DE4001144C1

DE4001144C1 - Case hardening of metallic workpiece - by rotating and locally heating above transformation temp. by energy beam

Info

Publication number: DE4001144C1
Application number: DE19904001144
Authority: DE
Inventors: Rudolf 7024 Filderstadt De Paasch; Gerd 7141 Schwieberdingen De Schoellkopf
Original assignee: Mercedes Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1990-01-17
Filing date: 1990-01-17
Publication date: 1990-11-15
Anticipated expiration: 2010-01-18

Abstract

The rotationally symmetrical surface regims of a metallic workpiece (1), are case-hardened by a method in which the workpiece is rotated and is locally heated to a temp. above transformation temp. by a beam (5) of energy, e.g. from and electron beam gun (12), which rapidly heats the area (17) under the beam. Peripheral speed or rotation is high enough for a ring-shaped strip (7) to be heated simultaneously and uniformly to the transformation temp. when the beam is removed, the ring is similarly uniformly quenched. The beam is moved along (16) the workpiece for continuous treatment of adjacent rings. ADVANTAGE - Uniform hardening, without soft spots.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Randschichthärten von rotationssymmetrischen Werkstücken mittels eines Energiestrah les hoher Energiedichte nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus einer Veröffentlichung in der Zeit schrift härtereitechnische Mitteilungen 27 (1972), Heft 2, Sei te 85 bis 89, insbesondere Seite 87 am Beispiel eines Kugellager ringes als bekannt unterstellt wird.The invention relates to a method for surface hardening of rotationally symmetrical workpieces using an energy beam les high energy density according to the preamble of claim 1, such as from a publication in time writing hardness technical messages 27 (1972), No. 2, Sc te 85 to 89, especially page 87 using the example of a ball bearing ringes is assumed to be known.

Dort wird am Beispiel eines Kugellagerringes das Randschicht härten mittels Elektronenstrahles erwähnt, wobei lediglich der Grund der Kugellaufrille auf eine Breite von etwa 2 mm und eine Tiefe von 0,2 mm randschichtgehärtet ist. Nachdem mit dem En ergiestrahl, selbst wenn er defokusiert ist und/oder hochfre quent oszillierend über einen gewissen Flächenbereich geführt wird, nur eine relativ kleine Fläche bestrichen werden kann und nachdem die Erwärmung des von dem Energiestrahl beaufschlagten Werkstoffes extrem rasch erfolgt, wird die Strahleinwirkungs stelle in Umfangsrichtung über den zu härtenden Oberflächenbe reich verlagert, wobei mit einem einmaligen Durchgang eine ge härtete Spur oberflächennah gelegt wird. Bei ringförmig in sich zurückkehrenden Härtespuren oder bei aneinander anschließenden Härtespuren entsteht aufgrund einer Anlaßwirkung ein weicher Zwischenbereich. Bei Kugellagern wäre eine solche weiche an laßbedingte Stoßstelle absolut schädlich. Aus diesem Grunde konnte sich das gattungsmäßig zugrundegelegte Randschicht-Härteverfahren bei Werkstücken mit großflächigen, zu härtenden Oberflächenbereichen nicht durchsetzen. Der Voll ständigkeithalber sei angemerkt, daß die Nachteile grundsätz lich sowohl für die Verwendung von Elektronenstrahlen als auch für die Verwendung von Laserstrahlen hoher Energiedichte gel ten.There is the boundary layer using the example of a ball bearing ring harden by means of electron beam mentioned, only the Because of the ball groove to a width of about 2 mm and one Is hardened to a depth of 0.2 mm. After with the En energy beam, even if it is defocused and / or highly guided oscillating over a certain area only a relatively small area can be coated and after the heating of the energy beam Material is carried out extremely quickly, the radiation effect place in the circumferential direction over the surface to be hardened richly relocated, with a single pass a ge hardened track is placed near the surface. With a ring in itself returning traces of hardness or in case of contiguous Hardness marks are softer due to a tempering effect Intermediate area. Such would be soft on ball bearings lass-related joint absolutely harmful. For this reason that could be taken as a basis Surface hardening process for workpieces with large, do not push through to hardened surface areas. The full for the sake of consistency, it should be noted that the disadvantages are fundamental Lich both for the use of electron beams as well for the use of laser beams high energy density gel ten.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundegelegte Verfahren zum Randschichthärten von rotationssymmetrischen Ober flächenbereichen dahingehend weiterzuentwickeln, daß eine in Umfangsrichtung gleichmäßig durchgehärtete Randschicht ohne anlaßbedingte Weichstellen erzielbar ist.The object of the invention is that of the generic type Process for surface hardening of rotationally symmetrical surfaces to further develop areas so that an in Circumferentially evenly hardened surface layer without occasion-related soft spots can be achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Dank einer hochtourigen Vor beibewegung der zu härtenden Oberfläche an der Strahleinwir kungsstelle wird ein in sich geschlossener ringförmiger Strei fen entlang des gesamten Umfanges annähernd gleichzeitig und gleichmäßig auf Umwandlungstemperatur erwärmt und anschließend auch annähernd gleichzeitig und gleichzeitig abgeschreckt. Auf grund dessen kann eine anlaßbedingte Weichstelle am Umfang des zu härtenden Oberflächenbereiches mit Sicherheit vermieden wer den. Sollen axial größere Partien einer rotationssymmetrischen Oberfläche randschichtgehärtet werden, so kann die Strahlein wirkungsstelle entlang der Mantellinie oder einer sonstigen erzeugenden Linie der rotationssymmetrischen, zu härtenden Oberfläche verlagert werden, so daß zügig und nacheinander un terschiedliche ringförmige Streifen gehärtet werden, die eben falls lückenlos und ansatzfrei aneinander anschließen, weil keine Abkühlungsvorgänge zwischen unmittelbar benachbarten ge härteten Streifen stattfinden. Außer einer gleichmäßig flächen deckend/durchgehenden Randschichthärte liegen weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß eine höhere Flächen leistung je Zeiteinheit beim Härten von größeren Flächen und auch eine größere Einhärtetiefe als bei bekannten Verfahren erzielbar sind.This object is achieved by the characterizing Features of claim 1 solved. Thanks to a high-speed Vor moving the surface to be hardened on the beam kungsstelle becomes a self-contained annular streak along the entire circumference approximately simultaneously and evenly heated to transition temperature and then also quenched approximately simultaneously and simultaneously. On therefore, a soft spot on the circumference of the surface area to be hardened is definitely avoided the. Are axially larger parts of a rotationally symmetrical The surface can be hardened on the site of action along the surface line or another generating line of the rotationally symmetrical, to be hardened Surface are shifted so that un quickly and consecutively Different ring-shaped strips that are hardened if seamlessly and seamlessly connect to each other because no cooling processes between immediately adjacent ge hardened strips take place. Except for an even surface opaque / continuous surface hardness are further advantages of the inventive method in that a higher area performance per unit of time when hardening larger areas and also a greater depth of hardening than in known processes are achievable.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden. Im übrigen ist das Verfahren anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbei spieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:Further expedient embodiments of the invention can Subclaims are taken. Otherwise, the procedure based on an embodiment shown in the drawings game explained below; show:

