geschmolzenes Salzbad und anschließende Elektrolyse unter Bildung von Metallboriden oberflächenbehandelt
werden. Dabei wird ein als Kathode geschaltetes Werkstück zum Beispiel in ein Bad aus geschmolzenem
B2Oi CaO, CaF2 und ZrO2 eingetaucht und der
Elektrolyse unterworfen. Salzbäder, insbesondere große Salzbäder, haben aber den großen Nachteil, daß sie bei
Anwesenheit von Luft zur Zersetzung neigen und dabei giftige Gase, wie Halogene, freisetzen. Da jedes
Eintauchverfahren immer eine dem zu behandelnden Gegenstand entsprechende Badgröße voraussetzt,
macht sich der Nachteil der leichten Zersetzlichkeit bei großen Gegenständen, deren Oberfläche behandelt
werden soll, ganz besonders unangenehm bemerkbar. Dazu kommt noch, daß sowohl der ganze eingetauchte
Metallgegenstand als auch das gesamte Bad auf die hohe Temperatur der Schmelze gebracht werden muß,
was stets mit einem erheblichen Energieverbrauch verbunden ist Dieses Verfahren eignet sich somit nicht
für die Oberflächenbehandlung bei sehr großen, sperrigen Metallgegenständen und eignet ü/ch auch
nicht für die gezielte Behandlung begrenzter, lokalisierter Oberflächenbereiche aus einer viel größeren
Gesamtoberfiäche eines Metallgegenstandes. Insbesondere gelingt es nach diesem Verfahren nicht, relativ
kleine und begrenzte Oberflächenbereiche, die bei der Herstellung und/oder Bearbeitung von Metallgegenständen an der Oberfläche beschädigt wurden, in diesem
lokalisierten Umfang nachzubehandeln.
Aus der US-PS 33 34 028 ist ein Verfahren zur Elektroplatierung bekannt. Dabei wird unter Verwendung eines wäßrigen Elektrolytstroms auf begrenzte
Oberflächenbereiche Metall abgeschieden, insbesondere zur Herstellung gedruckter Schaltungen. Dieses
Verfahren zur elektrolytischen Abscheidung von Metallen aus wäßriger Lösung bei Normaltemperatur ist mit
einem Härtungsverfahren unter Elektrolyse und Diffusion aus einer Salzschmelze bei ausgesprochen hohen
Temperaturen nicht vergleichbar.
Aus der US-PS 27 41587 ist ein Verfahren zur
Herstellung bestimmter Metallboride mit einer elektrolytischen Salzschmelze in einem Graphitgefäß als
Kathode und mit Graphitstäben als Anoden bekannt, wobei in der Schmelze im Maße der Boridbildung
überschüssiges Metalloxid nachgelöst wird. Das Verfahren eignet sich nicht zur Behandlung und Härtung von
Metalloberflächen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Härten von lokalisierten Bereichen der
Oberfläche eines Mctallwerkstücks bereitzustellen,
— ohne das ganze Werkstück in ein Bad eintauchen zu
müssen,
— ohne Schutzüberzüge auf nicht zu härtende Oberflächenbereiche anbringen zu müssen,
— ohne das ganze Werkstück erhitzen zu müssen und
— ohne daß sich dabei das Werkstück verzieht, verwirft und/oder verbiegt.
Es wurde nun gefunden, daß begrenzte Oberflächenbereiche eines MetiMlwerkstücks mit einem Schmelzpunkt über 7000C gehärtet werden können, indem man
den zu härtenden Oberflächenbereich des Werkstücks mit einer Schicht ftus einer bestimmten bor- und
metallhaltigen Salzschmelze bedeckt, die geschmolzene
Schicht bei einftr TeOiperaU'r zwischen 700 und 12000C
hält, in die geschmolzene Schicht eine inerte Anode einführt, das Werksltick ah Kathode schaltet und dann
mit einer bestimmten Stromdichte elektrolysiert, wobei an der Anode kontinuierlich weitere borhaltige
Salzschmelze zugeführt wird.
Gegenstand der Erfindung ist somit das Verfahren
ι gemäß Anspruch 1 sowie die Ausführungsformen
gemäß den Ansprüchen 2 bis 3. Ein weiterer
Gegenstand der Erfindung ist die Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 9.
Gemäß der ersten Ausfuhrungsform der vorliegenden
ίο Erfindung geht man so vor, daß man einen elektrisch
leitfähigen Körper in enge Nähe des speziellen oder lokalisierten Teils der Oberfläche des zu behandelnden
Metallwerkstücks bringt Man legt zwischen die Oberfläche des Metallwerkstücks und des elektrisch
is leitfähigen Körpers in einer Kontaktbeziehung ein
geschmolzenes Gemisch aus Borsäure oder einem Borat und mindestens einem Element der Gruppen IVa, Va
und VIa des Periodensystems. Sodann führt man eine Elektrolyse durch, wobei das Metallwerkstück als
2« Kathode und der elektrisch leitfähige Körper als Anode
wirkt. Auf diese Weise kann Bor oder das vorstehend genannte Element in den speziellen Teil der Oberfläche
des Metallwerkstücks eindringen, wodurch die Härte, die Abriebfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit
dieses Werkstücks verbessert wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geht man so vor, daß man in enge Nähe
des speziellen Teils c'er Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes einen elektrisch leitfähigen Körper bringt,
indem man zwischen die Oberfläche des Metallwerkstückes und den elektrisch leitfähigen Korper in einer
Kontaktbeziehung pulverförmige Borsäure oder Borat oder ein pulverförmiges Gemisch aus Borsäure oder
Borat und mindestens einem Element aus den
j5 Elementen der Gruppen IVa, Va und VIa des
Periodensystems legt Das Pulver wird nun erhitzt und geschmolzen, und es wird eine Elektrolyse durchgeführt,
wobei das Metaliwerkstück als Kathode und der elektrisch leitfähige Körper als Anode wirkt Dabei
kann der spezielle Teil der Oberfläche des Metallwerkstücks mit Bor oder dem Element das mit der Borsäure
oder dem Borat vermischt worden ist, durchdrungen werden, wodurch der Teil der Oberfläche gehärtet wird.
Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß gemäß der
ersten Ausffihrungsrorm der Erfindung es möglich ist
daß nach dem Einbringen eines elektrisch leitfähigen Körpers in enge Nähe des speziellen Teils der
Oberfläche des Metallwerkstücks, das geschmolzene Behandlungsmaterial zwischen das Metallwerkstück
so und den elektrisch leitfähigen Körper in einer solchen Weise einzugießen, daß das geschmolzene Behandlungsmaterial in Berührung sowohl mit dem Metallwerkstück als auch mit dem elektrisch leitfähigen
Körper gehalten wird. Man kann aber auch so vorgehen,
daß man ein geschmolzenes Behandlungsmaterial
zuerst auf den speziellen Teil der Oberfläche des Metall Werkstücks aufbringt und sodann den elektrisch
leitfähigen Körper in Berührung mit dem Behandlungsmaterial bringt
Andererseits ist es nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ähnlich wie nach der
ersten Ausführungsform der Erfindung, möglich, nach dem angrenzenden Indienähebringen des elektrisch
leitfähigen Körpers an den speziellen Teil der
Oberfläche des Metallwerkstücks aas pulverförmige
Behanillungsmaterial zwischen das Metallwerkstück und den elektrisch leitfähigen Körper aufzubringen
oder nach dem Aufbringen des DulverförmiEen Behänd-
lungsmaterials auf den speziellen Teil der Oberfläche
eines Metallwerkstücks einen elektrisch leitfähigen Körper in Berührung mit dem pulverförmigen Behandlungsmaterial
zu bringen. Insbesondere bezieht sich die erste Ausführungsform der Erfindung auf die Verwendung
eines geschmolzenen Behandlungsmaterials, während die zweite Ausführungsform der Erfindung die
Verwendung eines pulverförmigen Behandlungsmaterials betrifft. Jedoch ist das Wesen der ersten und der
zweiten Ausführungsform identisch, so daß nachstehend die erste und die zweite Ausführungsform gemeinsam
beschrieben werden kann. Dabei ist die erste Ausführungsform der Erfindung für die Verwendung einer
bewegbaren elektrolytischen Härtungseinrichtung geeignet, da ein geschmolzenes Behandlungsmaterial
verwendet wird. Im Gegensatz hierzu wird die zweite Ausführungsforrn der Erfindung vortcilhaftcnvcisc für
die lokalisierte elektrolytische Härtungsbehandlung eines stationären Metallwerkstücks verwendet was auf
die leichte Aufbringungsart des pulverförmigen Behandlungsmaterials zurückzuführen ist.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher die durch den elektrolytischen
Durchdringungsprozeß gemäß der Erfindung behandelte Flächen genügend beschränkt ist, so daß die zu
härtende Fläche ganz zu einer Zeit behandelt werden kann;
F i g. 2 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Vorrichtung zur elektrolytischen
Härtung der Oberfläche des Metallwerkstücks über die Oberfläche bewegt werden kann, um eine
größere Fläche zu härten, als gehärtet werden kann, wenn sich die Behandlungsvorrichtung und die Metalloberfläche
nicht gegeneinander bewegen und
F i g. 3 eine Vorrichtung zum Härten eines Bandes um die Oberfläche eines zylindrischen Metallwerkstücks
herum.
Eines der vorherrschendsten Merkmale der vorliegenden Erfindung liegt in der Zusammensetzung des
Behandlungsmaterials, nämlich der bor- und metallhaltigen Salzschmelze. Das Behandlungsmatcria! besteht aus
einem Gemisch aus Borsäure oder einem Borat und Elementen aus den Gruppen IVa, Va und VIa des
Periodensystems. Die Verwendung einer nicht oxydierenden Atmosphäre ist nicht erforderlich, wodurch es
ermöglicht wird, daß die Härtungsbehandlung gemäß der Erfindung in Luft durchgeführt werden kann, so daß
sich eine weite Anwendungsart für die lokalisierte Härtungsbehandlung von Metallwerkstücken ergibt
So wurde z. B. ein Metallwerkstück aus Kohlenstoffwerkzeugstahl mit einem geschmolzenen Material
behandelt das aus Borax mit darin gelöstem metallischen Titan bestand. Die Stromdichte betrug 1 A/cm2
bei 900° C. Die Behandlungszeit betrug 10 Minuten. Bei diesem Prozeß wurde einer oberste Schicht aus
Titanborid, eine Mittelschicht aus Titancarbid und eine unterste Schicht aus Eisenborid gebildet Ein Metallwerkstück
ans Kohlenstoffwerkzeugstahl wurde mit einem geschmolzenen Material aus 87% Borax und 13%
Vanadiumoxid bei einer Stromdichte von 3 A/an2 10 Minuten bei 900° C behandelt Dabei wurde eine
Vanadiumcarbidschicht mit einer Dicke von 4 um gebildet Ein Metallwerkstück aus Kohlenstoffwerkzeugstahl
wurde mit einem geschmolzenen Material aus Borax und Chromchlorid bei einer Stromdichte von
2 A/cm2 bei 10000C 10 Minuten lang behandelt Auf
diese Weise wurde eine 15μηι Dicke Chromcarbidschicht
gebildet.
