DE4431242C2 - Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Oberflächenschicht eines Werkstückes aus einem Stahlwerkstoff oder aus Gußeisen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Ver­ schleißfestigkeit der Oberflächenschicht eines Werkstückes aus einem Stahlwerkstoff oder aus Gußeisen, wobei in einem begrenzten Bereich der Werkstückoberfläche die Oberflächen­ schicht kurzzeitig aufgeschmolzen wird und Mangan und Kohlenstoff in die Schmelze einlegiert werden.

In zahlreichen Gebieten der Technik werden Oberflächen von Werkstücken einer erheblichen Verschleißbeanspruchung aus­ gesetzt. Hierzu gehören beispielhaft der Baggerbau, der Schienenbau, die Zerkleinerungstechnik von Steinen, Schutt und Metallen sowie die Gleitlagerungstechnik für Drehge­ stelle, Kupplungen und Achslagergehäuse im Schienenfahr­ zeugbau. Zur Zeit werden solche Werkstücke vorwiegend aus Manganhartstählen gefertigt. Diese Legierungen zeichnen sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit infolge einer hohen Kaltverfestigung aus, weshalb Manganhartstahl vor allem gegen Schlagbeanspruchung beständig ist.

Insbesondere aufgrund der hohen Kaltverfestigung haben Man­ ganhartstähle jedoch den Nachteil, äußerst schlecht zer­ spanbar zu sein, weswegen Werkstücke aus diesem Werkstoff in der Regel urformend oder umformend gefertigt werden müssen. Hierdurch ist die Herstellbarkeit von Werkstücken mit komplexer Geometrie stark begrenzt. Ein weiterer Nachteil des Materials ist seine geringe Abrasivbeständigkeit.

Es ist bekannt (W. König, L. Rozsnoki, F. Treppe, Standmen­ gen von Werkzeugen zur Warmumformung durch Laserbehandlung, Vortragsband zum 4. umformtechnischen Kolloquium, 1991 Darmstadt), Werkstücke zunächst aus einem leicht bearbeit­ baren Stahlwerkstoff zu fertigen und erst hiernach die Ver­ schleißfestigkeit der Werkstückoberfläche zu erhöhen, indem man lediglich in eine dünne Oberflächenschicht des Werk­ stückes Wolframkarbid einlegiert. Hierzu wird mittels eines Laserstrahls in einem begrenzten Bereich der Werkstückober­ fläche eine Schmelze erzeugt, der das Wolframkarbid zugege­ ben wird. Durch eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl kann nach und nach die gesamte Werkstückober­ fläche oder auch nur ein Teil derselben auf die beschriebene Weise gehärtet werden.

Eine mit Wolframkarbid legierte Werkstückoberfläche hat je­ doch insbesondere die Nachteile einer geringen Kaltverfe­ stigung und einer hohen Sprödigkeit und ist daher für die eingangs genannten technischen Anwendungsgebiete ungeeignet.

Aus der DE 24 58 856 A1 ist es bekannt, bei einer partiellen Oberflächenaufschmelzung eines Substratmaterials aus Stahl die Elemente Mangan, Kohlenstoff und Chrom gemeinsam einzulegieren. Die offenbarten Konzentrationen betragen höchstens 1,8 Gew.-% bei Mangan und maximal 0,47 Gew.-% bei Kohlenstoff.

Aus der DE 41 02 495 A1 ist es bekannt, in eine partiell aufgeschmolzene Werkstückoberfläche diverse intermetallische Verbindungen, Nitride, Karbide, Oxide, Phosphide und/oder Silizide einzubringen. Mangan als Zusatzstoff ist lediglich in Form von chemischen Verbindungen, nämlich Mangankarbid, -nitrid, -borid, -phosphid, -silizid oder -oxid mit einem Gehalt von über 40 Vol% offenbart. Hierdurch kann die erwünschte Kaltverfestigung der Werkstückoberfläche nicht erreicht werden.

In der EP 0 190 378 B1 ist offenbart, einer partiell aufgeschmolzenen Metalloberfläche Mangan als reduzierendes Agens zuzuführen, um damit das Einbringen von Oxiden in der Schmelze und das Entstehen von Gasen zu verhindern. Als Legierungsstoff zur Bildung einer Oberfläche mit einer hohen Kaltverfestigung ist Mangan hier nicht vorgesehen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß in der Schmelze die auf die Masse bezogene Konzentration des Mangans auf mindestens 5% und die auf die Masse bezogene Konzentration des Kohlenstoffs auf mindestens 0,5% eingestellt wird.

Durch die Zugabe der Legierungselemente Mangan und Kohlen­ stoff läßt sich die Kaltverfestigung eines Stahlwerkstoffes oder Gußeisens erhöhen. Mit einer hohen Kaltverfestigung sind die so hergestellten Werkstücke insbesondere für An­ wendungen mit hoher Schlagbeanspruchung geeignet.

Der Ausgangsstahlwerkstoff kann die Legierungsbestandteile Kohlenstoff oder Mangan schon in gewissen Mengen aufweisen. In diesem Falle sind im erfindungsgemäßen Verfahren der Schmelze dementsprechend reduzierte Mengen der Legierungs­ stoffe zuzugeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt wer­ den, daß in der Schmelze die auf die Masse bezogene Konzen­ tration des Mangans auf mindestens 8% und höchstens 16% eingestellt wird und das Konzentrationsverhältnis Man­ gan : Kohlenstoff mindestens 8 : 1 und höchstens 12 : 1 beträgt.