Fig. 1 eine perspektivische, auf das wesentlich verein fachte Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsge mäßen Randschicht-Härteverfahrens, Fig. 1 is a perspective, the essential-simplified apparatus for applying the surface layer erfindungsge MAESSEN-cure method,

Fig. 2 eine vergrößerte, ausschnittsweise Ansicht auf das Werkstück nach Fig. 1 in Richtung des Ener giestrahles und Fig. 2 is an enlarged, partial view of the workpiece of FIG. 1 in the direction of the energy beam and

Fig. 3 einen nochmals stark vergrößerten Querschnitt durch das Werkstück nach Fig. 1 im Bereich der Strahleinwirkungsstelle entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 2. Fig. 3 is a greatly enlarged cross section again through the workpiece according to Fig. 1 in the region of the jet impact site along the section line III-III in Fig. 2.

Bei dem in Fig. 1 vereinfacht dargestellten Verfahrensaufbau ist ein rotationssymmetrisches Werkstück 1, welches im Bereich eines rotationssymmetrischen Oberflächenbereiches 2 rand schichtgehärtet werden soll, in ein drehantreibbares Futter 13 eingespannt. Außer der Drehbewegung 14 kann das Futter auch noch eine Vorschubbewegung 16 ausüben. Radial auf die Rotati onsachse des Werkstückes ausgerichtet ist eine Strahlkanone 12 angeordnet, die einen Energiestrahl 5 hoher Energiedichte aus senden und auf das Werkstück richten kann. Es handelt sich beim dargestellten Ausführungsbeispiel um einen Elektronenstrahl, jedoch ist das Verfahren - wie gesagt - grundsätzlich auch mit tels eines Laserstrahles ausübbar. Üblicherweise ist die An ordnung innerhalb einer evakuierbaren Kammer untergebracht, so daß der Elektronenstrahl sich im Vakuum von der Strahlkanone 12 zu dem Werkstück 1 undispergiert und verlustarm ausbreiten kann. Neuerdings sind auch Strahlkanonen für energiereiche Elektro nenstrahlen bekannt, mit denen der Elektronenstrahl durch eine Öffnung in die Atmosphäre entlassen werden kann. Bei Strahlka nonen dieser Bauart kann allerdings nur ein geringer Abstand zwischen Austrittsöffnung und Werkstückoberfläche zugelassen werden, weil sonst die Dispersionsverluste in der Atmosphäre zu groß werden. Bei der Verwendung von Laserstrahlen braucht zwar kein Vakuum zwischen Strahlaustritt und Werkstückoberfläche vorgesehen zu werden, jedoch treten beim Härten von glänzenden Oberflächen erhebliche Reflexionsverluste auf, die nur durch Verwendung von Absorptionsmedien auf der Werkstückoberfläche verringert werden können. Derartige Absorptionsmedien sind je doch in ihrem Adsorptionsverhalten temperaturabhängig und be reiten im übrigen Entsorgungs- und Umweltprobleme.In the process structure shown in simplified form in FIG. 1, a rotationally symmetrical workpiece 1 , which is to be edge hardened in the region of a rotationally symmetrical surface region 2 , is clamped in a rotationally drivable chuck 13 . In addition to the rotary movement 14 , the chuck can also perform a feed movement 16 . Radially aligned with the axis of rotation of the workpiece, a beam gun 12 is arranged, which can transmit an energy beam 5 of high energy density and direct it onto the workpiece. It is in the illustrated embodiment, an electron beam, but the procedure is - as said - in principle be exerted also with means of a laser beam. Usually, the arrangement is housed within an evacuable chamber, so that the electron beam can disperse in vacuo from the beam gun 12 to the workpiece 1 and spread with little loss. Recently, beam guns for high-energy electron beams are also known, with which the electron beam can be released into the atmosphere through an opening. With jet cannons of this type, however, only a small distance between the outlet opening and the workpiece surface can be permitted, because otherwise the dispersion losses in the atmosphere would be too great. When using laser beams, it is not necessary to provide a vacuum between the beam exit and the workpiece surface, but considerable reflection losses occur when hardening shiny surfaces, which can only be reduced by using absorption media on the workpiece surface. Such absorption media are depending on the temperature of their adsorption behavior and are also used for disposal and environmental problems.

