DE3142270A1

DE3142270A1 - Process for improving the strength properties in the superficial regions of workpieces, especially of steel

Info

Publication number: DE3142270A1
Application number: DE19813142270
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr.-Ing. 7803 Gundelfingen Prümmer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1981-10-24
Filing date: 1981-10-24
Publication date: 1983-05-11
Also published as: DE3142270C2

Abstract

A process for improving the strength properties of the superficial region of workpieces, especially of steel, by heating and rapid cooling while applying a thermomechanical treatment. The surface regions are heated to a high temperature above the transformation point and at the same time mechanically deformed. Cooling or quenching is carried out during or after the deformation. A high-temperature or low-temperature thermomechanical treatment can be applied. The mechanical treatment can be effected by rolling, hammering or shot-peening. The heating, deforming and cooling can take place in fixed zones around a rotating body. Tensile stressing can also be applied during the thermomechanical treatment. <IMAGE>

Description

VERFAHREN ZUM VERBESSERN DER FESTIGKEITSEIGENSCHAFTENPROCESS FOR IMPROVING STRENGTH PROPERTIES

IN DEN OBERFlÄCHENNAHEN BEREICHEN VON WERKSTÜCKEN, INS-BESONDERE AUS STAHL.IN THE AREAS OF WORKPIECES NEAR THE SURFACE, IN PARTICULAR FROM STOLE.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften in den oberflächennahen Bereichen von Werkstücken, insbesondere aus Stahl durch Erhitzen und schnelles Abkühlen. Dabei wird von dem Verfahren der thermomechanischen Behandlung Gebrauch gemacht.The invention relates to a method for improving the strength properties in the near-surface areas of workpieces, especially those made of steel Heating and rapid cooling. The process of thermomechanical Treatment made use of.

Eine thermomechanische Behandlung von Werkstoffen, insbesondere Stahlproben, hat das Ziel, im Werkstoff eine hohe Versetzungsdichte bei einer Substruktur zu erzeugen, welche zu einer höheren Festigkeit bei gleichzeitig geringerer Rißanfälligkeit führt. Bisher wird dieses Verfahren wegen der hohen Umformgrade nur als Verfahren für eine Volumbehandlung angewandt.A thermomechanical treatment of materials, especially steel samples, aims to achieve a high dislocation density in a substructure in the material produce, which lead to a higher strength and at the same time less susceptibility to cracking leads. So far, this process has only been used as a process because of the high degree of deformation applied for a volume treatment.

Festigkeitserhöhende Maßnahmen bei metallischen Werkstoffen beruhen auf vier metallkundlichen Mechanismen oder deren Kombination untereinander. Sie bewirken, daß die Gleitung bestimmter Kristallitbereiche des Vielkristallverbandes durch Versetzungsbewegung behindert werden und damit eine plastische Verformungsmöglichkeit eines Werkstückes eingeschränkt wird Im einzelnen handelt es sich um die folgenden Mechanismen: A) Eine Verfestigung eines Werkstückes durch Erhöhung der Versetzungsdichte kann durch eine mechanische Kaltbearbeitung erfolgen, wie z.B. Kaltwalzen, Hämmern, Kaltschmieden u... Eine Behinderung der Versetzungsbewegung ist in diesem Fall durch eine hohe Dichte der Versetzungen gegeben, indem sich diese aufgrund ihrer Spannungsfelder gegenseitig behindern. Die Zunahme der Festikeit umbOy, ist dabei proportional der Wurzel aus der Versetzungsdichte N: B) Eine Verkleinerung der Korngröße eines Vielkristallverbandes bewirkt bei plastischer Verformung eine Aufstauung von Versetzungen an den Korngrenzen. Der Gewinn an der Streckgrenze eines Werkstoffes ist umgekehrt proportional der Wurzel aus der Korngröße D C) Ein weiterer Mechanismus, der die Beweglichkeit von Versetzungen hemmt, ist die Mischkristallhärtung, indem in das Grundgitter Fremdatome eingebaut werden.Strength-increasing measures in metallic materials are based on four metallurgical mechanisms or a combination of these. They have the effect that the sliding of certain crystallite areas of the multicrystalline structure is hindered by dislocation movement and thus the possibility of plastic deformation of a workpiece is restricted. such as cold rolling, hammering, cold forging, etc. In this case, the dislocation movement is hindered by a high density of dislocations, as they hinder each other due to their stress fields. The increase in strength umbOy is proportional to the square root of the dislocation density N: B) A reduction in the grain size of a multicrystalline structure causes a build-up of dislocations at the grain boundaries in the event of plastic deformation. The gain at the yield point of a material is inversely proportional to the square root of the grain size D. C) Another mechanism that inhibits the mobility of dislocations is solid solution hardening by incorporating foreign atoms into the basic lattice.

Je größer der Atomradiusunterschied von Wirts- und Fremdatom ist, um so größer ist die Mischkristallhärtung. Außerdem ist die Zunahme der Mischkristallhärtung der Wurzel aus der Konzentration c der gelösten Atome proportional: In der Technik ist dieser festigkeitssteigernde Mechanismus als Legieren geläufig.The greater the difference in atomic radius between the host and foreign atom, the greater the solid solution hardening. In addition, the increase in solid solution hardening of the root is proportional to the concentration c of the dissolved atoms: In technology, this strength-increasing mechanism is known as alloying.

D) Ein Legieren kann sekundär aber auch durch einen weiteren Mechanismus festigkeitssteigernd wirken: durch eine Ausscheidung von Teilchen im Kristallgitter kann eine Behinderung der Versetzungsbewegung erfolgen. Die Teilchen müssen bei einer Ver setzungsbewegung geschnitten werden. Sind die Teilchen härter, ist hierfür eine erhöhte Schubspannung erforderlich oder es müssen'die Teilchen während einer Versetzungsbewegung umgangen werden. Die Erhöhung der Festigkeit ist gegeben durch mit f dem Volumanteil der ausgeschiedenen Teil chen und deren mittlerem Abstand d voneinander.D) Alloying can also have a secondary effect to increase strength through another mechanism: the separation of particles in the crystal lattice can impede the movement of dislocations. The particles must be cut during a dislocation movement. If the particles are harder, an increased shear stress is required for this or the particles must be bypassed during a dislocation movement. The increase in strength is given by where f is the volume fraction of the excreted particles and their mean distance d from one another.

Treten mehrere Verfestigungsmechnismen gleichzeitig nebeneinander auf, dann superponieren sich ihre einzelnen Beiträge.If several solidification mechanisms occur next to each other at the same time then their individual contributions superpose each other.

