DE4241527A1 - Verfahren zum Aufhärten und ggf. Glätten von Maschinenbauteilen sowie nach diesem Verfahren hergestellten Maschinenbauteilen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufhärten und ggf. Glätten von Maschinenbauteilen mit­ tels eines eine Oberflächenaufwärmung des jeweiligen Bauteils bewirkenden Strahls, wie z. B. eines Laser­ strahls, eines Elektronenstrahls oder des Strahles einer Lichtbogenlampe. Weiterhin betrifft die vorlie­ gende Erfindung Maschinenbauteile, welche nach dem Verfahren hergestellt bzw. behandelt werden.

Es sind im Stand der Technik verschiedene Verfahren mit Maschinenbauteilen, die mit Laserstrahlen oder Elektro­ nenstrahlen behandelt werden, bekannt, um bestimmte Eigenschaften an den Oberflächen der Bauteile zu erreichen.

Beispielsweise ist das sogenannte Laserumwandlungshär­ ten bekannt. Hier wird im Grunde genommen ein Laser als energiereiche Wärmequelle zum Martensithärten verwen­ det, ohne dabei die Oberfläche der behandelten Bauteile zu schmelzen. Mit anderen Worten wird ein dem Induk­ tionshärten ähnlicher Vorgang durchgeführt. Beispiele für solche Verfahren sind den US-PS′en 4 304 978, 4 093 842 und 4 686 349 sowie der deutschen Patent­ schrift 33 43 783 zu entnehmen.

Weiterhin gibt es das Verfahren des sogenannten Laser­ umschmelzhärtens. Hier wird mittels des Laserstrahls eine geschmolzene Schicht an der Oberfläche des Bau­ teils erzeugt, welche durch rasche Erstarrung zu einem harten leduburitischen Gefüge führt. Beispiele für diese Verfahrensweise sind aus den deutschen Patent­ schriften 34 18 555 und 36 26 799 bekannt.

Eine weitere Verfahrenskategorie umfaßt das Laser­ schichteinschmelzen. Bei diesem Verfahren wird eine auf einem Substrat aufgetragene Graphitschicht in die Schicht eingeschmolzen. Beim Erstarren bzw. Abkühlen des Substrats bilden sich Karbide. Mit anderen Worten wird durch Einschmelzen des Graphits Kohlenstoff in die Schicht eingebracht, der im schmelzflüssigen Zustand sich auflöst, ein Mischkristall bildet und beim Abküh­ len mit Atomen des Substrats Cr, W, V, Mn, Fe Karbide bildet, die in Form von körniger bzw. dendritischer Ausscheidungen vorliegen, beispielsweise TiC (wenn das Substrat ein Ti-Werkstoff ist) aus dem gelösten Graphit. Ein Beispiel für diese Verfahrensweise ist der DE-OS 35 45 128 zu entnehmen.

In allen diesen Fällen wird ein Hochleistungslaser, häufig ein CO₂-Laser benutzt.

Aus der DE-OS 39 32 328 ist im übrigen ein Verfahren zur Bearbeitung von durch Reibung beanspruchten Flächen in Brennkraftmaschinen, insbesondere der Zylinderlauf­ flächen von Kolbenmotoren bekannt, wobei die Fläche gehont und zusätzlich einer Laserstrahlbehandlung unter­ zogen wird. Diese Laserstrahlbehandlung nach vorherigem Honen wird vorzugsweise durch einen gepulsten sogenann­ ten Excimer-Laser durchgeführt, wobei diese Behandlung eine Oberflächenabdampfung von Mikroriefen bei Erhal­ tung der Makroriefen (ölfördernde Honriefen) ohne gewollte Umschmelzerscheinungen verursacht. Die DE-OS 39 32 398 erwähnt eine nicht gezielt erzeugte "Haut" im Nanometerbereich (< 1 µm), d. h. in der Größen­ ordnung von 0,001 µm. Durch die extremen Abschreckraten ist sie meist übersättigt oder bereits schon amorph und deshalb eventuell hart.