Die oben genannten Elementen der Gruppen IVa, Va und VIa können in Form der metallischen Elemente
selbst, als Legierungen, wie Ferrolegierungen, oder als Verbindungen, wie Chloride oder Oxide vorliegen. Der
maximale Gehalt dieser Elemente, die zu der Borsäure oder dem Borat zugegeben werden, beträgt 50%. Bei
der Verwendung von mehr als 50% der oben genannten Elemente wird die Viskosität des geschmolzenen
Behandlungsmaterials zu hoch, so daß sich bei der Behandlung gemäß der vorliegenden Erfindung Schwierigkeiten
ergeben. Der Minimalgehalt dieser Elemente, die zu der Borsäure oder dem Borat gegeben werden,
beträgt 5%. Bei Gehalten unterhalb 5% ist der erzielte Vorteil nur gering.
Typische geeignete Borate sind Borax (Na2B4O7),
Lithiumborat (Li2B4O7), Kaliumborat (K2B4O7), Ammoniumborat
((NH4J2B4O7). Vorzugsweise sollte Borsäure
oder ein Borat und die oben genannten Elemente in Form eines so fein wie möglichen Pulvers verwendet
werden, um ein inniges und gleichförmiges Mischen vor dem Schmelzen eines solchen Behandlungsmaterials zu
erhalten. Zur Herstellung eines gleichförmigen pulverförmigen Behandlungsmaterials können die Rohrmaterialien
geschmolzen, gut durchgerührt und sodann verfestigt werden. Danach können sie erneut zu einem
feinen Pulver vor dem Gebrauch vermählen werden. Ferner werden zur Erniedrigung der Viskosität des
Schmelzpunktes des Borats Chloride, Oxide oder Carbonate der Alkalimetalle verwendet während Al2O3,
das gegenüber dem Behandlungsmaterial praktisch inert ist, dazu verwendet werden kann, um die Viskosität
des geschmolzenen Behandlungsbads zu erhöhen.
In der Praxis ist das Material für das Metallwerkstück
Eisen oder eine Eisenlegierung, obgleich der erfindungsgemäße lokalisierte elektrolytische Härtungsprozeß
auch auf Metalle auf Nickelbasis oder Kobaltbasis angewendet werden kann. Im Falle, daß mehr als 03%
Kohlenstoff in dem zu behandelnden Metallwerkstück enthalten sind, kann eine Carbidschicht der vorgenannten
Elemente in dem speziellen Teil der Oberfläche des Metallwerkstücks gebildet werden, weil eine Umsetzung
zwischen dem Kohlenstoff und den Elementen stattfinden kann, die durch das Behandlungsmaterial in
das Metallwerkstück hineingedrungen sind. Im Falle, daß keine Carbidschicht gebildet wird, wird eine
Boridschicht der oben genannten Elemente oder eine mit Bor durchdrungene Schicht d. h. eine Boridschicht
der Elemente gebildet, die das zu behandelnde Metallwerkstück bilden.
Der elektrisch leitfähige Körper, der beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, wirkt bei der
elektrolytischen Behandlung als Anode. Die Bildungsgeschwindigkeit der Härtungsschicht auf dem zu behandelnden
Metallwerkstück hängt von der Stromdichte ab, die auf die Oberfläche des Metallwerkstücks angelegt
wird. Daher sollte die Oberfläche des elektrisch leitfähiigen Körpers so geformt sein, daß sie an die
Konfiguration des speziellen Teils der Oberfläche des Metallwerkstücks und die gewünschte Dicke der
Schicht angepaßt ist Als elektrisch leitfähige Körper sind für die Zwecke der Erfindung Graphit Metalle auf
Eisenbasis, Metalle auf Nickelbasis, Metalle auf Chrombasis und Metalle auf Kobaltbasis geeignet da sie
eine gate elektrische Leitfähigkeit und Wärmebeständigkeii: aufweisen. Es können jedoch auch andere
Materialien als die oben genannten dazu verwendet
werden, wenn sie eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine gute Wärmebeständigkeit besitzen. In bestimmten
Fällen wirkt ein Halter des elektrisch leitfähigen Körpers zusammen mit einem Metallwerkstück als
Behälter, der ein geschmolzenes Behandlungsmaterial 5 enthält. Aus diesem Grunde ist es notwendig, einen
Dichtungsteil eines elektrisch nichtleitenden Materials um den elektrisch leitfähigen Körper herum vorzusehen.
Dieser Dichtungsteil wird so angebracht, daß der Dichtungsteil ein Damm ist, der um die spezifische in
Oberfläche des Metallwerkstücks, das behandelt wird, gebildet ist, um das geschmolzene Behandlungsmalerial
zu enthalten.