Beim Härten von Stahl, d.h. Abschrecken von hohen Temperaturen, bei welchen das Kristallgitter als kubisch flächenzentriertes Gitter vorliegt, auf Raumtemperatur tritt eine Umwandlung in ein kubisch raumzentriertes Gitter auf. Da die Löslichkeit des Kohlenstoffs im krz-Gitter wesentlich kleiner ist, ist dieses sehr stark verspannt. Es entsteht ein Gefügezustand, welcher als Martensit bezeichnet wird Seine Härte ist begründet zum einen durch die während der Umwandlung durch Anpassungsverformungen gebildeten Versetzungen und zum anderen durch Mischkristallhärtung durch den interstitiell gelösten Kohlenstoff. Beim Anlassen wird ein Teil der Mischkristallhärtung zurückgenommen, indem unter Bildung von Karbiden die Ausscheidungshärtung in Kraft tritt.When hardening steel, i.e. quenching at high temperatures, at which the crystal lattice is a face-centered cubic lattice, to room temperature a transformation into a body-centered cubic lattice occurs. Because the solubility of the carbon in the krz lattice is much smaller, it is very much tensed. A structural condition is created, which is called martensite. Its hardness is justified on the one hand by the adaptive deformations during the conversion dislocations formed and on the other hand by solid solution hardening through the interstitial dissolved carbon. When tempering, part of the solid solution hardening is withdrawn, in that precipitation hardening comes into effect with the formation of carbides.

Es sei darauf hingewiesen, daß Legierungselemente wie Cr, V karbidbildend wirken und somit den Ausscheidungsmechanismus begünstigen. Hierzu ist ein Anlassen bei höheren Temperaturen erforderlich. Auch bereits im Austenit, d.h. der kubisch flächenzentrierten Phase des Eisens1 können sich bereits durch Zusatz bestimmter-Legierungselemente Karbide bilden. Solche Legierungs-Elemente sind W, Mo, Nb, Ti und Vanadium. Die sich bildenden eisenfreien "Sonderkarbide" säumen die Austenitkorngrenzen und verhindern somit ein Wachstum der Austenitkörner während des Austenitisierens beim Härten, machen also den Stahl überhitzungsbeständig".It should be noted that alloying elements such as Cr, V form carbide act and thus favor the excretion mechanism. This is a start required at higher temperatures. Also already in austenite, i.e. the cubic face-centered phase of iron1 can already be achieved by adding certain alloying elements Form carbides. Such alloy elements are W, Mo, Nb, Ti and vanadium. the Forming iron-free "special carbides" line the austenite grain boundaries and prevent them thus a growth of the austenite grains during the austenitizing during hardening, So make the steel overheat resistant ".

Eine Sonderstellung nehmen die maraging-Stähle ein. Es handelt sich um C-arme Stähle mit Ni und Mo - sowie in geringerer Menge Al, Ti, Si-Zusätzen. Bei der Austenit-Martensit-Umwandlung entsteht aufgrund des geringen Kohlenstoffgehaltes ein duktiler Martensit. Bei einer Anlaßtemperatur von ca. 5000C entsteht während einiger Stunden eine feindisperse Ausscheidung von intermetallischen Phasen, welche diesen "martensitaushärtenden Stählen" Festigkeiten bis ca. 3000 N/mm2 verleihen. Die Festigkeitszunahmeist hierbei vor allem der Feinheit (kleiner Abstand d) der-Teilchen zuzuschreiben.The maraging steels occupy a special position. It is about low-carbon steels with Ni and Mo - and, to a lesser extent, Al, Ti, Si additives. During the austenite-martensite transformation, it is formed due to the low carbon content a ductile martensite. At a tempering temperature of approx. 5000C, during a few hours a finely dispersed precipitation of intermetallic phases, which give these "martensite-hardening steels" strengths of up to approx. 3000 N / mm2. The increase in strength is mainly due to the fineness (small distance d) of the particles attributable to.

Es liegt auf der Hand, einzelne Maßnahmen zur Steigerung der Festigkeit von Werkstoffen miteinander zu kombinieren, indem beispielsweise eine Härtung eines Stahles durch eine Austenit-Martensit-Umwandlung (Mischkristallhärtung*+ Versetzungshärtung) zusätzlich noch durch eine mechanische Verfestigung <Versetzungshärtung) begleitet wird.It is obvious, individual measures to increase the strength of materials to combine with each other, for example by hardening a Steel through an austenite-martensite transformation (solid solution hardening * + dislocation hardening) additionally accompanied by mechanical hardening (dislocation hardening) will.

* Ausscheidungshärtung Erfolgt die mechanische Verfestigung z.B. durch Kaltwalzen im Anschluß an eine Wärmebehandlung, dann superponieren sich lediglich die einzelnen Anteile der Verfestigungsmechnismen. Man macht von dieser Tatsache Gebrauch bei einer Oberflächenbearbeitung von geh&rteten Wellen oder Zahnrädern durch Kugelstrahlen. Die hierbei durch die plastische Verformung der Oberflächenbereiche zusätzlich erzielte Kaltverfestigung bewirkt eine Festigkeitssteigerung. Dies wirkt sich günstig auf die Dauerfestigkeit aus. Die gleichzeitig in die Oberflächenbereiche des Werkstückes eingebrachten Druckeigenspannungen haben eine ähnlich günstige Wirkung auf die Dauerfestigkeit bei schwingender Beanspruchung des Bauteiles.* Precipitation hardening The mechanical consolidation takes place e.g. by cold rolling after a heat treatment, then superpose each other only the individual parts of the solidification mechanisms. One makes of this Fact use when surface treatment of hardened shafts or Gears by shot peening. The hereby by the plastic deformation of the Work hardening additionally achieved on surface areas causes an increase in strength. This has a positive effect on the fatigue strength. The same time in the surface areas Residual compressive stresses introduced into the workpiece have a similarly beneficial effect on the fatigue strength when the component is exposed to vibrations.

Die als thermomechanische Behandlung bezeichnete gleichzeitige Wärmebehandlung und Kaltverfestigung eines Werkstoffes jedoch führt zu einer Vervielfachung der Anteile der Verfestigungsmechanismen. Wird z.B. ein Stahl vor oder während der pw -Umwandlung mechanisch durch Walzen verfestigt, dann wird die im Austenit erzeugte Versetzungsstruktur auf den Martensit vererbt bzw. verstärkt'. Gleichzeitig findet eine Kornverfeinerung statt. Außerdem werden eine Vielzahl von Keimen für die Ausscheidungshärtung geschaffen, so daß eine Anlaßbehandlung zu feineren Teilchen mit kleinerem Abstand d führen muß. Schließlich wird auch die Umwandlungskinetik selbst beeinflußt, indem die Umwandlungstemperatur zu höheren Temperaturen bzw. kleineren Zeiten verschoben wird (verformungsinduzierte Umwandlung).The simultaneous heat treatment known as thermomechanical treatment and strain hardening of a material, however, leads to a multiplication of the Proportions of the solidification mechanisms. For example, if a steel is used before or during the pw -Conversion mechanically hardened by rolling, then the one produced in austenite Dislocation structure inherited or reinforced by martensite '. At the same time takes place grain refinement takes place. Also, a variety of seeds are used for precipitation hardening created so that a tempering treatment to finer particles with smaller spacing d must lead. Finally, the conversion kinetics itself is also influenced by the transition temperature shifted to higher temperatures or shorter times becomes (deformation-induced transformation).

