DE4309870A1

DE4309870A1 - Verfahren zum Umschmelzen von Oberflächenbereichen von Werkstücken

Info

Publication number: DE4309870A1
Application number: DE4309870A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Heck; Rolf Dr Ing Zenker; Norbert Dipl Ing Frenkler; Klaus Dipl Phys Schaedlich
Original assignee: SAECHSISCHE ELEKTRONENSTRAHL G; Audi AG
Current assignee: SAECHSISCHE ELEKTRONENSTRAHL G; Audi AG
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1994-09-29
Also published as: EP0617134B1; DE59408379D1; EP0617134A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschmelzen von Oberflächen bereichen von Werkstücken aus Gußeisen mit lamellaren, kugeligen oder anderen Graphitausscheidungen, deren Oberfläche eine beliebige Form und Geometrie aufweist. Durch den Umschmelzprozeß mittels Energie strahl, vorzugsweise Elektronenstrahl, werden die Oberflächeneigen schaften wie Verschleißfestigkeit verbessert. Eine bevorzugte Anwen dung ist das Härten der Laufflächen von Nockenwellen.

Es sind verschiedene Verfahren der Umschmelzbehandlung bekannt, bei welchen als Energiequelle ein Plasmastrahl, Laserstrahl oder Elektro nenstrahl verwendet wird (DE 36 26 799 A1). Die Oberflächen sind besonders bei Nockenwellen geometrisch kompliziert ausgebildet, d. h. sie sind lokal unterschiedlich gekrümmt und geneigt; sie setzen sich mitunter aus gerundeten und abgeschrägten Kanten zusammen. Beispiele für derartige Ausbildungen der Oberfläche sind Nockenwellen, Schlepp- oder Kipphebel, Kurvenscheiben, Kulissen usw.

Es ist auch bekannt, einen zweidimensional hochfrequent abgelenkten Elektronenstrahl entsprechend programmiert auf der Oberfläche zur Einwirkung zu bringen. Dabei wird dieser Prozeß in zwei Phasen unter teilt; einer Festphase und einer nachgeordneten Schmelzphase (DD 2 70 890). Dieses Verfahren gewährleistet aber nicht, selbst bei hohem apparativen Aufwand, eine porenfreie, gleichmäßige und gezielt ein stellbare Härtetiefe zu realisieren.

Es ist weiterhin bekannt, die gesamte zu behandelnde Oberfläche ent sprechend ihrer Geometrie in Einzelbereiche mit annähernd gleicher Geometrie aufzuteilen. An die Einzelbereiche wird jeweils die Bahnge schwindigkeit des Elektronenstrahls und/oder die vom Elektronenstrahl auf das Werkstück übertragene Flächenenergie in Abhängigkeit vom Auf treffwinkel des Elektronenstrahls und der zu erstellenden Umschmelz tiefe angepaßt (DE 41 30 462 A3). Diese Lösung hat den Nachteil, daß ebenfalls Qualitätsmängel durch häufig auftretende Poren nicht ver hindert werden. Es treten neben den qualitativen Mängeln auch wirt schaftliche Nachteile ein.

Auch alle Versuche mit den in oben genannten Verfahren ergänzenden Verfahrensschritten, wie Vorwärmen der zu schmelzenden Werkstückbe reiche, geschwindigkeitsgeregelter Energiezufuhr, Mehrfachüberlappen von Einzelschmelzbahnen, oszillierende Zusatzbewegung der Energie quelle, Energiedosierung durch hochfrequentes Ablenken der Energie strahlen und die Verwendung von Zusatzwerkstoffen schließen die Po renbildung nicht aus. Damit sind auch die mechanischen Eigenschaften der Werkstücke nach wie vor negativ beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Umschmel zen von Oberflächenbereichen von Werkstücken, insbesondere aus Gußei sen mit lamellaren, kugeligen oder anderen Graphitausscheidungen, mit beliebig ausgebildeter Oberfläche zu schaffen. Mit einem Energie strahl, vorzugsweise Elektronenstrahl, soll die Oberfläche partiell durch Erzeugen von Schmelzbahnen in ihren Eigenschaften definiert verändert werden. Oberflächendeformationen größer 0,4 nun sollen nicht auftreten. Die Oberfläche muß porenfrei sein. Es soll auch möglich sein, die Schmelzbahn in der Fügestelle einer Werkstoffpaarung aus gleichem oder unterschiedlichem Werkstoff auszuführen, um eine Ver bindung derselben herzustellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspru ches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Erzeugung von Schmelzzonen auf der Oberfläche des Werkstückes, besonders von Gußeisen mit hohem Kohlenstoffgehalt, verhindert die Bildung von gaseinschließenden Poren aufgrund der die Schmelze "öffnenden" Wirkung der Metalldampfkapillaren in der Längs achse des in die Oberfläche des Werkstückes eindringenden Energie strahles.