Im Vergleich zu den bekannten Verfahren liegt der vor­ liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzusehen, das das Aufhär­ ten und vorzugsweise auch das gleichzeitige Mikroglät­ ten von Maschinenbauteilen, ermöglicht, welche entweder in Form eines Hartgußteils mit ledeburitischem Gefüge oder in Form eines Stahlteils mit perlitischem Gefüge vorliegen, wobei das Verfahren so durchgeführt wird, daß eine neuartige Gefügestruktur an der Oberfläche des Bauteiles erreicht wird, das nicht nur eine harte und vorzugsweise auch mikroglatte Oberfläche bietet, son­ dern auch keinerlei Nachbearbeitung erfordert, wobei aber eine eventuelle Nachbearbeitung für Sonderzwecke nicht ausgeschlossen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorge­ sehen, daß das jeweilige Bauteil, das entweder in Form eines Teils, wie z. B. ein Hartgußteil mit ledeburiti­ schem Gefüge oder in Form eines Stahlteils mit perliti­ schem Gefüge vorliegt, mit einer hohen Energiedichte behandelt wird, wobei die Oberflächenschicht bis in die Nähe der Schmelztemperatur kurzzeitig entweder kontinu­ ierlich oder durch mehrmalige Pulse erwärmt wird, so daß in einer Randschicht eine Diffusion des Kohlen­ stoffs aus den Zementitlamellen des Ledeburits bzw. des Perlits in die weichen zwischenlamellaren Ferritbe­ reiche stattfindet. Es erfolgt daher eine Erwärmung der Substratoberfläche mit ledeburitischem bzw. perliti­ schem Gefüge bis in die Nähe des Schmelzpunktes, wobei die Oberfläche zwar teigig werden kann, eine Verände­ rung der Oberflächengeometrie durch Schmelzen der Ober­ fläche jedoch nicht eintritt. Das Halten auf dieser Temperatur wird erfindungsgemäß so gewählt, daß es nicht zu einer vollständigen Auflösung vorhandener Phasenbestandteile bzw. zur Bildung eines homogenen Mischkristalls kommt.

Im Gegensatz zu den bekannten Laserumwandlungshärten, das eine martensitische Struktur an der Oberfläche des Maschinenbauteils erzeugt, wird durch die Erfindung durch gezielte Wahl der Leistungsdichte sowie der Zeit­ dauer der lokalen Aufwärmung eine nahezu geschlossene Zementitoberfläche anstelle des Perlits in Stahl und Perlitbereiche im Hartguß erzeugt. Die Wahl der Leistungsdichte und Zeitdauer der Behandlung wird weiterhin so getroffen, daß nach der lokalen Aufwärmung der Oberfläche eine Selbstabschreckung der Oberflächen­ schicht durch die Umgebungstemperatur und die innerhalb des Bauteils herrschenden Temperaturen eintritt, wobei eine Rückbildung in den ursprünglichen Phasenzustand nicht oder nur unvollständig erfolgt. Dies bedeutet, daß es bei einem perlitischen oder ledeburitischem Gefüge an der Oberfläche bzw. an der Oberflächenschicht zu einem Vermengen der Zementitsubstanz auf Kosten des stöchiometrischen Gefügeaufbaus kommt. Durch die Behand­ lung mit dem jeweiligen Arbeitsstrahl (Laser, Elektro­ nenstrahl bzw. Lichtbogenlampe) wird das eine Gefüge­ bestandteil lokal teigig bzw. es schmilzt, während die anderen Gefügebestandteile im festen Zustand verblei­ ben. Üblicherweise handelt es sich bei dem Gefügebe­ standteil, der lokal teigig wird bzw. schmilzt, um die Bereiche zwischen den großen Zementitlamellen und dem Perlit. Hier spielt das Eisen-Kohlenstoffzustandsdia­ gramm unter Berücksichtigung der Ungleichgewichtsver­ hältnisse eine entscheidende Rolle.

Die Behandlung soll so durchgeführt werden, d. h. vor allem so kurz dauern, daß sich in der Randschicht keine Homogene, z. B. austenitische Mischkristalle ausbilden können, wobei stets genügend Zementitkeime in der Rand­ schicht und im Substrat vorhanden sein müssen, so daß beim Abschrecken (Selbstabschreckung oder evtl. mit Hilfe eines Kältestrahls) stets Zementit und nicht Restaustenit gebildet wird.

Die Behandlung läßt sich so durchführen, beispielsweise mit einer gepulsten Strahlenquelle hoher Energiedichte, wie z. B. mit einem Excimer-Laser, daß ein ausgeprägtes Abdampfen (Sublimation) und Schmelzen einer dünnen Oberflächenhaut erfolgt, was zu einem ausgeprägten Mikroglätten der Oberfläche führt.