In der hierdurch vorgegebenen Zusammensetzung weist die Oberflächenlegierung ihre höchste Kaltverfestigung auf. Be­ züglich dieser Eigenschaften werden durchaus die Werte der konventionellen, massiv gefertigten Manganhartstähle er­ reicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt wer­ den, daß ein Metalloxid oder Metallkarbid zur Bildung einer Dispersion in die Schmelze eingebracht wird.

In der Oberflächenschicht dispergierte Teilchen ragen zum Teil aus der Werkstückoberfläche heraus. Bei einer Schleif­ beanspruchung derselben wirkt der angreifende Körper daher im wesentlichen auf die in der Matrix festsitzenden disper­ gierten Teilchen, die aufgrund ihrer hohen Härte einem Ab­ rieb an der Oberfläche entgegenwirken und somit die Abra­ sivbeständigkeit des Werkstückes erhöhen.

Hierfür hat es sich als besonders günstig erwiesen, das er­ findungsgemäße Verfahren so auszuführen, daß zur Erzeugung der Dispersion Titankarbid oder Vanadiumkarbid in einer auf die Masse bezogenen Konzentration von mindestens 5% und höchstens 20% in die Schmelze eingebracht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt wer­ den, daß als Stahlwerkstoff ein Manganhartstahl verwendet wird. Gegebenenfalls hat hiermit das Werkstück schon die gewünschte Legierungszusammensetzung, so daß lediglich die die Dispersion bildenden Zusatzstoffe der Schmelze zuge­ führt werden müssen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgeführt werden, daß die Schmelze mittels eines Laserstrahls, eines Elektro­ nenstrahls oder eines Lichtbogens erzeugt wird.

Hierdurch kann die Zufuhr der Wärmeenergie auf sehr kleine Bereiche der Werkstoffoberfläche beschränkt werden. Ein kleines Volumen der Schmelze relativ zum Gesamtvolumen des Werkstückes hat insbesondere den Vorteil, daß die zuge­ führte Wärmeenergie sehr schnell abgeführt und ohne weitere Maßnahmen der nötige Abschreckungseffekt erreicht wird.

Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausge­ führt werden, daß die Zusatzstoffe pulverförmig und unter Schutzgas über eine Düse auf die Schmelze aufgebracht wer­ den.

Mittels der Düse können die Zusatzstoffe direkt in der ge­ wünschten Menge und mit hoher örtlicher Genauigkeit der Schmelze zugeführt werden. Das Schutzgas verhindert dabei eine chemische Reaktion der Zusatzstoffe mit der Atmo­ sphäre.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer Figur beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch einen zur Durchführung des Verfah­ rens geeigneten Aufbau.

Auf eine Werkstückoberfläche 1 ist über eine Optik 2 ein Laserstrahl 3 gerichtet, der in einem begrenzten Bereich auf der Werkstückoberfläche 1 eine Schmelze 4 des Werk­ stückmaterials erzeugt. In diese Schmelze 4 werden über die Düse 5 Zusatzstoffe eingebracht. Je nach Ausgangswerkstoff des Werkstückes können dies zur Legierungsbildung Mangan und Kohlenstoff und/oder zur Bildung einer Dispersion Metalloxide oder Metallkarbide sein. Die Zusatzstoffe wer­ den pulverförmig mit Hilfe eines Transportgases auf die Schmelze 4 zugeführt. Über den Einlaß 6 an der Laseroptik 2 kann zusätzlich ein Schutzgas in die Zone der Oberflächen­ behandlung eingebracht werden.

Während der beschriebene Prozeß der Legierungs- bzw. Dispersionsbildung abläuft, wird die Werkstückoberfläche 1 z. B. in Richtung des Pfeiles 7 relativ zur Laseroptik 2 bzw. zur Düse 5 bewegt. Auf diese Weise entsteht ein ausge­ dehnter in der beschriebenen Art und Weise behandelter Be­ reich 8 der Werkstückoberfläche 1.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Oberflächenschicht eines Werkstückes aus einem Stahlwerkstoff oder aus Gußeisen, wobei in einem begrenzten Bereich der Werkstückoberfläche (1) die Oberflächenschicht kurzzeitig aufgeschmolzen wird und Mangan und Kohlenstoff in die Schmelze (4) einlegiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schmelze (4) die auf die Masse bezogene Konzentration des Mangans auf mindestens 5% und die auf die Masse bezogene Konzentration des Kohlenstoffs auf mindestens 0,5% eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Schmelze (4) die auf die Masse bezogene Konzentration des Mangans auf mindestens 8% und höchstens 16% eingestellt wird und das Konzentrationsverhältnis Man­ gan : Kohlenstoff mindestens 8 : 1 und höchstens 12 : 1 beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zusätzlich ein Metalloxid oder Metallkarbid zur Bildung einer Dispersion in die Schmelze (4) eingebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Erzeugung der Dispersion Titankarbid oder Va­ nadiumkarbid in einer auf die Masse bezogenen Konzentration von mindestens 5% und höchstens 30% in die Schmelze (4) eingebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Stahlwerkstoff ein Manganhartstahl ver­ wendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze (4) mittels eines Laserstrahls (3), eines Elektronenstrahls oder eines Licht­ bogens erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzstoffe pulverförmig und unter Schutzgas über eine Düse (5) auf die Schmelze (4) aufgebracht werden.