Zur Sicherung der öffnenden Wirkung der Metalldampfkapillaren hat sich gezeigt, daß sich bei einer Temperaturführung auf die Randberei che der erzeugten Schmelzbahn die Kapillaren dauerhaft stabilisieren lassen.

Die Energieübertragungsparameter werden werkstoffbezogen in Verbin dung mit der Vorwärmtemperatur und/oder der Vorschubgeschwindigkeit so gewählt, daß im Einwirkbereich bevorzugt des Elektronenstrahls unter Ausbildung einer Dampfkapillare eine Umschmelzzone mit einem Tiefen(h)-Kopfbreiten(b)-Verhältnis von mindestens

h : b = 1 : 1 mit d_s < b 2,5 mm

entsteht.

In der Umgebung der Umschmelzzone, insbesondere an der Oberfläche bis zu einem bestimmten Abstand a zu ihr, in der Größe von 0 < a b/2 vom Rand der Umschmelzzone wird dadurch ein kritischer Wert der Tempera tur nicht überschritten. Diese kritische Temperatur ist durch die Schmelztemperatur der am niedrigsten schmelzenden Bestandteile des Werkstoffes bestimmt. (Es bedeuten a die Breite des nicht umgeschmol zenen Randbereiches zu beiden Seiten der Schmelzbahn und d_s der Durchmesser des gesamten Energiestrahles.)

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich entsprechend den in den Unteransprüchen beschriebenen Ausgestaltungen die Möglichkeit, durch Einflußnahme auf die Rahmenbedingungen des Werkstoffes größere Schmelzgeschwindigkeit und damit eine größere Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bei gleicher Porenfreiheit zu erreichen. Durch Mikro schliffe quer und längst zur Schmelzbahn konnte die Porenfreiheit nachgewiesen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist darüber hinaus noch einsetzbar für das Verbinden von zwei Werkstücken. Dazu werden die Teile aus Gußei sen (z. B. GGG 60) mechanisch vorgefügt und anschließend mit einem Energiestrahl hoher Leistungsflußdichte (2,5 × 10³ W/mm²) durch Erzeu gung einer keilförmigen Schmelzbahn mit einem Tiefen-Kopfbreiten-Ver hältnis von 4 : 1 an der Fügestelle verbunden (Vorschubgeschwindigkeit 15 mm/s), wobei die Temperatur in der Umgebung der Schmelzbahn die Schmelztemperatur der am niedrigsten schmelzenden Gefügebestandteile der verwendeten Werkstoffe nicht übersteigt. Das Ergebnis ist eine poren- und rißfreie Schweißnaht mit Oberflächendeformation 0,5 mm (maximale Höhendifferenz).

An zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine in einem Werkstück eingebrachte Schmelzbahn,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein aus zwei Teilen bestehendes durch eine Schmelzbahn verbundenes Werkstück.

In Fig. 1 ist auf der Oberfläche eines Werkstückes 1 aus Grauguß mit lamellarem Graphit ein bestimmter Bereich umzuschmelzen, ohne daß Poren entstehen. Ehe der erfindungsgemäße Prozeß durchgeführt wird, wird das Werkstück 1 in üblicher Weise auf eine Temperatur von ca. 450°C erwärmt.

Anschließend wird das Werkstück 1 im Vakuum von einem abgelenkten Elektronenstrahl 2 mit einem Gesamtdurchmesser d_s = 0,5 mm beauf schlagt und dabei mit einer Vorschubgeschwindigkeit V von 17 mm/s bewegt. Die Energiedichte ED des Elektronenstrahls 2 wird auf 45 Ws/mm² und die Leistungsflußdichte P mit 2 × 10³ W/mm² eingestellt. Dadurch wird eine keilförmige Schmelzbahn 3 erzeugt, in deren Mitte sich die Dampfkapillare 4 bildet. Die Schmelzbahn 3 hat eine Tiefe (h) von 2 mm und eine Kopfbreite b von 1,5 mm, das heißt, das Tiefen- Kopfbreiten-Verhältnis beträgt 1,3 : 1.