Bei der elektrolytischen Behandlung gemäß der Erfindung sollte das Behandlungsmaterial während der
elektrolytischen Behandlung im geschmolzenen Zustand gehalten werden. Dies bringt die Notwendigkeit
mit sich, daß das geschmolzene Behandlungsmaterial von Zeit zu Zeit ergänzt wird, oder daß das
Behandlungsmaterial erhitzt wird, wobei eine geeignete Erhitzungseinrichtung während der elektrolytischen
Behandlung verwendet wird. Gemäß dem Verfahren der Erfindung besteht die Neigung, daß die Temperatur
des geschmolzenen Behandlungsmaterials aufgrund des Wärmeübergangs von dem Material zu dem Metall- r,
werkstück während der Behandlung und weil die Masse des Metallwerkstücks der erfindungsgemäßen Behandlung
nicht unterworfen wird, abfällt. Im Falle der Elektrolyse und der Verwendung einer hohen Stromdichte
sind jedoch ergänzende Erhitzungseinrichtung tu aufgrund der in diesem Fall erzeugten großen
Wärmemenge nicht notwendig. Der Betriebstemperaturbereich des geschmolzenen Behandlungsmaterials
erstreckt sich von 700 bis 12000C. Der Betrieb bei einer
Temperatur des geschmolzenen Behandlungsmaterials von etwa 7000C anstelle bei einer erheblich höheren
Temperatur führt zu einer geringeren Bildungsgeschwindigkeit der gehärteten Schicht, so daß dies
weniger wirtschaftlich ist. Das Arbeiten in der Nähe von 7000C kann aber erforderlich sein, wenn der Schmelzpunkt
des Werkstückes niedrig ist. Ein Betrieb bei Temperaturen oberhalb 12000C führt zu einer Zerstörung
des Metallwerkstücks bei der Behandlung. Um die Temperatur des Behandlungsmaterials in dem Behandlungstemperaturbereich,
d.h. von 700 bis 1200°C, zu halten, kann das Behandlungsmaterial während der Behandlung erhitzt werden oder es kann kontinuierlich
frisches geschmolzenes Behandlungsmaterial zugegossen werden. Zur Erhitzung des geschmolzenen Behandlungsmaterials
können direkte Erhitzungsmethoden, beispielsweise mit einer Brennerflamme, einer Infrarotheizung,
einem zwischen den Elektroden eines Plasmabrenners unterhaltenen Lichtbogen eingesetzt werden,
oder die Oberfläche eines Metallwerkstücks kann unter Verwendung einer Hochfrequenz-Induktionsheizung
erhitzt werden. Das geschmolzene Behandlungsmalerial
wird durch die Oberfläche indirekt erhitzt.
Es wird bevorzugt, daß die elektrolytische Stromdichte
hoch ist, so daß die Bildungsgeschwindigkeit der gehärteten Schicht erhöht wird, um die Behandlungsdauer
zu verringern. Daher sollte die elektrische
Stromdichte mindestens oberhalb 0,5 A/cm2 und vorzugsweise
im Bereich von 3 A/cm2 bis IO A/cm2 liegen,
obgleich auch ein Betrieb bei niedrigeren Stromdichten durchführbar ist Die Stromdichte wird hinsichtlich der «
begrenzten Oberflächengegend des Werkstücks unter Behandlung an jedem Augenblick gemessen. Die
Elektrolyse, wenn sie über Zeiträume von mehreren Minuten in diesem Stromdichtebereich durchgeführt
wird, gestattet die Bildung einer gehärteten Schicht mit genügender Dicke. Hinsichtlich der Dauer der Elektrolyse
bestehen keine besonderen Beschränkungen, obgleich die Anwendung eines Zeitraums von nicht
mehr als mehreren 10 Minuten bevorzugt wird, insbesondere, wenn es sich um die Massenproduktion
handeit. Wenn die elektrolytische Stromdichte relativ niedrig ist, dann besteht die Neigung zur Ausbildung
einer Carbid- oder Boridschicht des Metalls in dem geschmolzenen Behandlungsmaterial auf der Oberfläche
des behandelten Metallwerkstücks, während im Fall einer relativ hohen elektrolytischen Stromdichte die
Neigung der Bildung einer mit Bor durchdrungenen Schicht besteht.
Nach der Behandlung wird das Erhitzen des Behandlungsmaterials abgebrochen. Sodann wird das
geschmolzene Behandlungsmaterial abgekühlt und zu einer glasartigen Form verfestigt. Das auf diese Weise
verfestigte Behandlungsmaterial kann leicht entfernt werden, indem das Metallwerkstück in warmes Wasser
eingetaucht wird oder indem das warme Wasser auf die Oberfläche des Metallwerkstücks gegossen wird,
wodurch das daran haftende Material aufgelöst wird. Vorteilhafterweise kann der Hauptteil des an der
Oberfläche des behandelten Metallwerkstoffs haftenden glasartigen Behandlungsmaterials entfernt werden,
indem Einrichtungen wie ein Hammer oder eine Mahleinrichtung verwendet wird, worauf das restliche
Material unter Verwendung von warmen Wasser, das es auflöst, entfernt werden kann.
Nach der Bildung der gehärteten Schicht auf der Oberfläche eines Metallwerkstücks kann auf das
Metallwerkstück eine Wärmebehandlung, z. B. ein Flammhärten oder ein Vergüten angewendet werden.