Man unterscheidet im wesentlichen zwei Verfahren der thermomechanischen Behandlung von Werkstoffen: die hochtemperaturthermomechanische Behandlung HTMB und die niedertemperaturthermomechanische Behandlung NTMB. Bei der HTMB findet eine mechanische Bearbeitung eines Halbzeuges durch Walzen, Ziehen, Strangpressen oder Hämmern über der A3-Temperatur statt, bei der LTMB zwischen A1 und Ms (der Martensitbildungstemperatur).There are essentially two different thermomechanical processes Treatment of materials: the high-temperature thermomechanical treatment HTMB and the low temperature thermomechanical treatment NTMB. At the HTMB there is a mechanical processing of a semi-finished product by rolling, drawing, extrusion or Hammering takes place above the A3 temperature, at the LTMB between A1 and Ms (the martensite formation temperature).

In dcn Figuren 1 und 2 sind die beiden Prozesse schematisch in einem ZTU-Diagramm eingetragen. Eine thermomechanische Behandlung bei Temperaturen, welche bei Zwischentemperaturen ausgeführt wird, wird als Isoforming bezeichnet. Auch ist eine thermomechanische Behandlung im zweiphasengebiet A1- TCA3 möglich, die zu sehr feinen Duplex-Gefügen oder Gefügen mit feindisperser Verteilung von Karbiden führt.In FIGS. 1 and 2, the two processes are schematically in one ZTU diagram entered. A thermomechanical treatment at temperatures which is carried out at intermediate temperatures is called isoforming. Also is a thermomechanical treatment in the two-phase area A1-TCA3 possible that too much fine duplex structure or structure with finely dispersed distribution of carbides.

Wegen des Zeitaufwandes für die mechanische Bearbeitung kommt eine thermomechanische Behandlung in Betracht für Stähle, die eine gewisse Umwandlungsträgheit aufweisen und beim Abschrecken dann möglichst vollständig in Martensit umwandeln. Eine Besonderheit sind Stähle, welche im ZTU-Diagramm zwischen der Perlit- und Bainitstufe einen Temperaturbereich geringer Umwandlungsgeschwindigkeit aufweisen. Wenn in diesem Bereich des metastabilen Austenits vor der Umwandlung umgeformt wird, spricht man von austenitformgehärteten Stählen.Because of the time required for mechanical processing, a thermomechanical treatment can be considered for steels that have a certain transformational inertia and then convert as completely as possible into martensite during quenching. A special feature are steels, which in the ZTU diagram are between the pearlite and bainite levels have a temperature range of low conversion rate. If in this Area of the metastable austenite is formed before the transformation is called of austenitic form-hardened steels.

Wird eine HTM-Behandlung bei Stählen ausgeführt, die bei der Abkühlung keiner Umwandlung unterliegen, macht man allein von der aufgrund der bei höheren Temperaturen eingebrachten Verfestigung und damit begünstigten Ausscheidungskinetik, d.h. einer feindispersen Verteilung der Ausscheidungen mit dem Ziel einer besseren Festigkeit und eines besseren Korrosionsverhaltens Gebrauch.Is an HTM treatment carried out on steels that are exposed to cooling not subject to conversion, one makes solely from the due to the at higher Solidification introduced at temperatures and thus favored precipitation kinetics, i.e. a finely dispersed distribution of the excretions with the aim of a better Strength and better corrosion behavior.

Im allgemeinen erreicht man bei der HTM-Behandlung sowohl bessere Festigkeits- als auch Zähigkeitseigenschaften, während bei der NTMB (Ausforming) zwar eine Steigerung der Festigkeit erzielt wird, die Zähigkeit (d.h. Brucheinschnürung, Bruchzähigkeit, Dehnung, Kerbschlagzähigkeit) entweder unverändert, größer und kleiner sein kann. Bei niedriglegierten Stählen zoBo wird nach HTMB von Zunahmen der Streckgrenze und Bruchzähigkeit in der Größenordnung von 30% berichtet, wobei die Konstante der Rißausbreitung nach der Paris-Beziehung sogar auf die Hälfte absinkt. Die Dauerfestigkeit nimmt nach HTMB ebenfalls zu. Auch das Verhalten unter dem Einfluß einer Kontakt-Ermüdung ist wesentlich günstiger.In general, both better ones are achieved with HTM treatment Strength and toughness properties, while NTMB (forming) Although an increase in strength is achieved, the toughness (i.e. fracture necking, Fracture toughness, elongation, notched impact strength) either unchanged, larger or smaller be can. In the case of low-alloy steels, zoBo is based on increases in the yield strength according to HTMB and fracture toughness reported on the order of 30%, the constant being the After the Paris relationship, crack propagation even drops by half. The fatigue strength also increases after HTMB. Also behavior under the influence of contact fatigue is much cheaper.

Aus diesen Gründen hat die thermomechanische Behandlung bereits eine breite Anwendung gefunden. Sie ist allerdings wegen der erforderlichen hohen Umformgrade auf Bauteile mit einfacher Geometrie beschränkt und findet ihre Anwendung vor allem bei Blechen Stangen, Rohren und Draht, wobei als Unformverfahren das Walzen, Schmieden, Strangpressen, Hämmern und Drahtziehen in Betracht kommen. Bauteile wie Blattfedern, Federband stahl, Bohrstangen, Arbeitswalzen, Kardanwellen, Achsen, Schraubenfedern u. Rohre lassen sich durch die Anwendung thermomechanischer Verfahren unter Ersatz von teuren legierten Stählen durch niedriglegierte Stähle herstellen, wobei gleichzeitig eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erzielt wird. Eine Anwendung der thermomechanischen Behandlung auf endgeformte Bauteile ist bisher wegen der notwendigen plastischen Verformungen nicht möglich.For these reasons, thermomechanical treatment already has one found wide application. However, it is because of the high degree of deformation required limited to components with simple geometry and is mainly used for sheet metal, bars, tubes and wire, with rolling, forging, Extrusion, hammering and wire drawing come into consideration. Components such as leaf springs, Spring band steel, boring bars, work rolls, cardan shafts, axles, coil springs and pipes can be replaced by using thermomechanical processes from expensive alloy steels through low-alloy steels manufacture, at the same time an improvement in the mechanical properties is achieved. An application of the thermomechanical treatment on final formed components is necessary because of the plastic deformation is not possible.

Die Ursachen für eine Verbesserung der Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitiger Erhöhung der Zähigkeit eines Werkstoffes durch eine thermomechanische Behandlung hat Seine Ursache in verschiedenen Einflußfaktoren: 1) eine feinverteilte Anordnung der Versetzungen in Zellwänden bei gleichzeitig hoher Versetzungsdichte.The causes for an improvement in strength properties simultaneous increase in the toughness of a material through a thermomechanical Treatment has its cause in various influencing factors: 1) a finely divided one Arrangement of dislocations in cell walls with high dislocation density at the same time.

2) eine homogene Verteilung feindisperser Ausscheidungen.2) a homogeneous distribution of finely dispersed precipitates.

Dadurch wird eine sonst oft übliche Ausscheidung an Korngrenzen und eine hierdurch bedingte Versprödung vermieden. This leads to the usual precipitation at grain boundaries and a resulting embrittlement avoided.