Im allgemeinen ist es sinnvoll, vor der Behandlung mit dem Strahl hoher Energiedichte, das jeweilige Bauteil wenigstens an der zu behandelnden Oberfläche zu schlei­ fen, wobei aber auch schalenhart gegossene Oberflächen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden können. Typische Anwendungsbeispiele für das vorliegen­ de Verfahren sind die Erzeugung von harten und ggf. mikroglatten Oberflächen an Nockenwellen oder Schlepp­ hebel von Verbrennungsmotoren.

Typische Werte für die verwendete Energiedichte liegen im Bereich von 2 × 10³ bis 5 × 10⁵ W/cm².

Angaben zu typischen Belichtungszeiten bzw. Behandlungs­ zeiten für die einzelnen Stellen der Oberfläche sind den weiteren Unteransprüchen bzw. den Beispielen zu entnehmen. Die Erfindung schafft daher eine berührungs­ lose, sehr schnelle Methode zum gleichzeitigen Glätten und Aufhärten von heterogenen Verschleißoberflächen metallischer Werkstoffe. Weiterhin ermöglicht es die Erfindung das Mikroglätten geschliffener Verschleißober­ flächen mit dem Aufhärten durch Zementitvermengung an gegossenen Hartgußteilen mit ledeburitischem bzw. Stahl mit perlitischem Gefüge in einer Operation zu vereini­ gen. Durch die Bildung von nahezu kompakten geschlosse­ nen Zementitoberflächen anstelle des Perlits im Stahl und Perlitbereichen im Hartguß, wird besonders die adhäsive Verschleißbeständigkeit stark verbessert. Die Erfindung weist auch folgende Vorteile auf:

• - sie ersetzt das mechanische Mikroglätten (Mikro­ finishen) von Verschleißoberflächen auf Nockenwellen und Schlepphebeln,
• - sie verringert den Einlaufverschleiß,
• - die Behandlung dauert sehr kurz, typischerweise bis zu einer halben Minute pro Nockenwelle,
• - die Methode läßt sich sehr gut in die Produktions­ linie einfügen.

Durch die Erfindung werden Maschinenbauteile, die entweder in Form eines Hartgußteils mit ledeburitischem Gefüge oder in Form eines Stahlteils mit perlitischem Gefüge vorliegen, geschaffen mit dem besonderen Kenn­ zeichen, daß eine nahezu geschlossene Zementitoberflä­ che vorliegt, wobei das Bauteil eine Oberflächenhärte oberhalb von 900 HV, vorzugsweise etwa 1100 HV aufweist und die Zementitausscheidungsdichte in den zwi­ schenlamellaren Bereichen von der Oberfläche in Rich­ tung Matrix kontinuierlich abnimmt. Das Bauteil kann beispielsweise eine Nockenwelle oder ein Schlepphebel sein, es sind aber natürlich auch viele andere denkbare Maschinenbauteile, welche erfindungsgemäß behandelt werden können.

Schließlich soll zum Ausdruck gebracht werden, daß die Behandlung grundsätzlich in der Luft durchführbar ist, wenigstens mit einem Laserstrahl oder mit einer Licht­ bogenlampe, da Oxidationsvorgänge nicht oder nicht im ausgeprägten Maße zu befürchten sind. Es kann unter Umständen nützlich sein, die Behandlung mit der gewähl­ ten Strahlart in einer ausgewählten Gasatmosphäre durch­ zuführen, um spezielle Effekte zu erreichen. Beispiels­ weise könnte die Behandlung in einer stickstoffhaltigen oder CO₂-haltigen Atmosphäre durchgeführt werden, wenn ein Nitrieren oder Aufkohlen der Oberfläche des Werk­ stücks zusätzlich erwünscht ist.

Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert, anhand von vier elektronenmikroskopischen Abbildungen und drei Ausführungsbeispielen.

Die rasterelektronenmikroskopischen Abbildungen zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine umgeschmolzene Lauf­ fläche einer Gußeisennockenwelle vor Anwendung der erfindungsgemäßen Behandlung (2580 mal vergrößert),

Fig. 2 die Oberfläche nach Fig. 1, jedoch nach zusätz­ licher erfindungsgemäßer Behandlung mit einem Excimer-Laser (2040 mal vergrößert),

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein eutektoidales Gefüge eines unbehandelten Stahls mit 0,8%C (1010 mal vergrößert und geätzt),

Fig. 4 das Gefüge aus Fig. 3 nach erfindungsgemäßer Laserbehandlung mit Schliff senkrecht zur behandelten Oberfläche bei 40000-facher Vergrößerung und geätzt.