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur
Anwendung auf großdimensionierte Preßformen, Preßgießformen oder anderen Maschinenteilen bestens
geeignet. Obgleich die meisten der Preßformen zur Herstellung von Automobilstoßdämpfern oder zur
Herstellung von Abzugskanälen aus einem Gesenkstahl für eine Kaltverformung oder aus Kohlenstoffstahl
hergestellt sind, treten doch in den Teilen der Form Verschleißerscheinungen, Verziehungserscheinungen
oder Kratzer auf, die in relativ kurzer Zeit einer schweren Materialbeanspruchung unterworfen sind,
wodurch die Produkte beschädigt werden. Eine solche Form muß daher periodisch geschliffen und poliert
werden, was für die Massenproduktion Schwierigkeiten mit sich bringt Die Bordurchdringungsbehandlung oder
Carbidbeschichtungsbehandlung ist nun dazu wirksam, um einen solchen Verschleiß oder eine solche Belegung
zu eliminieren. Im Falle einer Preßform mit einer größeren Länge als 1 m ist es jedoch fast unmöglich, die
gesamte Preßform in einem Behandlungsbad einzutauchea Ferner kann es unzweckmäßig sein, die gesamte
Form in ein solches Bad einzutauchen, da eine solche Gegend der Form, die dem Verschleiß oder einer
Belagbildung unterworfen ist, nur mehrere Zehntel der Gesamtfläche der Form einnimmt Bislang wurde eine
solche lokalisierte Fläche, einer Form, die gegenüber
einem Verschleiß oder einer Belagbildung empfindlich ist, flammgehärtet oder durch einen Einsatz ausgetauscht
Jedoch ist die Härte der flammgehärteten Oberfläche nicht hoch genug, um dem Abrieb bei der
Massenproduktion genügend zu widerstehen, so daß dieser Einsatz aufgrund der Diskontinuität an der
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Oberfläche der Form ein beschädigtes Produkt ergeben kann.
Aus den oben angeführten Gründen ist die vorliegende Erfindung, durch welche relativ leicht eine abriebbeständige
harte Oberfläche, z. B. eine Boridschicht oder eine Carbidschicht, auf der gewünschten Oberfläche
eines Metallwerkstücks ausgebildet werden kann, für die Behandlung von großdimensionierten Formen sehr
gut geeignet.
Im Falle einer Form für das Gesenkgießen von Aluminium kann es vorkommen, daß geschmolzenes
Aluminium an dem Teil der Form haftet, welcher der Höchsttemperatur ausgesetzt ist. Es müssen daher viele
Arbeitsstunden dazu verwendet werden, um solches angeheftetes Aluminium aus der Form zu entfernen.
Dies bringt weiterhin eine Verfleckung des Aussehens der Oberfläche des gegossenen Produkts mit sich. Um
solche Nachteile zu überwinden, wird herkömmlicherweise eine Nitrierhärtung durchgeführt, die aber für
großdimensionierte Formen nicht praktisch ist. Die gehärtete Schicht, die durch das erfindungsgemäße
Verfahren erzeugt wird, ist für die lokalisierte Oberflächenbehandlung einer Aluminium-Gesenkgußform
bestens geeignet, da die gehärtete Schicht, die durch das erfindungsgemäße Verfahren gebildet wird,
gegenüber geschmolzenem Aluminium einen annehmbaren Grad der Korrosionsbeständigkeit zeigt
Ferner eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Härten von Schienen, insbesondere für Spindelköpfe
und Metall-, Holz- oder Kunststoffbearbeitungsmaschinen, da es dort auf reibungsarme und dauerhafte
Gleitflächen ankommt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gehärtete Gleitflächen halten insbesondere
gut stand gegenüber metallischen Schleifstaub.
Bei der Durchführung des lokalisierten elektrolytischen Härtungsprozesses gemäß der Erfindung wird
vorteilhafterweise ein Brenner 5 verwendet, durch den das pulverförmige Behandlungsmittel gesprüht wird, um
geschmolzen zu werden. Ferner wird eine Anodenunterstützungseinrichtung 3, wie sie in F i g. 1 gezeigt ist,
oder eine bewegbare lokalisierte elektroyltische Härtungseinrichtung 6, wie sie in F i g. 2 gezeigt wird, oder
eine oberflächliche elektrolytische Härtungseinrichtung 8 für ein stabförmiges Metallwerkstück, wie es in F i g. 3
gezeigt wird, verwendet
Der Brenner 5, der dazu geeignet ist, das vorgenannte
geschmolzene Behandlungsmaterial aufzusprühen und die Anodenunterstützungseinrichtung, die in F i g. 1
gezeigt wird, sind gut dazu geeignet um die elektrolytische Härtungsbehandlung gemäß der Erfindung
durchzuführen, um die lokalisierte Oberfläche eines Metallwerkstücks zu erhärten. Der Brenner 5
gestattet es, daß das Behandlungsmaterial zusammen mit einer Flamme aufgesprüht wird oder er gestattet
gegebenenfalls nur das Auftreffen der Flamme auf die erforderliche Oberfläche. Insbesondere kann das pulverförmige Behandlungsmaterial, das in einem Behälter
52 enthalten ist zusammen mit einer Flamme durch eine Düse 53 aufgespritzt werden, indem ein Hebel 51 des
Brenners 5 betätigt wird. Das pulverförmige Behandlungsmaterial wird durch die Flamme aufgeschmolzen
und auf die Oberfläche des zu behandelnden Metallwerkstücks aufgebracht Weiterhin ist die Anodenunterstützungseinrichtung 3 in der Gestalt den üblicherweise
verwendeten Standeinrichtungen ähnlich, mit der Ausnahme, daß der Anodengreiferteil 31 aus einem
elektrisch isolierten Material hergestellt ist da das zu behandelnde Metallwerkstück von der Anodenunterstützungseinrichtung 3 isoliert sein muß. Auf die
Oberfläche der Anodenunterstützungseinrichtung 3 ist eine Asbestplatte 35 gelegt, um den Wärmeübergang zu
hemmen.