Zu beiden Seiten der Schmelzbahn 3 bildet sich eine erwärmte Zone, in der eine Temperatur von ca. 1080°C herrscht, mit einer Breite von ca. 0,5 mm aus.

Nach der ledeburitischen Erstarrung und der nachfolgenden Fertigbear beitung des Werkstückes 1 bzw. dessen Oberfläche konnte festgestellt werden, daß das Volumen der Schmelzbahn 3 in der gesamten Tiefe b des ursprünglichen Schmelzvolumens porenfrei ist.

Ist aufgrund der Größe der zu behandelnden Oberfläche des Werkstückes 1 die Breite b einer Schmelzbahn 3 nicht ausreichend, so werden meh rere Schmelzbahnen nebeneinander eingebracht. Dabei ist der Abstand dieser voneinander so zu wählen, daß wiederum ein Abstand a als er wärmte Zone zwischen beiden Schmelzbahnen bestehen bleibt.

Ein zweites Beispiel, Fig. 2, zeigt, wie zwei Teile 1′ und 1′′ durch die Schmelzbahn 3 miteinander verbunden sind. Die Schmelzbahn 3 wird nach dem gleichen Verfahren wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrie ben in die Mitte der Fügestelle 5 gelegt. Dabei entsteht eine poren freie Verbindung durch Verschmelzen (Verschweißen) beider Teile 1′ und 1′′.

Bei den verwendeten Werkstoffen wurde darauf geachtet, daß zur Erzie lung größerer Umschmelzgeschwindigkeit bei der angestrebten Porenfrei heit Graphitausscheidungen von < 100 µm bei lamellarem Grauguß bzw. < 40 µm Kugeldurchmesser bei sphärolithischem Gußeisen verwendet wurde.

Claims

1. Verfahren zum Umschmelzen von Oberflächenbereichen von Werks tücken, insbesondere aus Gußeisen, indem Schmelzbahnen mit einem zweidimensional abgelenkten Energiestrahl, vorzugsweise Elektro nenstrahl, erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Energiestrahl eine keilförmige Schmelzzone bei Bildung einer Dampfkapillare erzeugt wird, daß dabei die Energiedichte (ED) 35 bis 200 Ws/mm², die Leistungsflußdichte (P) < 1 × 10³ W/mm², die Umschmelzvorschubgeschwindigkeit (V) < 10 mm/s und das Tiefen(h)- Breiten(b)-Verhältnis 1 : 1 gewählt werden und daß ein kritischer Wert der Temperatur in der Umgebung der Schmelzzone, der durch die Schmelztemperatur der am niedrigsten schmelzenden Gefügebestand teile bestimmt ist, insbesondere die Oberflächentemperatur, in einem Abstand (a) vom Rand der Schmelzbahn von 0 < a < b/2 nicht überschritten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzbahn mitten in die Werkstückoberfläche in den Bereich, des sen spezielle Eigenschaften verändert werden sollen, eingebracht wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzbahn über der Werkstückoberfläche mit ihrem Anfang und Ende sich überlappend eingebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzbahn in ihrem Verlauf auf der Oberfläche des Werks tückes mäander- oder wellenförmig verlaufend eingebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Schmelzbahn erzeugende Energiestrahl in einem Winkel α bis 45° zur Werkstückoberfläche zur Einwirkung gebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Werkstückes mehrere Schmelzbahnen ne beneinander eingebracht werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück vor dem Erzeugen der Schmelzbahn auf eine Tempe ratur von < 400°C erwärmt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erschmelzung von Grauguß mit lamellarem Graphit ein Werkstoff mit einer maximalen Größe der Graphitausscheidungen von 100 µm und von Gußeisen mit Kugelgraphit ein Werkstoff mit maximalem Kugeldurchmesser von 40 µm verwendet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1- 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzbahn in die Fügestelle einer Werks toffpaarung aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen zur Verbindung derselben miteinander eingebracht wird.