Wie bereits oben erläutert, befaßt sich die Erfindung mit der Oberflächenbehandlung von Maschinenbauteilen mit heterogenem (über-, unter- oder -eutektischem) Gußgefüge, so wie in Fig. 1 dargestellt, bzw. mit über-, unter- oder -eutektoidalem Stahlgefüge, so wie in Fig. 3 dargestellt.

Die rasterelektronenmikroskopische Draufsicht der Fig. 1 zeigt eine WIG-umgeschmolzene Lauffläche einer Gußeisennockenwelle mit einem untereutektischem Gefüge aus Zementitlamellen und feinem Perlit. Das WIG-Um­ schmelzverfahren stellt eine mögliche, jedoch nicht zwingend erforderliche Vorbehandlung dar. In Fig. 1 sind die Zementitlamellen die großflächigen Inseln, während die Perlitbereiche die filigrane Struktur aufweisen. Ein qualitativ ähnliches Gefüge liefert auch Schalenhartguß.

Nach zusätzlicher Behandlung der Oberfläche mit einem Excimer-Laser mit einer Pulsleistungsdichte von bei­ spielsweise 40 mJ/mm², 2 Pulse, Pulsdauer 40 ns ent­ steht eine Oberflächenstruktur nach Fig. 2. Aus den Gefügebestandteilen wie im Fig. 1, d. h. aus den Zemen­ titlamellen und feinem Perlit hat sich eine nahezu geschlossene Schicht eines nichtstöchiometrischen Zemen­ tits in der Randschicht gebildet. Charakteristisch für diese Behandlung ist, daß die Oberflächenschicht bis in die Nähe der Schmelztemperatur kurzzeitig (kontinuier­ lich oder durch mehrmalige Pulse) erwärmt wird, so daß in der Randschicht eine Diffusion des Kohlenstoffs aus den Zementitlamellen des Ledeburits in die weichen zwi­ schenlamellaren Ferritbereiche stattfindet. Die Halte­ zeit auf dieser Temperatur wird so gewählt, daß es nicht zu einer vollständigen Auflösung vorhandener Phasenbestandteile und Bildung eines homogenen Misch­ kristalls kommt. Durch die darauffolgende Selbstab­ schreckung der Oberflächenschicht kann eine Rückbildung in den ursprünglichen Phasenzustand nicht oder nur unvollständig erfolgen. Es entsteht daher ein Ungleich­ gewichtzementit mit einem höheren Volumen als das ur­ sprüngliche. Bei einem perlitischen Gefüge kommt es zu einem "Vermengen" der Zementitsubstanz, wie aus Fig. 2 klar ersichtlich, auf Kosten des stöchiometrischen Gefü­ geaufbaus, verbunden mit dem Effekt einer Aufhärtung der Oberflächenschicht bis auf 1100 HV.

Die Fig. 3 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines eutektoidalen Gefüges eines Stahls mit ungefähr 0,8%C. Man sieht Ferrit als dunkle Teile der Matrix und Zementit als helle Teile der Matrix in lamel­ larer Anordnung. Nach Behandlung mit dem Excimer-Laser, wie für die Gußeisenprobe der Fig. 1, entsteht ein Gefü­ geaufbau in der Randschicht, wie in Fig. 4 dargestellt. Die ursprünglichen Zementitlamellen, welche als hellere Kerne weiterhin sichtbar sind, haben sich in einer Rand­ schicht von ungefähr 2 µm Tiefe "vermengt". Nahezu die ganze Randschicht besteht aus einem vermutlich nicht gleichgewichtigen, teils körnig ausgeschiedenem Zemen­ tit. Auch hier hat die kurzzeitige Erwärmung der Ober­ flächenschicht bis in die Nähe der Schmelztemperatur (kontinuierlich oder durch mehrmalige Pulse des Lasers) in einer Randschicht eine Diffusion des Kohlenstoffs aus den Zementitlamellen des Perlits in die weichen zwischenlamellaren Ferritbereiche bewirkt.

Die erreichte Temperatur in der Nähe der Schmelztempera­ tur muß so gewählt werden, daß es nicht zu einer voll­ ständigen Auflösung vorhandener Phasenbestandteile und Bildung eines homogenen Mischkristalls kommt. Auch hier verhindert die der Wärmebehandlung folgende Selbstab­ schreckung der Oberflächenschicht eine Rückbildung in den ursprünglichen Phasenzustand. Ebenso entsteht in diesem Beispiel ein Ungleichgewicht Zementit mit einem höheren Volumen als das ursprüngliche.

Sowohl bei dem perlitischen als auch bei dem ledeburiti­ schem Gefüge kommt es daher zu einem "Vermengen" der Zementitsubstanz auf Kosten des stöchiometrischen Gefü­ geaufbaus, verbunden mit dem Effekt einer Aufhärtung der Oberflächenschicht bis auf 1100 HV. Im günstigsten Fall wird es bei beiden Metallsorten auf der behandel­ ten Oberfläche zur Ausbildung einer sogar geschlossenen nichtstöchiometrischen Zementitschicht kommen, die eine erhebliche Verbesserung der abrasiven und besonders der adhäsiven Verschleißbeständigkeit in der Einlaufphase und im weiteren Betrieb zur Folge hat.

Von Bedeutung bei beiden Metallsorten ist auch, daß das lokale Teigigwerden bzw. Schmelzen der einen, bei gleichzeitigem Verbleiben der anderen Gefügebestand­ teile im festen Zustand möglich ist, so daß die primä­ ren Werkstückoberflächen auch nach der Behandlung form­ treu erhalten bleiben, wenn von geringer Oberflächen­ glättung infolge Abdampfen einer Oberflächenschicht abgesehen wird. Da die Behandlung nur so kurz dauert, daß sich in der Randschicht kein homogener, z. B. auste­ nitischer Mischkristall ausbilden kann, sind stets genü­ gend Zementitkeime in der Randschicht und im Substrat vorhanden, das beim Abschrecken abermals stets Zementit und nicht Restaustenit gebildet wird. Wird die Rand­ schicht mit einer gepulsten strahlenquelle, vorzugs­ weise mit einem Excimer-Laser behandelt, so wird zusätz­ lich ein starkes Abdampfen (Sublimation) und Schmelzen einer dünnen Oberflächenhaut stattfinden. Infolge des Verdampfens sowie der Oberflächenspannung der geschmol­ zenen Oberflächenhaut wird in diesem Fall ein zusätzli­ ches Mikroglätten (Entfernen der Schleifriefen, Ver­ schuppungen und des Blechmantels) stattfinden. Bei ent­ sprechender Einstellung der Laserparameter wird ein gleichzeitiges Glätten der Oberfläche und "Vermengen" des Zementits bis zur Ausbildung einer geschlossenen Schicht stattfinden.

Die Erfindung beschreibt daher eine Methode der berüh­ rungslosen Erzeugung von dünnen Verschleißschichten, hauptsächlich durch "Vermengung" der Zementitoberflä­ che. Dabei wird auch eine Verbesserung der Pitting- und Ermündungsbeständigkeit erreicht. Die Erfindung bein­ haltet gleichzeitig eine Glättung der Oberfläche. Diese Behandlung kann das mechanische Mikrofinishen erfolg­ reich ersetzen. Der Einlaufverschleiß wird durch das Glätten stark reduziert. Das Verfahren hat auch den besonderen Vorteil, daß es sich ohne weiteres in bestehenden Produktionslinien ohne großen Aufwand integrieren läßt.

Um die praktische Ausübung der Erfindung näher darzu­ stellen, werden nun einige konkrete Ausführungsbeispie­ le beschrieben:

Beispiel 1

Die geschliffene ledeburitische Nockenoberfläche einer Nockenwelle (NW) wird mit einem CO₂-Laser im CW-Betrieb (Kontinuierlicher, nicht gepulster Laserstrahl) mit einem rechteckigen Strahlquerschnitt der Größe 2 × 10 bzw. 1 × 20 mm² durch Rotation der Nockenwelle unter dem Laserstrahl behandelt. Die Breite von ca. 10 bzw. 20 mm entspricht der Nockenbreite einer NW mit 4- bzw. 2-Ventiltechnik. Die Oberflächentemperatur im Bereich Liquidus-Solidus von 1150 bis 1250°C (teigiger Zustand der Oberflächenschicht) wird mit bekannten von line" Temperaturmeßsystemen überwacht.

Die Leistungsdichte beträgt 5 × 10³ bis 10⁵ W/cm². Bei genannter Strahlquerschnittgröße wird eine Laserlei­ stung von 5 bis 8 kW benötigt. Die Rotationsgeschwin­ digkeit der Nockenwelle wird aus der Verweilzeit des Laserstrahls auf der Nockenoberfläche bestimmt. Für eine Karbidschichtdicke von 3 bis 10 µm wird eine Ver­ weilzeit (Belichtungszeit) von 0,3 bis 10 s benötigt. Wird die Behandlung im Pulsbetrieb mit einem CO₂- bzw. Nd: YAG-Laser durchgeführt, so werden mindestens um 20% geringere mittlere Leistungsdichten benötigt.

Beispiel 2

Die ledeburitische Nockenlauffläche eines schalenhart­ guß- bzw. randschichtumschmolzenen (WIG; Laser, Elektro­ nenstrahl) Schlepphebels wird zwecks Ausbildung einer dünnen, jedoch nahezu dichten karbidischen Verschleißschicht mit dem Elektronenstrahl behandelt. Der E-Strahl mit 0,1 bis 0,5 mm Strahldurchmesser ra­ stert die gesamte Nockenlauffläche auf bekannter Weise ein oder mehrmals ab. Bei mehrmaligen Abrastern der Oberfläche wird ebenfalls eine nahezu konstante, mittle­ re Temperatur der Oberfläche, die über den Liquidus nicht hinaussteigt, erhalten bleiben. Beispielsweise wird eine Ablenkungsfrequenz des E-Strahles von 100 bis 500 Hz in der Y-Achse und eine Vorschubgeschwindigkeit des Schlepphebels in X-Achse von 5 bis 60 mm/s ange­ wandt, abhängig davon, ob eine Vorwärmung des Schlepp­ hebels vorher stattgefunden hat oder nicht. Die im Beispiel benötigte Leistung der Elektronenstrahlkanone betrug 3 kW (60 V, 50 A).

Der Vorteil des Elektronenstrahls liegt in diesem Fall in der hohen Führungsgenauigkeit und Ablenkbarkeit sowie in der lokalen Wiederholbarkeit der Behandlung. Dadurch können ohne speziellen Aufwand je nach Bedarf auf einer Oberfläche Karbidschichten unterschiedlicher Dicke erzeugt werden (maßgeschneiderte Schichtdicken).

Beispiel 3

Zur Erzeugung einer dünnen Karbidschicht auf Stahlober­ flächen mit perlitisch bzw. perlitisch-ferritischem Gefüge werden Oberflächentemperaturen von 1250 bis 1450°C benötigt. Bei einem CO₂-Laser im CW-Betrieb (Kontinuierlicher Strahl) wird mit einer Laserleistungs­ dichte im Bereich 2 × 10⁴ bis 5 × 10⁵ W/cm² und im Pulsbetrieb mit einer mittleren Leistungsdichte die mindestens 20% geringer ist, gearbeitet.

Die Strahleinwirkungszeit ist vergleichbar mit der, die für ein ledeburitisches Gefüge benötigt wird (Beispiel 1). Zwar liegt hier die Liquidus-Solidus-Temperatur höher, jedoch ist auch die Diffusionsgeschwindigkeit entsprechend der Temperatur höher.

Charakteristisch für die Karbidschicht der vorliegenden Erfindung ist, daß diese auf vorhandenen verschleiß­ festen Ledeburit bzw. Perlit erzeugt wird, die Ver­ schleißbeständigkeit verbessert wird und daß die Zemen­ titausscheidungsdichte in den zwischenlamellaren Berei­ chen stets von der Oberfläche in Richtung Matrix abnimmt.

Durch die oben gemachten Beispiele und die dort genann­ ten Parameterwerte werden die Unterschiede zu den in der US-PS 4 304 978 verwendeten Parameterwerten klar, d. h. es liegt nicht nur ein unterschiedliches Bestreben vor (wie eingangs genannt, befaßt sich die US-PS mit Umwandlungshärten, das durch Martensitbildung erreicht werden), sondern führen auch die in der US-PS 4 304 978 genannten Parameterwerte nicht zufällig zu der in der vorliegenden Anmeldung angestrebten Zementitvermengung.

Die in der US-PS 4 304 978 beschriebene Leistungsdichte von 1550 bis 2480 W/cm² steht dem Wert von 5000 bis 500 000 W/cm² nach der vorliegenden Erfindung gegen­ über. Auch die in der US-PS genannten Belichtungszeiten von 0,017 bis 0,026 S sind mit den in der vorliegenden Anmeldung genannten Werten von 0,1 bis 10 s nicht ver­ gleichbar.

Werden die Parameter des gepulsten Excimer-Lasers in Betracht gezogen, liegen bei der vorliegenden Erfindung wesentlich kürzere Belichtungszeiten von 4 Pulse × 40 ns = 160 ns = 0,00000016 s vor. Auch die mittlere Leistungsdichte, beispielsweise bei einem Nd:YAG-Laser liegt bei einem Strahlquer­ schnitt von 0,5 × 0,5 cm² und einer mittleren Leistung von 500 W in der Größenordnung von 20 000 W/cm² und daher in einem gänzlich anderen Bereich als in der US-PS 4 304 978 angegeben.

Claims (25)

1. Verfahren zum Aufhärten und ggf. Glätten von Maschi­ nenbauteilen mittels eines eine Oberflächenaufwär­ mung des jeweiligen Bauteils bewirkenden Strahls wie z. B. eines Laserstrahls, eines Elektronen­ strahls oder eines Lichtbogens, dadurch gekennzeich­ net, daß das jeweilige Bauteil, welches entweder in Form eines Hartgußteils mit ledeburitischem Gefüge oder in Form eines Stahlteils mit perlitischem Gefü­ ge vorliegt mit einer hohen Energiedichte behandelt wird, wobei die Oberflächenschicht bis in die Nähe der Schmelztemperatur kurzzeitig entweder konti­ nuierlich oder durch mehrmalige Pulse erwärmt wird, so daß in einer Randschicht eine Diffusion des Koh­ lenstoffs aus den Zementitlamellen des Ledeburits bzw. des Perlits in die weichen zwischenlamellaren Ferritbereiche stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltezeit auf der Temperatur in der Nähe der Schmelztemperatur so gewählt wird, daß es nicht zu einer vollständigen Auflösung vorhandener Phasen­ bestandteile bzw. zur Bildung eines homogenen Misch­ kristalls kommt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte sowie die Zeitdauer der lokalen Aufwärmung so gewählt wird, daß eine nahezu geschlossene Zementitoberfläche anstelle des Perlits im Stahl und Perlitbereiche im Hartguß entsteht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte und Zeitdauer der Behandlung so gewählt sind, daß nach der lokalen Aufwärmung der Oberfläche durch die Umgebungstemperatur und die innerhalb des Bauteils herrschende Temperatur eine Selbstabschreckung der Oberflächenschicht eintritt, wobei eine Rückbildung in den ursprünglichen Phasenzustand nicht oder nur unvollständig erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte und Zeitdauer der Behandlung so gewählt wird, daß es bei perlitischen und ledeburitischen Gefügen an der Oberfläche bzw. in der oberflächennahen Schicht zu einem Vermengen der Zementitsubstanz auf Kosten des stöchiometrischen Gefügeaufbaus kommt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Behandlung das eine Gefügebestandteil lokal teigig wird bzw. schmilzt, während die anderen Gefügebestandteile im festen Zustand verbleiben.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Behand­ lung so kurz gewählt wird, daß in der Randschicht kein homogener, z. B. austenitischer Mischkristall ausgebildet werden kann, wobei stets genügend Ze­ mentitkeime in der Randschicht und im Substrat vor­ handen sind, so daß beim Abschrecken abermals stets Zementit und nicht Restaustenit gebildet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit einer gepulsten Strahlenquelle hoher Energiedichte wie z. B. mit einem Excimerlaser erfolgt, um zusätz­ lich ein ausgeprägtes Abdampfen (Sublimation) und Schmelzen einer dünnen Oberflächenhaut zu verur­ sachen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Behandlung mit dem Strahl hoher Leistungsdichte das jeweilige Bau­ teil wenigstens an der zu behandelnden Oberfläche geschliffen oder schalenhart gegossen wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es an Nockenwellen oder Schlepphebeln durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte vorzugsweise im Bereich 5 × 10³ bis 5 × 10⁵ W/cm² liegt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Behandlung einer Nockenwelle mit einer ledeburi­ tischen Nockenoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit einem CO₂-Laser im CW-Be­ trieb (kontinuierlicher, nicht gepulster Laser­ strahl) mit einem rechteckigen Strahlquerschnitt mit einer Größe im Bereich 3 mm × 5 mm bis 25 mm × 10 mm, vorzugsweise 2 mm × 10 mm bis 1 mm × 20 mm durchgeführt wird, wobei die Nocken­ welle während der Behandlung gedreht wird, wobei die Verweilzeit (Belichtungszeit) an jeder Stelle der behandelten Oberfläche im Bereich zwischen 0,3 bis 10 Sek. liegt, um eine Karbidschichtdicke von 3 bis 10 µm zu erreichen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserleistung im Bereich von 4 bis 12 kW liegt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach dem Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberflächentemperatur im Bereich des Liquidus-Solidus von 1150 bis 1250°C (teilweise teigiger Zustand der Oberflächenstruktur) gehalten und vorzugsweise mittels eines Temperaturmeßsystems überwacht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 bzw. nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung anstatt im CW-Betrieb im Pulsbetrieb durchgeführt wird, wobei entweder ein CO₂-Laser oder ein Nd:YAG-Laser verwendet wird, wobei die mittlere Leistungsdichte um mindestens 20% niedriger liegt als beim CW-Be­ trieb.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 zur Behandlung einer ledeburitischen Nocken­ lauffläche eines schalenhartguß- bzw. randschicht­ umschmolzenen Schlepphebels mittels eines Elektro­ nenstrahls, wobei der Elektronenstrahl einen kreis­ förmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,8 mm aufweist, der die gesamte Nockenlauf­ fläche rasterförmig einmal oder mehrmals abtastet und eine nahezu konstante mittlere Temperatur der Oberfläche erzeugt, die nicht über den Liquidus hinaussteigt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Behandlung einer ledeburitischen Nockenlauffläche eines schalenhartguß- bzw. eines randschichtum­ schmolzenen Schlepphebels mittels eines Elektronen­ strahls, wobei der Elektronenstrahl einen nahezu rechteckigen Querschnitt aufweist, der die gesamte Nockenlaufflächenbreite bzw. Gleitlagerflächen­ breite umfaßt und in Umfangsrichtung die Oberfläche kontinuierlich bzw. mehrfach schwenkend belichtet und so eine nahezu konstante mittlere Temperatur der Oberfläche erzeugt, die nicht über den Liquidus hinausgeht bzw. ihn nur in Teilbereichen örtlich begrenzt oder unwesentlich übersteigt.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektronenstrahlkanone eine Leistung von etwa 3 kW aufweist, beispielsweise 50 A bei 60 V.

19. Verfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausrichtung des Elektronen­ strahls in der Z-Achse der Strahl in einer hierzu im wesentlichen senkrechten Richtung, bspw. in Richtung der Y- oder X-Achse mit einer Ablenkungs­ frequenz von 100 bis 500 Hz über die Breite oder Länge der Nockenlauffläche des Schlepphebels abge­ lenkt wird, wobei die Nockenlaufrichtung in der jeweils anderen X- oder Y-Achsrichtung oder schräg hierzu mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 5 bis 60 mm/sec vorgeschoben wird, je nachdem, ob eine Vorwärmung des Schlepphebels vorher stattgefunden hat.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von dünnen Karbidschichten auf Stahloberflächen mit perlitisch bzw. perlitisch-ferritischem Gefüge die Oberfläche zu einer Temperatur im Bereich von 1250° bis 1450°C erwärmt wird, welche bei einem Co₂-Laser im CW-Be­ trieb (kontinuierlicher Strahl) eine Laserleistungs­ dichte im Bereich von 5 × 10³ bis 5 × 10⁵ W/cm² und im Pulsbetrieb eine mittlere Leistungsdichte, die um etwa 20% geringer ist, erzeugt wird, wobei die Strahleinwirkungszeit, d. h. Verweilzeit jeder Stel­ le der behandelten Oberfläche 0,1 bis 10 s beträgt.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zementitausschei­ dungsdichte in den zwischenlamellaren Bereichen kon­ tinuierlich von der Oberfläche in Richtung Matrix abnimmt.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit dem Strahl in einer Gasatmosphäre durchgeführt wird, bspw. in einer Gasatmosphäre, welche Stickstoff oder CO₂ enthält.

23. Maschinenbauteil, das entweder in Form eines Hart­ gußteils mit ledeburitischem Gefüge oder in Form eines Stahlteils mit perlitischem Gefüge vorliegt, insbesondere nach einem der vorgehenden Verfahren behandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem Oberflächenbereich eine nahezu geschlossene Zementitoberfläche, anstelle des Per­ lits im Stahl und Perlitbereiche im Hartguß vor­ liegt und eine Oberflächenhärte oberhalb von 900 HV, vorzugsweise etwa 1100 HV aufweist, wobei die Zementitausscheidungsdichte in den zwischenla­ mellaren Bereichen von der Oberfläche in Richtung Matrix vorzugsweise kontinuierlich abnimmt.

24. Maschinenbauteil nach Anspruch 23 in Form einer Nockenwelle.

25. Maschinenbauteil nach Anspruch 23 in Form eines Schlepphebels.