s Beim Betrieb wird ein Metallwerkstück 1, das behandelt werden soll, zunächst fixiert auf die
Asbestplatte 35 auf der Anodenunterstützungseinrichtung gebracht. Sodann wird die Elektrode 2 fest auf
einem Ständer in enger Nähe des speziellen Teils der
ίο Oberfläche 11 des Metall Werkstücks befestigt. Die
Elektrode ist aus einem Material wie Graphit hergestellt und besitzt eine Oberfläche 21, die mit der Oberflächenkonfiguration
11 des zu behandelnden Metallwerkstücks im Einklang steht. Darüberhinaus wird der
Brenner 5, der zum Aufsprühen des geschmolzenen Behandlungsmaterials eingesetzt wird, dazu verwendet,
um die Oberfläche des Metallwerkstücks zu erhitzen, das geschmolzene Behandlungsmaterial aufzusprühen
und das Material und das Werkstück zu erhitzen, um das Behandlungsmaterial in einem geschmolzenen Zustand
zu halten. Wie aus F i g. 1 ersichtlich wird, ist es vorzuziehen, einen ringförmigen Wall aus Aluminiumoxidpulver
oder Graphitpulver 4 um die lokalisierte Oberfläche 11 des Teils des zu behandelnden Metall-Werkstücks
auszubilden, wobei der Wall vor dem Beginn der Härtungsoperation gebildet wird. Dies verhindert
das Herausfließen des geschmolzenen Behandlungsmaterials aus der vorgewärmten lokalisierten Oberfläche.
Um einen ringförmigen Wall aus Aluminiumoxidpulver herzustellen, kann man z. B. das Aluminiumoxidpulver
mit einer wäßrigen Äthylsilicatlösung vermischen, um eine Aufschlämmung des Aluminiumoxidpulvers zu
bilden, worauf man die auf diese Weise erhaltene Aufschlämmung dazu verwendet, um den ringförmigen
Wall herzustellen. Sodann wird die Oberfläche 11 unter Verwendung des Brenners 5 erhitzt Dieser kann auch
dazu verwendet werden, um das geschmolzene Behandlungsmaterial aufzusprühen. Sodann wird der Hebel 5
betätigt, damit das Behandlungsmaterial zusammen mit der Flamme aufgesprüht wird, wodurch ein geschmolzenes
Bad des Behandlungsmaterials gebildet wird. Dann wird die Elektrolyse begonnen, wobei das Metallwerkstück
an den negativen Pol einer (nicht gezeigten) Batterie angeschlossen wird und die Anode 2 an den
positiven Pol der Batterie angeschlossen wird.
Während der Elektrolyse wird das geschmolzene Behandlungsbad kontinuierlich durch den Brenner 5
erhitzt um da.> Bad in einem geschmolzenen Zustand zu
halten. Auf diese Weise werden die Anodenunierstüt-Zungseinrichtung
3 und der Brenner 6, der zum Aufsprühen des Behandlungsmaterials verwendet wird,
mit Vorteil in der lokalisierten Oberflächenhärtungsbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet
Anstelle des Brenners 5 kann auch ein herkömmlicher Brenner verwendet werden, um das geschmolzene
Behandlungsbad zu erhitzen. Im Falle der Verwendung eines Brenners des gewöhnlichen Typs wird das
pulverförmige Behandlungsmaterial auf die Oberfläche des zu behandelnden Metallwerkstücks aufgebracht,
worauf das Behandlungsmaterial unter Verwendung des Brenners erhitzt wird, so daß das Material geschmolzen
wird und in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird.
Eine lokalisierte elektrolytische Erhärtungseinrichtung des bewegbaren Typs, wie sie in Fig.2 gezeigt
wird, wird dazu verwendet, um eine lange, lokalisierte
elektrolysegehärtete Schicht auf der Oberfläche eines
Metallwerkstücks zu bilden. Diese Einrichtung ist besonders für die flache Oberfläche einer permanenten
Form oder von Maschinenteilen oder Schienenteilen für das Bett eines Maschinenwerkzeugs anwendbar.
