbunden ist. Ein Widerstand 106 in F i g. 4 (166 in F i g. 5) hat den Z-weck, den Kondensatoren zugeführte Spannung langsam absinken zu lassen, um die Ladung zu reduzieren, wenn sie nicht in kurzer Zeit verwendet wird. Der Widerstand 84 begrenzt die Ladung auf den Kondensatoren und der Elektrode 32.

Der Schalter 14 zur Speisung der Magnetspule 36 ist gemäß F i g. 4 mit einem Leitungsanschluß 108 der Baueinheit 100 verbunden, wobei ein Anschluß 110 und der Anschluß 108 über Leitungen 112, 114 in F i g. 1 mit der Magnetspule 36 verbunden sind, so daß bei Schließung des Schalters 14 die Magnetspule 36 in der oben beschriebenen Weise gespeist wird. Aus Sicherheitsgründen ist das Gehäuse nach Fig. 1 mittels einer Leitung 116 geerdet, die mit einem Anschluß 118 nach Fig.4 verbunden ist, der in der gezeigten Weise auch über eine Leitung 120 als Masseseite für die Gleichrichterbrücke 78 dient. Die Schaltung ist außen über einen geeigneten Bügel des Streckers 62 (schematisch dargestellt) geerdet.

Die Schwingung der Elektrode 32 in unci außer Berührung mit dem Werkstück 98, wie dies schematisch in F i g. 4 veranschaulicht ist. bewirkt, daß die in den Kondensatoren 88, 90, 92, 94 gespeicherte Energie periodisch durch Lichtbogenbildung entladen wird, wenn sich die Elektrode dem Werkstück nähert; wenn der Lichtbogen gelöscht wird und die Elektrode sich außer Berührung mit dem Werkstück befindet, werden die Kondensatoren an der Gleichstromquelle erneut aufgeladen. Zur Behandlung von metallischen Arbeitswerkzeugen sowie zum Zwecke der Oberflächenhärtung derselben wird die Leerlaufspannung innerhalb des Bereiches von etwa 15 bis etwa 150 Volt Gleichspannung gehalten, wobei der Ausgangswiderstand verändert wird, um Ausgangsströme allgemein innerhalb eines Bereiches

von 0,2 bis 9 Ampere zu halten, während die Kapazität sich von etwa 1 bis etwa 200 Mikrofarad ändern kann, um eine Entladung der gespeicherten Energie zwecks Erzielung des erforderlichen Lichtbogeneffektes zu erreichen.

Obgleich die Elektrode 32 im Betrieb im wesentlichen nicht verbraucht wird, zeigt die Oberfläche bei Behandlung einen Materialaufbau, der durch ein geeignetes Instrument beispielsweise ein Mikrometer, meßbar ist. Durch Veränderung der Parameter zeigt die bearbeitete Oberfläche fortschreitend einen Zustand einer »Blaufärbung«, »Verfärbung« oder »Verbrennung«, wenn die Parameter verändert werden. Mit der Schaltung gemäß Fig. 4, welche lediglich einen Ausgangsstrom von 2,2 Ampere zuläßt, werden wirksame Oberflächenhärtungsergebnisse durch Oberflächenniederschläge bis zu 25 μιη innerhalb des Bereiches des Ausgangsstroms bis zu 2,4 Ampere erzielt. Bei 3,4 Ampere wurden eine Verfärbung und ein Niederschlag von 25 μιη erzielt; bei 4,25 Ampere wurde die Blaufärbung bei einem Niederschlag von etwa 35 μιη erzielt; bei 5,2 Ampere wurde ein Verbrennungszustand bei einem Niederschlag von 40 μιη erzielt. Die zweckmäßig ausnutzbare Entladungsenergie legt somit die Schaltung die benötigten Werte zur Erzielung optimaler Ergebnisse fest.

Um ein Werkzeug richtig zu behandeln, ist es wesentlich, die beabsichtigte Verwendung des Werkzeugs zu bestimmen; durch Regulierung der Energieabgabe der Energieübertragungseinrichtung wird die hervorgerufene Wärme richtig kontrolliert. Der vorangehend erwähnte sogenannte »Niederschlag« tritt infolge der Ergebnisse jedes erzeugten Lichtbogens auf, welcher tatsächlich einen infinitesimal kleinen Teil der Werkzeugoberfläche schmilzt und diese Oberfläche im wesentlichen durcheinander bringt oder aufreißt, um einen Berg und einen Krater mit jedem Schritt der elektronischen Entladung zu schaffen. Das Ausmaß dieser von Hand gesteuerten Hübe der schwingenden Elektrode 32 sowie die Gewandheit der Bedienungsperson beeinflussen ebenfalls die relative Oberflächenbeschaffenheit oder das Aussehen der behandelten Oberfläche. Allgemein wird jedoch innerhalb gewisser Grenzen die Veränderbarkeit der behandelten Oberfläche oder der Dicke des Niederschlages, die durch ein Mikrometer genau gemessen werden kann, mittels der verwendeten elektrorüschen Schaltung gemäß nachstehenden Gesichtspunkten erzielt:

1. Bei einer festen Ausgangsspannung ändert sich das Ausmaß des Oberflächenniederschlages mit dem Ausgangsstrom und der verwendeten Kapazität

2. Bei einem festen Ausgangssirorn ändert sich das Ausmaß des Oberflächenniederschlages mit der Ausgangsspannung und der verwendeten Kapazität.

3. Bei einer festen Kapazität ändert sich das Ausmaß des Niederschlages mit der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom.

Es liegen jedoch bestimmte Beschränkungen vor, insbesondere in dem Sinn, daß bei Anwendung von zuviel Strom die Elektrode 32 heiß wird und ihre Wirksamkeit verliert, wobei die Oberfläche des behandelten Werkzeuges entweder beginnt blau zu werden oder sich zu verfärben, oder aber die Werkzeugoberfläche verbrennt was für den richtigen Gebrauch nachteilig ist

Die Schaltung nach Fig.5 enthält eine Vollwellen-Gleichrichterbrücke 130, die durch zwei Sekundärwicklungen 132,134 eines Transformators 136 versorgt wird. Dieser ist über Strombegrenzungswiderstände 138 an eine Energiespeicheranordnung 140 angeschlossen. Diese umfaßt zwei Bänke 142,144 paralleler Kondensatoren sowie mehrere einzelne Kondensatoren 146, 148, 150,152,154,156 und einen Wählschalter 158 zum wahlweisen Zuschalten der Kondensatoren.

Der Wählschalter 158 umfaßt ein Drehglied 160, welches ebenso wie die Bank 142 der Kondensatoren dauernd geerdet ist. Immer dann, wenn die Leitung 164, die an der Elektrode 32 liegt, durch Berührung mit dem Werkstück ebenfalls geerdet ist, sind die Kondensatoren kurzgeschlossen; wenn jedoch die Elektrode von der Werkstückoberfläche zurückgezogen wird, wird zumindest die Bank 142 der Kondensatoren mittels eines Widerstandes 156 geerdet. Die Bank 144 der Kondensatoren kann in ähnlicher Weise über den Widerstand 166 geerdet werden. Einer oder mehrere der Kondensatoren 146—156 können zusätzlich durch richtige Bewegung des Drehglieds 160 des Wählschalters 158 elektrisch mit dem zugeordneten Kontakt des Wählschalters verbunden werden, so daß die Gesamtkapazität der Energiespeichereinrichtung auf diese Weise zusätzlich gesteigert wird.

Auf diese Weise kann das System so gesteuert werden, daß die gewünschten Oberflächenkennwerte für das Werkstück erzielt werden.

Wie erwähnt kommt es im Bereich im wesentlichen zu keinem Verbrauch der Elektrode. Für die Elektrode wird vorzugsweise Wolframcarbidmaterial verwendet.

Es ist aber möglich, durch Anwendung von Titancarbidelektroden in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Lichtbogenbehandlung und Werkzeugen aus Wolframcarbid, da Titancarbid einen höheren Schmelzpunkt als Wolframcarbid aufweist, das aufgeschmolzene Wolfram mit Titanteilchen zu beschichten, die von sich aus eine größere Standzeit ergeben als das ursprüngliche Wolframcarbid. Tatsächlich verschweißt man in diesem Fall oberflächenmäßig Sinterwolframcarbid und erzeugt danach eine Beschichtung aus Titan auf dem Wolframcarbid. Die Steuerung der Parameter erfolgt in der beschriebenen Weise derart, daß kein Elektrodenverbrauch bewirkt wird, wenn das Sintermetall zuerst mit der aufgeschmolzenen Oberfläche versehen wird. Danach wird die Steuerung so eingestellt, daß ein gewisses Maß an Titancarbid-Verbrauch und eine Titancarbid-Übertragung auf diese glatte Oberfläche erfolgt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patenfansprüche:

1. Verfahren zur Oberflächenhärtung eines Sinterhartmetall-Werkstflckes durch örtliches Erhitzen und Aufschmelzen der Werkstückoberfläche mittels zwischen ihr und einer schwingenden Hartmetall-Elektrode durch intermittierenden gegenseitigen Kontakt erzeugter Bogenentladungen von in einem Kondensator gespeicherter Energie, dadurch gekennzeichnet, daß für die Parameter Stromstärke, Gleichspannung und Kapazität die Bereiche von etwa 2—5 A, 25—150 V bzw. 5—200 u.F gewählt werden, so daß durch die bei vernachlässigbarer Elektrodenerwärmung bei der Kontaktbildung und dem Kontaktabbruch mit dem Werkstück von dem Entladungsbogen bewirkte WerkstOckerwännung, aufgrund der die Oberfläche des Werkstückes im unmittelbaren Bereich des Entladungsbogens aufschmilzt, und durch die sich anschließende Abkühlung der Schmelze die Pulverteilchen des Sinterhartmetalls des Werkstückes durch metallurgische Umordnung und molekularen Austausch zu einer festen Schmelzoberfläche schweißzementiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Titancarbid bestehende Elektrode verwendet wird und daß die Parameter Stromstärke, Gleichspannung und Kapazität in den angegebenen Bereichen so gewählt werden, daß Titancarbid aus der Elektrode auf das Wolframcarbid enthaltende Werkstück übertragen und mit dem Werkstück verschmolzen wird.