Beim Randschichthärten des rotationssymmetrischen Oberflächen bereiches 2 läßt man zunächst den Energiestrahl 5 im Bereich der Strahleinwirkungsstelle 17 auf die Oberfläche des Werk stückes 1 einwirken, wobei der Werkstoff sich oberflächennah sehr rasch erwärmt. Angestrebt wird bei einer Randschichthär tung eine möglichst rasche Erwärmung. Dies kann dadurch er reicht werden, daß das treibende Temperaturgefälle möglichst groß gemacht wird. Beispielsweise wird die Oberflächentempera tur kurz unterhalb der Schmelztemperatur bzw. - bei Stahl - bei hellgelber Glut gehalten. Dabei dringt eine Wärmefront zeitab hängig in die Tiefe t des Werkstückes ein. Wenn eine der Umwand lungstemperatur T _U entsprechende Isotherme an der Strahleinwir kungsstelle 17 die gewünschte Einhärtetiefe t _E erreicht und/ oder in diesem oberflächennahen Bereich eine gewisse Zeit lang gewirkt hat, so daß das Gefüge sich temperaturbedingt umgewan delt hat, so muß eie weitere Energiezufuhr unterbunden werden. Die erzielbare Fortschreitgeschwindigkeit der Wärmefront hängt von der Höhe des treibenden Temperaturgefälles ab. Die erforder liche Einwirkungszeit, um in den bis oberhalb der Umwandlungs temperatur erwärmten Bereich auch tatsächlich eine Umwandlung zu bewirken, hängt von der Höhe der Temperatur ab. Je höher die Temperatur in einem bestimmten Bereich oberhalb der Umwandlungs temperatur ist, um so rascher wandelt sich dieser Gefügebereich um. In jedem Fall muß in Abhängigkeit von der Höhe der Umwand lungstemperatur, von der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes, von der Energiedichte an der Strahleinwirkungsstelle und von der gewünschten Einhärtetiefe der Energiestrahl eine gewisse Zeit lang einwirken, um die gewünschte Gefügeumwandlung zu be wirken; diese Zeit entspricht der erforderlichen Strahleinwir kungszeit. Anschließend wird das thermisch umgewandelte, ober flächennah liegende Gefüge aufgrund von Wärmeabfluß in das tie ferliegende, nicht erwärmte Grundgefüge abgeschreckt und dabei das umgewandelte Gefüge gewissermaßen "eingefroren".When hardening the surface of the rotationally symmetrical surface area 2 , the energy beam 5 is first allowed to act on the surface of the workpiece 1 in the area of the beam exposure point 17 , the material heating up very quickly near the surface. The aim is to heat the surface as quickly as possible when hardening the surface layer. This can be done by making the driving temperature gradient as large as possible. For example, the surface temperature is kept just below the melting temperature or - in the case of steel - a light yellow glow. A heat front penetrates into the depth t of the workpiece depending on the time. If an isotherm corresponding to the transformation temperature T _U at the radiation action point 17 has reached the desired hardening depth t _E and / or has acted in this near-surface area for a certain time, so that the structure has changed due to temperature, then further energy supply must be prevented will. The achievable rate of progression of the heat front depends on the level of the driving temperature gradient. The required exposure time in order to actually bring about a transformation in the region heated to above the transition temperature depends on the level of the temperature. The higher the temperature in a certain area above the transition temperature, the faster this structural area changes. In any case, depending on the level of the transformation temperature, on the thermal conductivity of the material, on the energy density at the point of exposure to the beam and on the desired hardening depth of the energy beam, it must act for a certain time in order to effect the desired structural change; this time corresponds to the required radiation exposure time. Then the thermally converted, near surface structure is quenched due to heat flow into the lower lying, unheated basic structure and the converted structure is "frozen" to a certain extent.

Um nun eine in Umfangsrichtung unterbrechungsfrei gleichmäßig harte Randschicht erzeugen zu können, wird das Werkstück mit hoher Umfangsgeschwindigkeit gedreht und der zu härtende Ober flächenbereich an der Strahleinwirkungsstelle 17 vorbeibewegt. Und zwar ist die Umfangsgeschwindigkeit so hoch gewählt, daß innerhalb der für eine Erwärmung einer Randschicht mit der ge wünschten Tiefe t _E auf die Umwandlungstemperatur T _U erforder lichen Strahleinwirkungszeit eine bestimmte Umfangsstelle des Oberflächenbereiches 2 mehrmals an der Strahleinwirkungsstelle 17 vorbeibewegt wird. Dadurch wird ein in sich geschlossener ringförmiger Streifen 7 des zu härtenden Oberflächenbereiches 2 entlang seinem gesamten Umfang annähernd gleichzeitig und gleich mäßig auf Umwandlungstemperatur T _U erwärmt; der ringförmige Streifen 7 hat eine Breite b, die größenordnungsmäßig geringfü gig breiter als der Strahldurchmesser d an der Strahleinwir kungsstelle 17 ist. Aufgrund der in Umfangsrichtung gleichmäßi gen und durchgehenden Erwärmung des ringförmigen Streifens 7 auf Umwandlungstemperatur wird nach Beseitigung der Strahlein wirkung dieser Streifen 7 ebenso gleichmäßig durch Wärmeabfluß in tieferliegende kalte Gefügebereiche abgeschreckt. Aufgrund dessen ist die Härte des Streifens 7 im gesamten Umfang gleich mäßig hoch; eine Anlaßstelle findet sich an keiner Umfangsstel le.In order now to be able to produce an evenly hard boundary layer in the circumferential direction without interruption, the workpiece is rotated at high peripheral speed and the surface area to be hardened is moved past the beam exposure point 17 . Namely, the peripheral speed is chosen so high that within a certain peripheral point of the surface area 2 is moved past the beam exposure point 17 several times within the radiation exposure time required for heating an edge layer with the desired depth t _E to the transition temperature T _U. As a result, a self-contained annular strip 7 of the surface region 2 to be hardened is heated approximately simultaneously and uniformly to the transition temperature T _U along its entire circumference; the annular strip 7 has a width b which is of the order of magnitude slightly wider than the beam diameter d at the beam effect point 17 . Due to the circumferential uniform and continuous heating of the annular strip 7 to the transition temperature after removing the radiation effect of these strips 7 is also quenched evenly by heat flow into deep-lying cold structural areas. Because of this, the hardness of the strip 7 is uniformly high over the entire circumference; there is no starting point at any circumferential position.

Die Umfangsgeschwindigkeit bei der Drehbewegung 14 des Werk stückes 1 muß - wie gesagt - relativ hoch gewählt werden. Dies hängt von verschiedenen Einflußfaktoren, zum einen von der En ergiedichte des Energiestrahles 5, zum anderen von der Wärme leitfähigkeit des Werkstückes und zum weiteren - zumindest bei geringen Einhärtetiefen - auch von der geforderten Einhärtetie fe ab. In jedem Fall kann jedoch gesagt werden, daß die Umlauf zeit für einen vollständigen Umlauf des zu härtenden Oberflächen bereiches 2 so gering gewählt werden muß, daß selbst bei Annähe rung des Temperaturniveaus an die Umwandlungstemperatur T _U die Abkühlung der Werkstoffpartien innerhalb des Streifens 7 einem kleineren Temperaturintervall entspricht, als die beim Durch lauf durch die Strahleinwirkungsstelle 17 erzielbare Tempera turerhöhung.The peripheral speed during the rotary movement 14 of the workpiece 1 must - as I said - be chosen relatively high. This depends on various influencing factors, on the one hand on the energy density of the energy beam 5 , on the other hand on the heat conductivity of the workpiece and also - at least at low hardening depths - also on the required hardening depth fe. In any case, however, it can be said that the circulation time for a complete circulation of the surface area 2 to be hardened must be chosen so small that even when the temperature level approaches the transition temperature T _U, the cooling of the material parts within the strip 7 is smaller temperature interval corresponds turerhöhung than during passage achievable by the jet action point 17 tempera.

Es ist auch denkbar, an mehreren gleichmäßig verteilt angeord neten Umfangsstellen des ringförmigen Streifens 7 gleichzeitig jeweils einen gesonderten Energiestrahl einwirken zu lassen, so daß eine bestimmte Umfangsstelle des Streifens 7 innerhalb der erforderlichen Strahleinwirkungszeit mehrmals an den Strahlein wirkungsstellen der verschiedenen Energiestrahlen vorbeibewegt wird. Durch Verdopplung der Strahleinwirkungsstellen kann die für eine bestimmte Strahleinwirkungszeit erforderliche Drehzahl halbiert werden. Bei einer Vielfachanordnung von Strahlkanonen und einer Oszillation des Energiestrahles in Umfangsrichtung mit überlappungs- und unterbrechungsfreiem Anschluß der Strahl einwirkungsstellen kan u. U. auf eine Rotation des Werkstückes ganz verzichtet werden. Allerdings wird die Einrichtung durch die zusätzliche(n) Strahlkanone(n) entsprechend verteuert, so daß in der Regel diese Möglichkeit wohl kaum in Betracht kommt.It is also conceivable to allow a separate energy beam to act simultaneously on a plurality of uniformly distributed circumferential locations of the annular strip 7 , so that a specific circumferential location of the strip 7 is moved past the radiation impact points of the various energy beams several times within the required radiation exposure time. By doubling the radiation exposure points, the speed required for a specific radiation exposure time can be halved. In a multiple arrangement of beam guns and an oscillation of the energy beam in the circumferential direction with overlap and uninterrupted connection of the beam exposure points can u. U. a rotation of the workpiece can be completely omitted. However, the device is made correspondingly more expensive by the additional jet cannon (s), so that this possibility is hardly considered as a rule.

Im Zusammenhang mit Fig. 3 sei auf das eben Gesagte noch ein mal aus einer anderen Warte eingegangen. Fig. 3 zeigt einen gegenüber Fig. 1 bzw. gegenüber Fig. 2 stark vergrößerten Radialschnitt durch eine oberflächennahe Partie des Werkstückes im Bereich der Strahleinwirkungsstelle 17. Zugleich ist in Fig. 3 ein Diagramm mit verschiedenen Diagrammlinien, nämlich einer Temperaturkurve 3 und einer Umwandlungsfront 4 eingezeich net. Links ist die nach unten positiv bewertete Ordinatenachse des Diagrammes mit T als Temperatur und t als Tiefe eingezeich net. Der jeweils gerade unter der Strahleinwirkungsstelle 17 befindliche ringförmige Streifen 7 ist strichliert angedeutet. Das Werkstück 1 wird nach rechts in Richtung der Vorschubbewe gung 16 an der als feststehend angenommenen Strahleinwirkungs stelle 17 vorbeibewegt. Links von der Strahleinwirkungsstelle 17 ist somit noch ungehärteter und somit kalter Oberflächenbe reich, wogegen rechts von der Strahleinwirkungsstelle bereits gehärteter und trotz einer Abschreckung noch warmer Oberflächen bereich vorhanden. Demgemäß wird der linke Seitenrand des ring förmigen Streifens 7 als kalter Seitenrand 9 bezeichnet, woge gen der rechte Seitenrand als warmer Seitenrand 10 bezeichnet werden soll. Im Bereich links von dem ringförmigen Streifen 7 hat der zu härtende Oberflächenbereich die Raumtemperatur T _R, was durch den horizontal verlaufenden Ast der Temperaturkurve 3 angedeutet ist. Im Bereich der Strahleinwirkungsstelle 17 steigt die Temperaturkurve 3 bis zu dem Spitzenwert der Umwandlungstem peratur T _U steil an. Die Umwandlungsfront 4 steigt im Bereich des gerade behandelten ringförmigen Streifens 7 von Null bis auf die gewünschte Einhärtetiefe t _E an; aufgrund der anschließen den Abschreckung bleibt die Umwandlungsfront in dem bereits gehärteten Bereich konstant auf dieser Einhärtetiefe t _E stehen. In connection with FIG. 3, what has just been said will be discussed again from a different perspective. FIG. 3 shows a radial section, greatly enlarged compared to FIG. 1 or FIG. 2, through a part of the workpiece near the surface in the region of the beam exposure point 17 . At the same time, in Fig . 3 shows a diagram with various diagram lines, namely a temperature curve 3 and a conversion front 4 . On the left, the ordinate axis of the diagram, which is rated positively downwards, is shown with T as temperature and t as depth. The ring-shaped strip 7 located just below the beam action point 17 is indicated by dashed lines. The workpiece 1 is moved to the right in the direction of the feed movement 16 at the beam action position 17 assumed to be fixed. To the left of the beam exposure point 17 is thus still uncured and thus cold surface area, whereas to the right of the beam exposure point there is already a hardened surface area which is still warm despite a deterrent. Accordingly, the left side edge of the ring-shaped strip 7 is referred to as a cold side edge 9 , whereas the right side edge is to be referred to as a warm side edge 10 . In the area to the left of the annular strip 7 , the surface area to be hardened has the room temperature T _R , which is indicated by the horizontally running branch of the temperature curve 3 . In the area of the beam exposure point 17 , the temperature curve 3 rises steeply up to the peak value of the conversion temperature T _U. The conversion front 4 rises from zero to the desired hardening depth t _E in the area of the annular strip 7 just treated; due to the subsequent quenching, the transformation front remains constant at this hardening depth t _E in the already hardened area.

Entscheidend für die vorliegende Erfindung ist nun, daß diese axiale Temperaturverteilung gemäß der Temperaturkurve 3 und auch der axiale Verlauf der Umwandlungsfront 4 dank der hoch tourigen Rotation des Werkstückes 1 während der Strahleinwir kung gleichmäßig rotationssymmetrisch verteilt innerhalb des Werkstückes ausgebildet sind. Dank dieser rotationssymmetri schen Ausbildung des Temperaturprofiles und des Umwandlungs profiles kann der Oberflächenbereich 2 lückenlos und gleichmäßig gehärtet werden. Geeignete Drehzahlen liegen im Bereich von 600 bis 3000 Umdrehungen pro Minute.It is crucial for the present invention that this axial temperature distribution according to the temperature curve 3 and also the axial course of the conversion front 4 are formed evenly rotationally symmetrically distributed within the workpiece thanks to the high-speed rotation of the workpiece 1 during the radiation effect. Thanks to this rotationally symmetrical formation of the temperature profile and the conversion profile, the surface area 2 can be hardened without gaps and evenly. Suitable speeds are in the range of 600 to 3000 revolutions per minute.

In der Regel soll an einem Werkstück nicht nur ein sehr schma ler ringförmiger Streifen 7 gehärtet werden, dessen Breite b nur unwesentlich größer als der Durchmesser d des Energiestrah les 5 an der Strahleinwirkungsstelle ist. Um auch in Axialrich tung die nacheinander zu härtenden ringförmigen Streifen lücken los und homogen aneinander anschließen zu können, wird die Strahleinwirkungsstelle 17 entlang einer erzeugenden Linie 8, beispielsweise entlang einer Mantellinie eines zylindrischen Werkstückes relativ zu dem Werkstück verschoben; beim darge stellten Ausführungsbeispiel ist dies durch die Vorschubbewe gung 16 des Werkstückes an dem stillstehend angenommenen Strahleinwirkungsstelle 17 realisiert. Auf diese Weise werden zügig nacheinander unterschiedliche, konzentrisch zueinander liegende ringförmige Streifen gehärtet, die lückenlos und homo gen aneinander anschließen, weil der Härtevorgang zeitlich nicht unterbrochen ist, sondern axial kontinuierlich durch den zu härtenden Oberflächenbereich durchläuft. Auf diese Weise wird der zu härtende Oberflächenbereich 2 vollständig abge deckt. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß nicht nur zylin drische Oberflächen gehärtet werden können, sondern daß beliebig gestaltete rotationssymmetrische Oberflächenbereiche gehärtet werden können. Beispielsweise können radial stehende Bunde an einer Axialfläche oder auch Übergangsrundungen zwischen einer radialen Fläche und einer zylindrischen Fläche gehärtet werden. Auch ebene Flächen können im Bereich einer Kreisringfläche rand schichtgehärtet werden.As a rule, not only should a very narrow ring-shaped strip 7 be hardened on a workpiece, the width b of which is only slightly larger than the diameter d of the energy beam 5 at the point of exposure to the beam. In order to be able to connect the ring-shaped strips to be hardened in succession loosely and homogeneously to one another in the axial direction, the beam action point 17 is displaced relative to the workpiece along a generating line 8 , for example along a generatrix of a cylindrical workpiece; in the illustrated embodiment, this is realized by the feed movement 16 of the workpiece at the beam exposure point 17 assumed to be stationary. In this way, different, concentrically located annular strips are quickly hardened one after the other, which connect seamlessly and homogeneously to each other, because the hardening process is not interrupted in time, but runs axially continuously through the surface area to be hardened. In this way, the surface area 2 to be hardened is completely covered. In this context, it should be mentioned that not only cylindrical surfaces can be hardened, but that rotationally symmetrical surface areas of any design can be hardened. For example, radially standing collars can be hardened on an axial surface or also transitional curves between a radial surface and a cylindrical surface. Even flat surfaces can be edge hardened in the area of a circular ring surface.

Um die durch den Energiestrahl 5 zugeführte Energie besser in Umfangsrichtung des ringförmigen Streifens 7 verteilen zu kön nen und um somit eine rotationssymmetrische Ausbildung des Tem peraturprofiles gemeinsam mit der Rotationsbewegung 14 zu be günstigen, wird der Energiestrahl 5 in Umfangsrichtung der ro tierenden Oberfläche zumindest angenähert linear oszilliert - Oszillationsbewegung 15. Dadurch wird die Strahleinwirkungsstel le auf eine sich in Umfangsrichtung erstreckenden Strecke ausge dehnt, deren Länge dem Oszillationsausschlag A entspricht. Und zwar wird man einen möglichst großen Oszillationsausschlag A wählen, um den Verteilungseffekt in Umfangsrichtung möglichst voll zur Geltung kommen zu lassen. Zweckmäßigerweise kann der Oszillationsausschlag A etwa zwei Drittel des Umfangs des zu härtenden Oberflächenbereiches 2 überdecken. Eine noch größere Erstreckung des Oszillationsausschlages bringt keinen großen Vorteil mehr, weil bei einer noch stärkeren Ausdehnung der Os zillationsausschläge die Auftreffwinkel des Energiestrahles im Bereich der Auslenkungsextrema immer kleiner werden und die Energieumwandlung im Werkstück immer schlechter wird. In diesem Zusammenhang sei im übrigen auch noch einmal auf die weiter oben bereits erwähnte Möglichkeit zusätzlicher Energiestrahlen hingewiesen. Wesentlich bei der Oszillation des Energiestrahles 5 in Umlaufrichtung ist, daß die Oszillationsfrequenz des Ener giestrahles wesentlich größer als die Umlauffrequenz des rotie renden Werkstückes ist. Die Oszillationsfrequenz sollte minde stens das 50-fache der Umlauffrequenz des Werkstückes 1 betra gen, damit der Verteileffekt der Strahleinwirkung in Umfangs richtung gut zur Geltung kommt. In order to better distribute the energy supplied by the energy beam 5 in the circumferential direction of the annular strip 7 and thus to favor a rotationally symmetrical design of the temperature profile together with the rotational movement 14 , the energy beam 5 is at least approximately linear in the circumferential direction of the ro-rotating surface oscillates - oscillation movement 15 . As a result, the beam action position is extended to a circumferentially extending distance, the length of which corresponds to the oscillation deflection A. In fact, one will choose the largest possible oscillation deflection A in order to make the distribution effect in the circumferential direction come into play as fully as possible. The oscillation deflection A can expediently cover approximately two thirds of the circumference of the surface region 2 to be hardened. An even greater extension of the oscillation deflection no longer has a great advantage, because with an even greater expansion of the oscillation deflections, the angles of incidence of the energy beam in the region of the deflection extremes become ever smaller and the energy conversion in the workpiece becomes worse and worse. In this connection, it should also be pointed out once again that the possibility of additional energy beams already mentioned above. It is essential in the oscillation of the energy beam 5 in the circumferential direction that the oscillation frequency of the energy beam is substantially greater than the rotational frequency of the rotating workpiece. The oscillation frequency should be at least 50 times the rotational frequency of the workpiece 1 , so that the distribution effect of the beam in the circumferential direction comes into its own.

Wie bereits oben geschildert, weist der jeweils gerade in Be handlung befindliche ringförmige Streifen 7 einen kalten Sei tenrand 9 und einen warmen Seitenrand 10 auf, die durch das axiale "Hindurchwachsen" des Streifens 7 durch den zu härtenden Oberflächenbereich 2 bedingt sind. Um nun der Gefahr einer Über hitzung bzw. einer Übertemperierung im Bereich des warmen Sei tenrandes 10 entgegenzuwirken, wird dem ringförmigen Streifen 7 im Bereich seines kalten Seitenrandes 9 mehr Strahlenergie zu geführt als im Bereich seines warmen Seitenrandes 10. Grund sätzlich wäre dies beispielsweise durch eine unsymmetrische Verteilung der Energiedichte innerhalb des Energiestrahles 5 erreichbar, wofür es jedoch heute noch keine technischen Rea lisierungsmöglichkeiten gibt. Um gleichwohl die ungleiche Ener giezufuhr zu dem ringförmigen Streifen 7 in dem aufgezeigten Sinne zu erreichen, wird der Energiestrahl synchron zu der in Umfangsrichtung ablaufenden Oszillationsbewegung 15 zusätzlich quer dazu um einen Weg von etwa dem Einfachen bis zu einem ge ringen Vielfachen des Brennfleckdurchmessers d oszilliert. Der Energiestrahl 5 wird also auf einer Strahllaufspur 11 in der einen Richtung geführt und auf einer davon abweichenden Strahl laufspur 11′ wieder zurückgeführt; der Energiestrahl für den Rücklauf ist mit der Bezugszahl 6 gekennzeichnet. In Fig. 3 ist der Strahlversatz e zwischen dem vorlaufenden Energiestrahl 5 und dem rücklaufenden Energiestrahl 6 eingezeichnet. Die Streifenbreite b ist geringfügig größer als die Summe aus Brenn fleckdurchmesser d und Strahlversatz e, weil die in dem Brenn fleck eingetragene Strahlenergie sich oberflächennah auch in Axialrichtung ausbreitet.As already described above, the annular strip 7 currently being treated has a cold side edge 9 and a warm side edge 10 , which are caused by the axial "growth" of the strip 7 by the surface area 2 to be hardened. In order to counteract the risk of overheating or overheating in the region of the warm edge 10 , the annular strip 7 in the region of its cold side edge 9 is supplied with more radiation energy than in the region of its warm side edge 10 . In principle, this would be achievable, for example, through an asymmetrical distribution of the energy density within the energy beam 5 , for which, however, there are still no technical implementation options available today. In order to nevertheless achieve the unequal energy supply to the annular strip 7 in the sense shown, the energy beam is additionally synchronized with the oscillating movement 15 running in the circumferential direction transversely thereto by a path from approximately the simple to a small multiple of the focal spot diameter d . The energy beam 5 is thus guided on a beam track 11 in one direction and on a different beam track 11 'returned; the energy beam for the return is identified by the reference number 6 . In Fig. 3, the beam offset e between the leading energy beam 5 and the returning energy beam 6 is located. The strip width b is slightly larger than the sum of the focal spot diameter d and the beam offset e , because the beam energy entered in the focal spot also spreads axially close to the surface.

Um in dem aufgezeigten Sinn im Bereich des kalten Seitenrandes 9 mehr Strahlenergie zuführen zu können als im Bereich des war men Seitenrandes 10, ist die Strahllaufspur 11 des vorlaufenden Energiestrahles 5 näher an den kalten Seitenrand 9 herangerückt; die Strahllaufspur 11′ für den rücklaufenden Energiestrahl 6 verläuft bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel bereichsweise nahezu deckungsgleich mit der Strahllaufspur 11; lediglich in einem mittleren Abschnitt verläuft die Strahllaufspur 11′ in Richtung zum kalten Seitenrand 10 hin seitenversetzt. Das in Fig. 2 dargestellte Beispiel der beiden Strahllaufspuren 11, 11′ kann bedarfsweise beliebig verändert werden. Z. B. sind bananenförmige oder flach-dreieck-ähnliche Konturen und andere Formen denkbar und ohne weiteres realisierbar. Entsprechend dem Verhältnis der Laufzeit des Energiestrahles 5 bzw. 6 in der Nähe des kalten Seitenrandes 9 einerseits bzw. in der Nähe des warmen Seitenrandes 10 andererseits werden unterschiedliche Energiebeträge den zugehörigen Streifenbereichen zugeführt, wobei eine gleichbleibende Strahlintensität angenommen wird. Eine andere Möglichkeit einer ungleichmäßigen Energieverteilung besteht darin, die rücklaufende Strahllaufspur 11′ auf der ge samten Länge seitenversetzt zur vorlaufenden Strahllaufspur verlaufen zu lassen, dabei aber den rücklaufenden Energiestrahl 6 auf der gesamten Länge der rücklaufenden Strahllaufspur 11′ in der Energieintensität zu reduzieren. Schließlich kann auch eine unsymmetrische Energieverteilung an der Strahleinwirkungs stelle dadurch erreicht werden, daß die Verlagerungsgeschwindig keit des Brennfleckes bei der in Umfangsrichtung gerichteten Oszillationsbewegung 15 des Energiestrahles 5, 6 taktsynchron und örtlich gezielt in der Nähe des kalten Seitenrandes 9 gegen über der durchschnittlichen Geschwindigkeit zu verlangsamen und/oder nahe des warmen Seitenrandes 10 zu beschleunigen. Da rüber hinaus sind auch beliebige Kombinationen aus zwei oder drei der genannten Verfahrensweisen zur gezielten, unsymmetri schen Energiezufuhr in den Steifen 7 möglich.In order to be able to supply more beam energy in the area of the cold side edge 9 than in the area of the side edge 10 , the beam trajectory 11 of the leading energy beam 5 has moved closer to the cold side edge 9 ; the beam trajectory 11 'for the returning energy beam 6 runs in the example shown in FIG. 2 in areas almost congruent with the beam trajectory 11 ; only in a central section the beam trajectory 11 'runs in the direction of the cold side edge 10 offset. The example shown in Fig. 2 of the two beam traces 11 , 11 'can be changed as required. For example, banana-shaped or flat triangle-like contours and other shapes are conceivable and can be easily implemented. Corresponding to the ratio of the transit time of the energy beam 5 or 6 in the vicinity of the cold side edge 9 on the one hand or in the vicinity of the warm side edge 10 on the other hand, different amounts of energy are supplied to the associated strip areas, with a constant beam intensity being assumed. Another possibility of an uneven energy distribution is to allow the returning beam trace 11 'to be offset laterally along the entire length of the ge to the leading beam trace, but to reduce the returning energy beam 6 over the entire length of the returning beam trace 11 ' in the energy intensity. Finally, an unbalanced energy distribution at the radiation point can be achieved by the fact that the speed of displacement of the focal spot in the circumferential directional oscillation movement 15 of the energy beam 5 , 6 isochronously and locally targeted in the vicinity of the cold side edge 9 to slow down compared to the average speed and / or accelerate near the warm side edge 10 . In addition, any combination of two or three of the methods mentioned for the targeted, asymmetrical supply of energy in the strips 7 are also possible.

Claims

1. Method for surface hardening of metallic workpieces in a rotationally symmetrical surface area to a desired hardening depth

- in which the workpiece in the area to be hardened is heated close to above a transition temperature due to the local and temporal exposure to an energy beam of high energy density,
- After the radiation exposure time required for a thermal transformation of the structure at the radiation exposure point at the desired hardening depth, the exposure to the energy beam is eliminated,
- in which the heated and converted structure is also deterred after removal of the energy beam due to heat flow into the underlying, unheated basic structure,
- The surface area to be hardened being moved past the beam action point due to a rotation of the workpiece about the axis of symmetry of the rotationally symmetrical surface area, characterized in that the turning (rotary movement 14 ) of the surface area to be hardened ( 2 ) takes place at such a high peripheral speed, that a circumferential location of the surface region (2) repeatedly moves past and within the required beam exposure time of the beam action point (17) is thus a self-contained annular strip (7) of the surface to be hardened region (2) along its entire circumference Annae hernd simultaneously and uniformly to the transformation temperature ( T _U ) heated and then quenched simultaneously and evenly.

2. The method according to claim 1, characterized in that the round trip time for a complete circulation of the surface area to be hardened ( 2 ) is chosen so small that even when the temperature level approaches the conversion temperature ( T _U ) the inside of the annular strip ( 7 ) close to the surface, but just in the circumferential direction outside the beam exposure point ( 17 ) material parts within the non-irradiated portion of the orbital period due to heat loss and heat due to radiation only cool by a smaller temperature interval than they had previously during the passage through the Beam exposure point ( 17 ) have been heated due to the exposure to radiation.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the beam action point ( 17 ) along a generating line ( 8 ) of the rotationally symmetrical surface to be hardened ( 2 ) is displaced relative to this (feed movement 16 ) and so quickly successively different, concentric mutually lying, annular strips ( 7 ) are hardened from the surface area ( 2 ) to be hardened, which connect seamlessly and homogeneously to one another and completely cover the surface area ( 2 ) to be hardened.

4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the surface area to be hardened ( 2 ) is rotated with a number of revolutions of at least about 300 U / min or with a rotational frequency of at least about 5 U / s.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the energy beam ( 5 , 6 ) oscillates in the circumferential direction of the rotating surface region ( 2 ) (oscillation movement 15 ).

6. The method according to claim 5, characterized in that the oscillation deflections ( A ) cover at least about two thirds of the circumference of the surface area to be hardened ( 2 ).

7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the oscillation frequency of the energy beam ( 5 , 6 ) is at least 50 times the rotational frequency of the surface area to be hardened ( 2 ).

8. The method according to claim 3 and 5, characterized in that the respective under the action of the energy beam ( 5 , 6 ) standing annular strip ( 7 ) in the region of its still unhardened surface - cold - side edge ( 9 ) supplied more beam energy is, as in the area of its - warm - side edge facing the already hardened surface ( 10 ).

9. The method according to claim 8, characterized in that the energy beam ( 5 , 6 ) synchronously to the circumferential oscillating movement ( 15 ) additionally transversely by a path (e) from about the simple to a small multiple of the focal diameter ( d ) is oscillated, whereby

- The beam path ( 11 , 11 ') and thus the exposure time of the energy beam ( 5 , 6 ) formed and / or
- The energy density of the energy beam ( 5 , 6 ) at the beam impact point ( 17 ) is clocked synchronously and locally so varied and / or
- The speed of displacement of the focal spot in the circumferential direction of the oscillatory movement ( 15 ) of the energy beam ( 5 , 6 ) is synchronized in a clocked manner and locally so that the area of the cold side edge ( 9 ) of the strip ( 7 ) is supplied with more beam energy than the area the warm side edge ( 10 ).

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the energy beam ( 5 , 6 ) is an electron beam.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that - evenly on the circumference of the annular strip ( 7 ) ver shares - act several separate energy rays on the annular strip ( 7 ).