Die elektrolytische Härtungseinrichtung des beweg- <,
baren Typs 6 soll nun unter Bezugnahme auf F i g. 2 näher erläutert werden. Die lokalisierte elektrolytische
Härtungseinrichtung 6 des bewegbaren Typs besteht im wesentlichen aus einem Behälter 61, der so ausgebildet
ist, daß er darin das geschmolzene Behandlungsmaterial ι ο enthält, eine Graphitelektrode 62, eine Eisenscheibe 63
und einen Halter 64, an den der Behälter 61 und die Eii>cnscheibe 63 angefügt sind. Die Eisenscheibe 63 ist an
den Halter 64 mittels eines Kupplungsgliedes angekuppelt, das aus einem elektrisch isolierten Material is
hergestellt ist Der Behälter 61 ist an seinem Boden mit einem Öffnungsteil 611 aus einem wärmebeständigen
keramischen Material gebildet, wobei die Anode in der Mitte des Öffnungsteils angeordnet ist Zusätzlich kann
der Teil 611 durch einen solchen ausgetauscht sein, der eine andere Konfiguration hat so daß Einklang mit der
Konfiguration der Oberfläche des Metallwerkstücks besteht das behandelt wird. Die kreisförmige Gestalt
des Öffnungsteils 611 ist am besten an seine flache Oberfläche angepaßt Der Öffnungsteil 611 sollte
vorzugsweise gegen die Oberfläche eines Metallwerkstücks abgedichtet sein.
In der Umfangswand des Behälters 61 ist eine
Heizeinrichtung 612 vorgesehen. In dieser Hinsicht wird die Anode 62 in elektrisch isolierter Weise durch den
Anodenhalter 66 gehalten, wobei der Spitzenteil 621 der Anode fest in der Mitte des Öffnungsteils 611 des
Behälters 61 angeordnet ist. Weiterhin ist der Behälter 61 elektrisch von einem Metallwerkstück durch eine
elektrisch isolierte Kupplungseinrichtung (nicht gezeigt) isoliert die zwischen der Eisenscheibe 63 und dem
Halter 64 angeordnet ist sowie durch den Öffnungsteil 611, der aus einem wärmeisolierenden keramischen
Material hergestellt ist so daß der elektrische Strom für die Elektrolyse nur zwischen dem Spitzenteil 621 der
Graphitanode 62 und dem zu behandelnden Werkstück aus Metall 7 fließen kann.
Beim Betrieb der oben beschriebenen lokalisierten elektrolytischen Härtungseinrichtung 6 des bewegbaren
Typs wird der Öffnungsteil 611 des Behälters 61 in engen Kontakt mit der Oberfläche des zu behandelnden
Metallwerkstücks 7 gebracht Hierauf wird das Behandlungsmaterial 8, entweder in geschmolzenem Zustand
oder als Pulver, in das Gehäuse gegossen. Wenn es als Pulver eingeführt wird, dann wird es durch die
Heizeinrichtung 6 zum geschmolzenen Zustand erhitzt Es wird bevorzugt daß die Oberfläche des Metallwerkstücks zuvor unter Verwendung eines Brenners oder
dergleichen vorerhitzt wird. Sodann wird die Elektrolyse durchgeführt wobei das Metallwerkstück als
Kathode wirkt Bei diesem Betrieb wird das Gehäuse 61 nach vorne entlang der Oberfläche des Metallwerkstücks bewegt, während es geringfügig von der
Oberfläche nach oben gehoben wird, indem der Halter 64 geringfügig nach oben gehalten wird, wodurch
kontinuierlich ein Band einer elektrolysegehärteten Schicht erhalten wird. Es sollte beachtet werden, daß
wenn das Gehäuse 61 relativ hoch nach oben gehoben wird, eine große Menge des geschmolzenen Behandlungsmittels durch den Spalt nach außen fließt der es
zwischen dem öffmingsteil 611 und der oberen Fläche
des behandelten Metallwerkstücks gebildet wird.
Es wird eine elektrolytische Hirtungseinrichtung 8
gemäß Fig.3 dazu verwendet um eine gehärtete Schicht auf dem Umfang eines Metallwerkstücks 81 in
stabförmiger Gestalt auszubilden. Die Vorrichtung wird besonders für die lokalisierte Erhärtung einer Spindel
oder einer Welle verwendet. Die elektrolytische Härtungseinrichtung besteht im wesentlichen aus einer
Greifereinrichtung 82, die so angepaßt ist, daß sie das Metallwerkstück 81 ergreift und rotiert, aus einem
Behälter, der so angepaßt ist, daß er das geschmolzene Behandlungsmittel darin enthält, einer Gehäuseunterstützungseinrichtung 84 und einer Anodenunterstützungs- und -einstellungseinrichtung 86, wobei die
vorgenannte Greifereinrichtung 82 das Metallwerkstück 81 in elektrisch isolierter Weise ergreift und
langsam, d. h. mit mehreren Umdrehungen pro Minute, um die Achse des Metallwerkstücks rotiert Die
elektrische Verbindung mit dem Stab 81 kann durch eine geeignete Graphitbürste (nicht gezeigt) erfolgen.