3) Die Umwandlung von Austenit in Martensit wird dahingehend beeinflußt, daß ein erhöhter Anteil von Massivmartensit auf Kosten von in einem mechanischen Verhalten sprödem Plattenmartensit gebildet wird.3) The transformation of austenite into martensite is influenced to the effect that that an increased proportion of solid martensite at the expense of in a mechanical Behavior brittle plate martensite is formed.

Das Betriebsverhalten von Bauteilen, insbesondere unter schwingender Beanspruchung, wird im wesentlichen durch dessen Oberflächenbeschaffenheit bestimmt. Die Oberfläachenkristallite eines Vielkristalles nehmen bezüglich ihres mechanischen Verhaltens eine Sonderstellung ein, indem sie nur zum einen Halbraum von Korngrenzen umgeben sind.The operating behavior of components, especially under vibrating Stress is essentially determined by its surface properties. The surface crystallites of a polycrystalline decrease with regard to their mechanical Behavior a special position, in that they only have a half-space of grain boundaries are surrounded.

An der freien Oberfläche besteht also keine Gleitbehinderung.There is therefore no hindrance to sliding on the free surface.

Deshalb weisen die Oberflächenschichten gegenüber dem Volumenkörper z.B. eine verminderte Streckgrenze und ein vermindertes Verfestigungsverhalten bei plastischer Verformung auf und es liegt bei schwingender Beanspruchung der Ausgangspunkt von Ermüdungsanrissen fast ausschließlich in der Oberflächenschicht unter Bildung ihrer Vorstufe, der sog.Therefore, the surface layers face towards the solid E.g. a reduced yield strength and a reduced hardening behavior plastic deformation and it is the starting point for oscillating loads of fatigue cracks almost exclusively in the surface layer with formation their preliminary stage, the so-called

F-Bänder. Werkstoffinhomogenitäten, z . B. nichtmetallische Einschlüsse, sind dabei oft Anlaß für die Bildung der Ermüdungsanrisse.F bands. Material inhomogeneities, e.g. B. non-metallic inclusions, are often the reason for the formation of fatigue cracks.

Oberflächenbehandlungsverfahren zielen darauf ab, diese nachteilige Sonderstellung der Oberflächenschichten zu beseitigen. Bei Stählen sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt, die den Oberflächenschichten höhere Festigkeiten verleihen, wie Nitrieren, Karbonitrieren, Einsatzhärten, Flamm- oder Induktionshärten, Chromieren, Borieren, Beschichten nach verschiedenen Verfahren. Nicht verbessert wird hiermit allerdings die Zähigkeit der Oberflächenschichten, im Gegenteil, die Erzeugung hochfester Oberflächenschichten ist mit einer Einbuße an Zähigkeit verbunden, was die Rißanfälligkeit ungünstig beeinflußt.Surface treatment processes aim to counteract this adverse Eliminate the special position of the surface layers. There are a large number of steels known from processes that give the surface layers higher strength, such as nitriding, carbonitriding, case hardening, flame or induction hardening, chrome plating, Boriding, coating by various methods. This does not improve however, the toughness of the surface layers, on the contrary, the production of high strength Surface layers are associated with a loss of toughness, which makes them more susceptible to cracking adversely affected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die thermomechanische Behandlung zur Verbesserung der mechanischen Festigkeitseigenschaftenauch bei solchen Werkstücken zu ermöglichen, die schon vor die Wärmebehandlung ihre endgültige Grundform erhalten haben, und bei denen deshalb keine Verformung des gesamten Querschnittes nach der Erwärmung zulässig ist.The invention is based on the object of thermomechanical treatment to improve the mechanical strength properties of such workpieces as well to allow, which receive their final basic shape before the heat treatment have, and therefore no deformation of the entire cross-section after the Warming is permissible.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved according to the invention by the characterizing Features of claim 1. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf den folgenden Überlegungen: Die Erzeugung von Oberflächenschichten mit sowohl höherer Festigkeit als auch höherer Zähigkeit wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine thermomechanische Ober flächenbehandlung vorgenommen wird. Die Behandlung erfolgt derart, daß die Oberfläche eines endbearbeiteten Bauteiles auf Temperaturen oberhalb A3 (bzw. bei der Anwendung der NTMB auf Temperaturen zwischen A1 und Ms) erhitzt wird und gleichzeitig in erhitztem Zustand kalter festigt wird. Das Werkstück insgesamt erfährt dabei keine Gestaltsänderung. Die Erhitzung kann entweder unter Strahlungseinwirkung hoher Intensität erfolgen (z.B. Laser, Elektronenstrahl) oder durch Flamme oder auf induktivem Welle, In erhitztem Zustand erfolgt eine "Kaltverfestigung" derart, daß das Bauteil entweder kugelgestrahlt (shot peening) oder gewalzt bzw. gerollt wird. Es können hierbei die gebräuchlichen Kugelstrahlanlagen oder Glatt- bzw. Festwalzmaschinen eingesetzt werden. Im Anschluß an die Verfestigungsbearbeitung bei hoher Temperatur erfolgt die Härtung in gewohnter Weise durch Abschrecken des Bauteiles in Wasser oder öl oder bei Werkstoffen mit trägem Umwandlungsverhalten an Luft (Lufthärter). Eine Variante des Verfahrens besteht darin, daß auf ein Abschrecken ganz verzichtet wird, indem die Verfestigungsbehandlung mit kaltem Werkzeug solange fortgesetzt wird bis die Abkühlung unterhalb M5 fortgeschritten ist. Unter kaltem Werkzeug ist hierbei zu verstehen, daß das bearbeitende Werkzeug, d.h.The method according to the invention is based on the following considerations: The creation of surface layers with both higher strength and higher strength Toughness is achieved according to the invention that a thermomechanical upper surface treatment is carried out. The treatment is carried out in such a way that the surface of a finished component to temperatures above A3 (or when using the NTMB is heated to temperatures between A1 and Ms) and at the same time in heated Condition is consolidated when it is cold. The workpiece as a whole does not experience any change in shape. The heating can either take place under the action of high intensity radiation (e.g. laser, electron beam) or by flame or on inductive wave, in heated In the state, "work hardening" takes place in such a way that the component is either shot-peened (shot peening) or rolled or rolled. The usual Shot peening systems or burnishing or deep rolling machines can be used. In connection Hardening takes place in the usual way after the hardening process at high temperature Way by quenching the component in water or oil or with materials sluggish transformation behavior in air (air hardener). A variant of the process consists in that quenching is completely dispensed with by the solidification treatment with a cold tool it is continued until the cooling progresses below M5 is. In this context, a cold tool is to be understood as meaning that the machining tool, i.e.

das Strahlmittel bzw. die Glatt- bzw. Festwalzrollen Raumtemperatur aufweisen oder gar gekühlt sind. Wird hierbei die Kaltbearbeitung durch Strahlen- bzw. Festwalzen beim weiteren Abkühlen fortgesetzt, dann addiert sich zu der thermomechanischen Bearbeitung (HTMB oder NTMB oder Isoforming) eine Kaltverfestigung der Oberflächenschichten.the abrasive or the burnishing or deep rolling rollers at room temperature have or are even cooled. If the cold working is done by blasting or deep rolling continued during further cooling, then adds to the thermomechanical Machining (HTMB or NTMB or isoforming) strain hardening of the surface layers.

Die dabei erzielte Oberflächenverfestigung geht in bekannter Weise mit der Bildung von Druckeigenspannungen einher, welche zu einer Erhöhung der Dauerfestigkeit des betreffenden Bauteiles führen.The surface strengthening achieved in this way is done in a known manner associated with the formation of residual compressive stresses, which lead to an increase in fatigue strength of the component in question.

Ein Kugelstrahlen als Teil der thermomechanischen Behandlung ist bei Bauteilen angebracht, welche eine komplizierte geometrische Konfiguration aufweisen. Bei rotationssymmetrischen Teilen wie Wellen, Hülsen, Ringen, Scheiben ist ein Festwalzen geeigneter. Der Anpressdruck ist gering im Vergleich zu dem beim Fest- bzw. Glattwalzen kalter Bauteile üblichen. Das Verfahren wird zweckmäßigerweise derart durchgeführt, daß die Oberfläche des rotierenden zylindrischen Werkstücks von der einen Seite (z.B. auf einer Drehbank) mechanisch verformt wird während auf der anderen Seite die Erwärmung (induktiv mittels eines Halbschaleninduktorsoder mit Flamme) erfolgt und anschließend mittels Wasser abgeschreckt wird.Shot peening as part of the thermomechanical treatment is included Components attached which have a complicated geometric configuration. In the case of rotationally symmetrical parts such as shafts, sleeves, rings and disks, deep rolling is required more suitable. The contact pressure is low compared to that of deep rolling or roller burnishing cold components usual. The method is expediently carried out in such a way that that the surface of the rotating cylindrical workpiece from one side (e.g. on a lathe) is mechanically deformed while on the other side the heating takes place (inductively by means of a half-shell inductor or with a flame) and then quenched with water.

Wenn das zu behandelnde Werkstück während der thermomechanischen Oberflächenbehandlung gemäß dem Patentanspruch 9 einer Zugbeanspruchung unterworfen wird, lassen sich in der Oberflächenschicht Druckeigenspannungen erzeugen, welche die Festigkeit des Werkstücks erhöhen. Dies beruht darauf, daß die Festigkeit ton Bauteilen erhöht werden kann, wenn in bestimmten Probenbereichen Eigenspannungen derart eingebracht werden t daB diese nach Vorzeichen und Richtung den Beanspruchungsspannungen entgegenwirken. Ein Beispiel hierfür ist der Spannbeton: Da die Zugfestigkeit von Beton nur 1/10 des Wertes der Druckfestigkeit beträgt, muß man bei Betonkonstruktionen eine Bewehrung mit Werkstoffen vorsehen, die hohe Zugkräfte aufzunehmen imstande sind, wie dies bei Stahl im Stahlbeton der Fall ist.When the workpiece to be treated during the thermomechanical surface treatment is subjected to tensile stress according to claim 9, permit internal compressive stresses are generated in the surface layer, which reduce the strength of the workpiece. This is due to the fact that the strength of ton components increases if internal stresses are introduced in this way in certain sample areas t that these counteract the stress stresses according to their sign and direction. An example of this is prestressed concrete: Since the tensile strength of concrete is only 1/10 of the compressive strength value, concrete structures must be reinforced provide with materials that are able to withstand high tensile forces, such as this is the case with steel in reinforced concrete.

Wenn aber auch im Stahlbeton große Zugkräfte zu übertragen sind, spannt man den Stahl zum sog. "Spannbeton" vor. Während des Abbindens des Betons wird die Stahlbewehrung hohen Zugspannungen ausgesetzt. Nach dem Aushärten und Entlasten der von außen auf den Stahlbeton einwirkenden Kräfte wird der Beton in Spannbeton also unter Druckvorspannungen gesetzt. Diese wirken den im späteren Belastungsfall auftretenden Zugspannungen entegen.If, however, large tensile forces have to be transmitted in reinforced concrete, it is tense the steel is made into what is known as "prestressed concrete". While the concrete is setting, the Steel reinforcement exposed to high tensile stresses. After hardening and relieving the forces acting on the reinforced concrete from the outside make the concrete in prestressed concrete so placed under compressive stress. These are effective in the later case of stress counteract any tensile stresses that occur.

Es ist auch eine bekannte Tatsache, daß bei einer schwingenden Beanspruchung von metallischen Werkstoffen in den Oberflächenschichten vorliegende Druckspannungen sich auf die Dauerfestigkeit günstig auswirken. Bei vielen Oberflä chenbehandlungsverfahren, z . beLm Einsatzhärten, Nitrieren, Flammhärten von Stahlproben treten solche Druckeigenspannungen auf, wenn auch das primäre Ziel dieser Behandlungsverfahren eine verschleiß festere Oberflächenschicht ist. Es sind bisher aber keine Verfahren bekanntgeworden, welche das gezielte Einbringen von Eigenspannungen in die Oberflächenschichten von metallischen Bauteilen ermöglichen. Vielmehr wird stets die Auswirkung der bei einer Bearbeitung mehr oder weniger unfreiwillig entstehenden Eigenspannungen diskutiert.It is also a known fact that under an oscillating load compressive stresses present in the surface layers of metallic materials have a positive effect on fatigue strength. In many surface treatment processes, z. Such residual compressive stresses occur during case hardening, nitriding and flame hardening of steel specimens on, albeit the primary goal of this treatment method to be more wear-resistant Surface layer is. So far, however, no methods have become known which the targeted introduction of residual stresses into the surface layers of metallic Enable components. Rather, it is always the effect of a processing more or less involuntary residual stresses are discussed.

Meist kann dann eine Trennung der Auswirkung der Eigenspannungen von anderen Einflußfaktoren, wie Kaltvesfestigung, Härtegefüge und Mischkristallverfestigung nicht vorgenommen werden.In most cases, the effect of the residual stresses can then be separated from other influencing factors, such as cold hardening, Hardness structure and Solid solution strengthening cannot be carried out.

Erfindungsgemäß ist aber erkannt worden, daß Druckeigenspannungen in die Oberfläche eines Bauteiles gezielt eingebracht werden können, wenn das Bauteil während der Oberflächen-Behandlung, d.h. im Fall einer HTMB oder einer NTMB während der Erhitzungsphase und während der erfolgenden mechanischen Oberflächenbearbeitung durch Glatt- bzw.According to the invention, however, it has been recognized that internal compressive stresses can be introduced into the surface of a component in a targeted manner if the component during the surface treatment, i.e. in the case of an HTMB or an NTMB during the heating phase and during the subsequent mechanical surface treatment by smooth or

Festwalzen bzw. Kugelstrahlen bis zum Zeitpunkt erfolgter Abschreckung insgesamt einer mechanischen Zugbeanspruchung ausgesetzt werden, die bis zur Streckgrenze des Materiales im nicht erhitzten Restguerschnitt. reicht.Deep rolling or shot peening up to the point of quenching are exposed to a total of mechanical tensile stress up to the yield point of the material in the unheated residual cross-section. enough.

Auf diese Weise wird erreicht, daß während der Erhitzungsphase die in den Oberflächen schichten vorliegende Lastspannung abgebaut wird, da der erhitzte Werkstoff dort die Fließspannung null aufweist. Während der thermomechanischen Behandlung entstehen dann in den Oberflächenschichten verfahrensbedingt Eigenspannungen, die von solchen entgegensetzten Vorzeichens in den Kernbereichen der Probe kompensiert werden. Bei dann erfolgender Probenentlastung entstehen dann in den Oberflächenschichten zusätzliche Druckeigen-spannungen mit einem Betrag, welcher sich aus der zuvor angelegten Zugspannung 6'z und den Querscnittsanteilen von gehärteter Oberflächenschicht FM und kalter Kernschicht FK nach der Beziehung ergibt. Der am Ende vorliegende Eigenspannungszustand setzt sich also zusammen aus bearbeitungsbedingten Eigenspannungen und solchen, die durch Absetzen einer äußeren Belastung entstanden sind.In this way it is achieved that the load stress present in the surface layers is reduced during the heating phase, since the heated material has zero flow stress there. During the thermomechanical treatment, internal stresses arise in the surface layers due to the process, which are compensated for by opposing signs in the core areas of the sample. When the specimen is then relieved of stress, additional internal compressive stresses arise in the surface layers with an amount that results from the previously applied tensile stress 6'z and the cross-sectional proportions of hardened surface layer FM and cold core layer FK according to the relationship results. The residual stress state at the end is thus made up of machining-related internal stresses and those that have arisen when an external load is applied.

Zur thermomechanischen Oberflächenbehandlung einer zylindrischen Rundprobe muß diese um ihre eigene Achse rotieren, um eine über den Umfang gleichmäßige Bearbeitungsintensität zu erzielen. Eine Zugbeanspruchung kann dann über drehbar gelagerte Einspannköpfe erfolgen.For the thermomechanical surface treatment of a cylindrical round specimen this must rotate around its own axis, around a uniform processing intensity over the circumference to achieve. A tensile load can then be exerted via rotatably mounted clamping heads take place.

Es ist ebenfalls Gegenstand dieser Erfindung, daß eine derartige Erzeugung von Druckeigenspannungen in Bauteil * Oberflächenbearbeitungsverfahren angewendet werden kann.It is also an object of this invention that such production of compressive residual stresses in the component * Surface treatment process applied can be.

Wird z.B. eine zylindrische Versuchsprobe in der geschilderten Weise während des Induktivhärtens vorgespannt und die Entlastung erst nach vollständiger Abkühlung der Oberflächenschichten vorgenommen, dann entstehen zusätzlich zu den verfahrensbedingten (durch Induktivhärten bedingten) Eigen spannungen solche durch das Entlasten entstehende Eigenspannungen. Denn in erhitztem Zustand während des Härtens kann die Probenoberfläche keine Zugspannungen aufnehmen. Ihre Tragfähigkeit entwickeln die Oberflächenschichten erst wieder nach dem Abschrecken mittels der Wasserdusche, so daß nach Entlastung in der Probenoberfläche zusätzliche Druckeigenspannungen entstehen.If, for example, a cylindrical test sample is used in the manner described pretensioned during induction hardening and the relief only after complete Cooling of the surface layers made, then arise in addition to the process-related inherent stresses (caused by inductive hardening) relieving residual stresses. Because in a heated state during the When hardening, the sample surface cannot absorb any tensile stresses. Your carrying capacity the surface layers only develop again after quenching by means of the Water shower, so that additional compressive residual stresses in the sample surface after the load is released develop.

In ähnliher Weise können die während einer Kugelstrahlbehandlung oder während eines Festwalzens von Bauteilen entstehenden Druckeigenspannungen in den Oberflächenschichten zusätzlich verstärkt werden. Dies geschieht in der Weise, daß das Bauteil zunächst einer Zugbeanspruchung bis in die Nähe der Streckgrenze ausgesetzt wird. Unter Zugbeanspruchung erfolgt dann die Oberflächenbearbeitung durch Kugelstrahlen oder Festwalzen.Similarly, during a shot peening treatment or residual compressive stresses in the components during deep rolling Surface layers are additionally reinforced. This is done in such a way that the component is initially exposed to tensile stress close to the yield point will. The surface is then processed by shot peening under tensile stress or deep rolling.

Hierbei werden durch plastische Verformungsvorgänge in den Oberflächenschichten die Lastspannungen ab- und verfahrensbedingt Druckeigenspannungen aufgebaut. Die anschließend erfolgende Entlastung des Bauteiles von äußeren Kräften führt dann zu zusätzlichen Druckeigenspannungen in den Oberflächenschichten.Here, plastic deformation processes in the surface layers the load stresses are reduced and residual compressive stresses built up due to the process. the subsequent relief of the component from external forces then leads to additional internal compressive stresses in the surface layers.

* oberflächen bei einer Reihe von s6nstigen...* surfaces on a number of other ...

Es ist weiterer Gegenstand dieser Erfindung, daß das Aufbringen einer Zugspannung nicht über den gesamten Probenquerschnitt zu erfolgen hat, sondern nur an der Stelle der Probenoberfläche erfolgt, an der die Oberflächenbearbeitung vorgenommen wird. Beim Festwalzen und Kugelstrahlen einer rotierenden zylindrischen Probe kann dies derart geschehen, daß die rotierende Probe gebogen wird (wie in einem Umlaufbiegeversuch) und zur Erzeugung von Druckeigenspannungen die Bearbeitung an der auf Zug beanspruchten Seite der Probe erfolgt. Zur Erzeugung von Zugeigenspannungen erfolgt die Bearbeitung entsprechend an der auf Druck beanspruchten Seite der Probe.It is a further object of this invention that the application of a Tensile stress does not have to take place over the entire cross-section of the specimen, but only takes place at the point of the sample surface at which the surface processing is carried out will. When deep rolling and shot peening a rotating cylindrical specimen can this is done in such a way that the rotating specimen is bent (as in a rotary bending test) and for generating residual compressive stresses, machining on the one subject to tensile stress Side of the sample. Machining takes place to generate residual tensile stresses correspondingly on the side of the specimen subjected to pressure.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielsweise erläutert. Es zeigen: die Figur 1 den Verlauf einer hochtemperatur-thermomechanischen Behandlung HTMB schematisch in einem ZTU-Diagramm, die Figur 2 den Verlauf einer niedertemperatur-thermomechanischen Behandlung NTMB ebenfalls im ZTU-Diagramm, die Figur 3 und 4 eine Einrichtung zur erfindungsgemäßen thermomechanischen Behandlung eines Rotationskörpers, z.B. einer Welle, in einer Ansicht und von oben, die Figur 5 eine entsprechende Anordnung zur thermomechanischen Behandlung eines plattenförmigen Bauteils mit vorzugsweise ebener Oberfläche.In the following the invention is illustrated by way of example with reference to the figures explained. They show: FIG. 1 the course of a high-temperature thermomechanical Treatment of HTMB schematically in a ZTU diagram, FIG. 2 the course of a low-temperature thermomechanical treatment NTMB also in the ZTU diagram, the FIGS. 3 and 4 show a device for the thermomechanical treatment according to the invention of a body of revolution, e.g. a shaft, in a view and from above, the figure 5 shows a corresponding arrangement for the thermomechanical treatment of a plate-shaped Component with preferably a flat surface.

die Figur 6 eine der Einrichtung nach den Figuren 3 und 4 ähnliche Anordnung, mit der ein Rotationskörper während seiner thermomechanischen Behandlung einer Zugbeanspruchung in Langsrichtung ausgesetzt werden kann.FIG. 6 is similar to the device according to FIGS. 3 and 4 Arrangement with which a body of revolution during its thermomechanical treatment can be exposed to tensile stress in the longitudinal direction.

Zu den Figuren 1 und 2 erübrigen sich hier weitere Erläuterungen, weil die Grundlagen der HTMB und der NTMB in Verbindung mit dem ZTU-Diagramm schon oben zum Stand der Technik beschrieben wurden und dem Fachmann z.B. aus Z. Metallkunde Bd.63 (1972) H.9 S.531-541 bekannt sind.For Figures 1 and 2, no further explanations are required here, because the basics of the HTMB and the NTMB in connection with the ZTU diagram already have been described above in relation to the prior art and to the person skilled in the art, e.g. from Z. Metallkunde Vol. 63 (1972) H.9 pp.531-541 are known.

In den Figuren 3 und 4 ist mit 1 eine zu behandelnde Welle bezeichnet, die durch einen nicht dargestellten Motor in Pfeilrichtung gedreht wird (n $ 1200 U/min)O Die Beheizung der oberflächennahen Zone der Welle 1 erfolgt durch eine Induktionsspule 2. Durch ein Pyrometer 3 kann die dabei erzielte Oberflächentemperatur gemessen und geregelt werden (Temperaturbereich g750 - 1000 OC). Infolge der Drehung der Welle 1 gelangt die erhitzte Oberflächenzone in den Bereich von Druckwalzen 4, die der Erhitzungszone etwa gegenüberliegend angeordnet sind und je nach dem Erhitzungsgrad der Welle 1 an diese angepreßt oder von ihr entfernt werden können. Die Walzbereiche W sind in den ZTU-Diagrammen nach den Figuren 1 und 2 durch schematische Darstellung der Walzen angedeutet.In Figures 3 and 4, 1 denotes a shaft to be treated, which is rotated in the direction of the arrow by a motor (not shown) (n $ 1200 Rpm) O The near-surface zone of shaft 1 is heated by an induction coil 2. The surface temperature achieved can be measured by a pyrometer 3 and controlled (temperature range g750 - 1000 OC). As a result of the rotation of the Wave 1, the heated surface zone reaches the area of pressure rollers 4, which the heating zone are arranged approximately opposite and depending on the degree of heating the shaft 1 can be pressed against this or removed from it. The rolling areas W are in the ZTU diagrams according to Figures 1 and 2 by schematic representation the rollers indicated.

Nach dem oder während des Walzens wird die verformte Oberflächen zone durch eine Wasserbrause 5 abgeschreckt (Bereich A ZTU-Diagramm der Figuren 1 und 2).After or during rolling, the deformed surface zone becomes Quenched by a water shower 5 (area A ZTU diagram of Figures 1 and 2).

Die Behandlung von ebenen Oberflächen oder plattenförmigen Bauteilen erfolgt sinngemäß entsprechend den vorstehenden Angaben zu den Figuren 3 und 4. Gemäß der Figur 5 wird das zu behandelnde Bauteil 6 in Pfeilrichtung unter der Behandlungseinrichtung durchgeschoben.The treatment of flat surfaces or plate-shaped components takes place in accordance with the above information on FIGS. 3 and 4. According to FIG. 5, the component 6 to be treated is below the treatment device in the direction of the arrow pushed through.

Die Oberflächenzone wird zunächst durch die Induktionsspule 10 erhitzt, wobei die Oberflächentemperatur mittels eines Pyrometers 11 gemessen und mit der Vorschubgeschwindigkeit geregelt wird. Nach Erreichen der erforderlichen Temperatur wird die Oberflächenzone durch einen Kugelstrahler 8 mit Kugelfang 9 mechanisch verfestigt.The surface zone is first heated by the induction coil 10, wherein the surface temperature measured by means of a pyrometer 11 and with the Feed speed is regulated. After reaching the required temperature is the surface zone by a shot peening 8 with bullet trap 9 mechanically solidified.

Die Abkühlung erfolgt erfo-derlichenfalls mit der Wasserbrause 7. Bei lufthärtenden Stählen kann sie unterbleiben. Wie vorabgeschildert kann auch das Strahlmittel selbst als Kühlmedium wirken.If necessary, the cooling takes place with the water shower 7. It can be omitted in the case of air-hardening steels. As described above can also the abrasive itself act as a cooling medium.

Die Figur 6 zeigt eine Anordnung, mittels der die beschriebene thermomechanische Oberflächenbehandlung (HTMB oder NTMB) zur Erzeugung eines die Dauerfestigkeit eines Bauteiles erhöhenden Druckeigenspannungszustandes herangezogen wird.Figure 6 shows an arrangement by means of which the described thermomechanical Surface treatment (HTMB or NTMB) to produce the fatigue strength of a Component increasing compressive residual stress is used.

Die Einrichtung besteht zunächst aus den gleichen Teilen wie sie in den Figuren 3 und 4 beschrieben sind. Die rotierende Welle ist hier mit 12, die Induktionsspule mit 13 und die Druckwalze mit 16 bezeichnet. Die weiteren in den Figuren 3 und 4 dargestellten Teile (Pyrometer und Wasserdusche) sind in der Figur 6 zur Vereinfachung weggelassen. Zusätzlich weist die Welle 12 in der Figur 6 an einem Ende einen auf ihr drehbaren Spannkopf 15 auf, durch den eine Zugkraft zur Erzeugung einer Zugbeanspruchung 14 in Längsrichtung auf die Welle 12 übertragen werden kann.The device initially consists of the same parts as in Figures 3 and 4 are described. The rotating shaft is here with 12 that Induction coil designated by 13 and the pressure roller by 16. The others in the Figures 3 and 4 illustrated parts (pyrometer and water shower) are in the figure 6 omitted for simplicity. In addition, the shaft 12 in FIG one end of a rotatable on her clamping head 15, through which a tensile force to Generation of tensile stress 14 is transmitted to shaft 12 in the longitudinal direction can be.

Diese Zulgabeanspruchung wird während der thermomechanischen Behandlung bis zum Zeitpunkt nach erfolgtem Abschrecken auf die Welle oder einen anderen an ihrer Stelle eingespannten Bauteil ausgeübt. Nach Entlasten der Welle 12 von der Zugbeanspruchung werden in der thermomechanisch behandelten Oberflächenzone Druckspannungen erzeugt, die eine Erhöhung der Festigkeit und der Dauerfestigkeit bewirken.This allowable stress is during the thermomechanical treatment until the point in time after quenching has taken place on the shaft or another their place clamped component exercised. After relieving the shaft 12 from the Tensile stress results in compressive stresses in the thermomechanically treated surface zone generated, which cause an increase in strength and fatigue strength.

Die Erzeugung eines die Dauerfestigkeit eines Bauteiles erhöhenden Druckeigenspannungszustandes durch eine thermomechanische Behandlung (HTMB oder NTMB) in einer Einrichtung gemäß der Figur 6 verläuft folgendermaßen: Nach Austonitisierung des Oberflächenbereiches der rotierenden Probe, z.B. der Welle 12, durch Aufheizen mittels der Induktionsspule 13, wird die Zugbeanspruchung 14 über den auf der Welle drehbar gelagerten Spannkopf 15 auf die Welle 12 aufgebracht. Diese Zugbelastung bleibt aufurechte-halten, solange die Wellenoberfläche erhitzt, durch die Druckwalze 16 mechanisch verformt und schließlich mittels der Wasserbrause abgeschreckt wird. Erst nach völliger Abkühlung wird die Welle 12 oder sonstige Probe von der Zugspannung entlastet. Hierdurch wird in dem Oberflächenbereich der Welle eine in axialer Richtung wirkende Druckeigenspannung erzeugt.The generation of a component that increases the fatigue strength of a component Residual compressive stress state through thermomechanical treatment (HTMB or NTMB) in a device according to FIG. 6 proceeds as follows: To Tonitization of the surface area of the rotating sample, e.g. the shaft 12, by heating by means of the induction coil 13, the tensile stress 14 Applied to the shaft 12 via the clamping head 15 rotatably mounted on the shaft. This tensile load is maintained as long as the shaft surface is heated, mechanically deformed by the pressure roller 16 and finally by means of the water shower is deterred. Only after it has completely cooled down does the shaft 12 or other become Sample relieved of tensile stress. This is in the surface area of the Shaft generates a compressive residual stress acting in the axial direction.

In entsprechender Weise können auch Zugeinspannungen in Oberflächennähe erzeugt werden, indem auf das Bauteil während der thermomechanischen Behandlung eine Druckbeanspruchung aufgebracht wird, die so groß ist, daß nach ihrem Wegfall in der Oberflächen zone des Bauteils eine Zugeigenspannung verbleibt.In a corresponding manner, tensile stresses can also be applied near the surface can be generated by acting on the component during the thermomechanical treatment a compressive stress is applied which is so great that after it has been removed Residual tensile stress remains in the surface zone of the component.

Die vorstehend geschilderte Erzeugung von Druckeigenspannungen in Bauteiloberflächen kann auch in Verbindung mit einigen anderen Verfahren zum Oberflächenbehandlung angewendet werden. Wird z.B.The generation of internal compressive stresses described above in Component surfaces can also be used in conjunction with some other surface treatment methods be applied. If e.g.

in der Einrichtung nach Figur 6 auf den Einsatz der Rolle 16 verzichtet, so ergibt sich bei sonst gleichem Verfahrensablauf nur eine Induktionshärtung.in the device according to FIG. 6, the use of the roller 16 is dispensed with, this results in only induction hardening with otherwise the same process sequence.

In plastisch erhitztem Zustand kann die Oberfläche des Bauteils, z.B.. der Welle 129 keine Zugspannung aufnehmen, durch die Zugbeanspruchung 14 werden somit nur in dem nicht erhitzten Kern der Welle 12 Zugspannungen aufgebaut. Ihre Tragfähigkeit entwickeln die Oberflächenschichten erst nach dem Abschrecken mittels der Wasserbrause. Wenn die Welle dann von der äußeren Zugbeanspruchung entlastet wird, entstehen in der Oberflächenzone die erwünschten Druckeigenspannungen.In a plastically heated state, the surface of the component, e.g. the shaft 129 do not take up any tensile stress through which the tensile stress 14 will be thus only in the unheated core of the shaft 12 Tensile stress built up. The surface layers develop their load-bearing capacity only after Quenching with the water shower. If the shaft then from the external tensile stress is relieved, the desired compressive residual stresses arise in the surface zone.

Es ist aber auch möglich, auf den Einsatz der Induktionsheizspule 13 zu verzichten. Dann erfolgt eine mechanische Oberflächenverfestigung der Welle 12 durch die Walze 16 unter der Zugbelastung 14. Dabei werden die von außen entgegengebrachten Zugspannungen in der gewalzten Oberflächenzone durch plastische Verformung abgebaut, wobei durch die plastische Verformung gleichzeitig eine mechanische Verfestigung dieser Zone stattfindet. Nach Beendigung des Walzvorganges wird die Welle 12 von der Zugbeanspruchung 14 entlastet wodurch sich in dem zuvor verfestigten Oberflächenbereich Druckeigenspannungen ausbilden. Die Walze 16 kann dabei auch durch eine Einrichtung zum Kugelstrahlen ersetzt werden. In diesem Falle werden die gewöhnlich beim Kugelstrahlen in der bestrahlten Oberfläche entstehenden Druckeigenspannungen durch die während des Strahlprozesses von außen aufgebrachte Zugbeanspruchung noch verstärkt.But it is also possible to use the induction heating coil 13 to waive. The shaft is then mechanically strengthened 12 by the roller 16 under the tensile load 14. The from the outside are brought against it Tensile stresses in the rolled surface zone reduced by plastic deformation, mechanical strengthening at the same time due to the plastic deformation this zone takes place. After completion of the rolling process, the shaft 12 of the tensile stress 14 is relieved as a result of which in the previously solidified surface area Form compressive residual stresses. The roller 16 can also by a device be replaced for shot peening. In this case, they are usually used in shot peening residual compressive stresses arising in the irradiated surface due to the during the tensile stress applied externally during the blasting process is increased.

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Claims

PATENT CLAIMS 1. Method for improving strength properties the near-surface area of workpieces, especially those made of steel, by heating and rapid cooling, characterized in that in the sense of a local thermomechanical Treat only this near-surface area to a high temperature above of the transformation point in the ZTU diagram, zoBo above A3 for steels, heated and mechanically deformed in the process and cooled or quenched during or after the deformation will.

2. The method according to claim 1, characterized by such a choice the process parameters (degree of deformation and temperature profile) that in relation to A high-temperature thermomechanical treatment to improve its strength properties near the surface HTMB is effected (Figure 1).

3. The method according to claim 1, characterized by such a choice the process parameter that a low-temperature thermomechanical treatment NTMB is effected (Figure 2).

4. The method according to claim 1 to 3, characterized by such Management of the heating process of the workpiece surface that only a small depth range is covered by the heating

5. The method according to claim 4, characterized characterized in that the heating is carried out electrically by induction.

6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that the Deformation of the areas close to the surface by rolling, hammering or shot peening he follows.

7. The method according to claim 6, characterized in that the near-surface The area is cooled by the contact with the cold forming tool.

8. The method according to claim 1 to 7 for treating rotationally symmetrical Bodies, in particular shafts, tubes or rings, characterized in that the heating, shaping and cooling of the near-surface areas in solid zones takes place around the rotating body.

9. The method according to claim 1 to 8, characterized in that the workpiece during the thermomechanical treatment of the near-surface areas Subject to a total of tensile or bending stress until after cooling will.