Die Behälterunterstützungseinrichtung 84 gestattet die vertikale Verschiebung des Gehäuses 83, so daß es
geringfügig oberhalb der Oberfläche des Metallwerkstücks vor dem lokalisierten elektrolytischen Härten
fixiert werden kann. Das Gehäuse wird am Bodenteil mit einem Öffnungsteil 831 gebildet Die Anodenunierstützungseinrichtung 86 gestattet die vertikale Verschiebung der Anode 85, so daß sie vor der lokalisierten
elektrolytischen Härtung in einer Stellung fixiert werden kann, in welcher der Kopfteil 851 davon in
enger Nähe der Oberfläche des zu behandelnden Metallwerkstücks gehalten wird. Der Kopfteil 851 der
Anode 85 hat die Gestalt einer Hälfte eines Zylinders, der in Längsrichtung in zwei Teile gespalten ist und
dessen innere Umfangsoberfläche im Anschlag mit der äußeren Umfangsoberfläche des stabartigen Metallwerkstücks steht und der mit nach innen vorstehenden
Rippen oder aufgebiideten Teilen 852 aus einem isolierenden Material wie Keramik gebildet ist Im Falle,
daß die Behandlungszeit relativ gering ist sind solche aufgebildeten Teile nicht erforderlich und somit kann in
den Behälter 83 nur eine Menge des Behandlungsmaterials eingeführt werden, die derjenigen entspricht die
aus dem Spalt zwischen der Anode 851 und dem behandelten Metallwerkstück austritt
Der lokalisierte elektrolytische Härtungsprozeß beginnt mit der Einführung des geschmolzenen Behandlungsmaterials in den Behälter 83. Das geschmolzene
Behandlungsmaterial fließt nach unten durch den Öffnungsteil 831, der am Boden des Behälters 83
gebildet ist auf die Oberfläche des Metallwerkstücks 81 und verweilt auf dem Kopfteil 851 der Elektrode 85.
Unter solchen Umständen wird die Elektrolyse mit dem Metallwerkstück 81, das als Kathode dient durchgeführt Da das Metallwerkstück 81 langsam durch die
Greifereinrichtung 82 während der Elektrolyse rotiert wird ein Band aus der elektrolytisch gehärteten Schicht
in der Oberfläche des Metallwerkstücks gebildet Vorzugsweise sollte jedoch das Metallwerkstück 81
unter Verwendung eines Brenners etc. während der Härtungsbehandhmg erhitzt werden oder das geschmolzene Behandlungsmittel sollte erhitzt werden, so
daß eine Verfestigung vermieden wird.
Das Beispiel erläutert die Erfindung.
Beispiel
Die lokalisierte elektrolytische Härtungsbehandlung
wurde angewendet, um eine gehärtete Schicht in Bandgestalt mit einer Breite von etwa 15 mm und einer
Länge von etwa 250 mm auf der Oberfläche eines
Einsatzes einer Preßform auszubilden, die aus einem
Kohlenstoffstahl hergestellt war und die die ungefähren Abmessungen von etwa 330 mm (Tiefe) χ 100 mm
(Länge) χ 120 mm (Höh»;) hatte.
Der Öffnungsteil 611 des Behälters 61 in der elektrolytischen Härtungseinrichtung 6 des bewegbaren
Typs gemäß F i g. 2 wurde in engen Kontakt mit einem
Teil der Oberfläche des beschriebenen Preßformeinsatzes gebracht Der Durchmesser des Öffnungsteils des
oben genannten Behälters 61 betrug etwa 20 mm, während ein Graphitstab mit einem Durchmesser von
15 mm als eine Elektrode 62 verwendet wurde. Der Graphitstab 62 war etwa 3 mm oberhalb der Oberfläche
des Metallwerkstücks, das behandelt wurde, fixiert, wobei der Öffnungsteil in engem Kontakt mit der
Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks gehalten wurde. Sodann wurde die Oberfläche unter Verwendung eines Sauerstoffacetylenbrenners vorerhitzt, wobei in das Gehäuse pulverförmiges Borax als Behandlungsmaterial (unterhalb 0,149 mm) gegeben wurde,
welches 20% Vanadiumoxid (V2O5)-Pulver (unter
0,04 mm) enthielt. Dieses Material war in einem elektrischen Ofen geschmolzen worden. Die elektrolytische Behandlung wurde sofort begonnen, wobei der
Preßformeinsatz als Kathode diente. Ein elektrischer Strom mil etwa 30 Ampere wurde zwischen der
Elektrode 62 und dem Preßformeinsatz geleitet
Während der elektrolytischen Behandlung wurde die Vorrichtung entlang der Oberfläche des behandelten
Metallwerkstücks mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 cm pro Minute bewegt, wobei der Öffnungsteil 611 des
Behälters geringfügig oberhalb der Oberfläche, die behandelt wurde, gehalten wurde. Geschmolzenes
Behandlungsmaterial wurde dem Behälter 61 periodisch zugeführt, um die Spitze der Elektrode 62 in dem
geschmolzenen Behandlungsbad zu halten. Mach der Beendigung der lokalisierten elektrolytischen Härtungsbehandlung wurde der Preßformeinsatz lufgekühlt und
sodann in warmes Wasser eingetaucht, um das verfestigte Behandlungsmaterial wegzulösen. Als der
gehärtete Einsatz in die Preßform eingearbeitet wurde
und in Gebrauch genommen wurde, war das Verkratzen
der Oberfläche des Einsatzes fast vollständig eliminiert
worden.
Die lokalisierte Härtungsbehandlung wurde auf eine
Stahlplatte von JIS SK 5, d. h. dem gleichen Material
wie oben bei den gleichen Bedingungen, wie vorstehend
beschrieben, angewandt. Sodann wurden Zonen der Stahlplatte einer mikroskopischen und Röntgenstrahlenbeugungsuntersuchung unterworfen, aus der sich
ergab, daß eine Schicht aus Vanadiumcarbid (VC) mit einer Dicke von etwa 8 μη\ erhalten worden war.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen