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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft eint Verfahren für die Behandlung durch Kugelstrahlen.
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Beschreibung
der verwandten Technik
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Es
ist herkömmlich
bekannt, dass zur Verlängerung
der Lebensdauer eines Metallprodukts eine Metallsubstanz durch Kugelstrahlen
zu behandeln ist. Es sind vielfältige
Materialien als Strahlmaterialien bekannt, die zum Kugelstrahlen
verwendet werden; unter diesen wird ein Strahlmaterial aus Gussstahl
herkömmlich
und in weitem Umfang verwendet. Dieses Strahlmaterial aus Gussstahl
kann der Metallsubstanz eine hohe Druckeigenspannung durch Erhöhen der
Strahlgeschwindigkeit verleihen. Es gab jedoch das Problem, dass
die Oberfläche
der Metallsubstanz aufgrund der hohen Strahlgeschwindigkeit eventuell
beschädigt
wird.
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Wenn
die Oberflächenhärte der
Metallsubstanz durch Wärmebehandlung
erhöht
wird, ist es schwierig, ihr eine hohe Druckeigenspannung durch die
Erhöhung
der Strahlgeschwindigkeit auf das Maximum zu verleihen. Der Grund
dafür ist,
dass das Strahlmaterial zerkleinert wird. Deshalb ist immer häufiger Strahlmaterial aus
Hartlegierung verwendet worden. (Siehe z. B. Gazette of Japanese
Patent Early publication Nr. Hei. 08-323626). Wenn Strahlmaterial
aus Hartlegierung verwendet wird, kann eine Metallsubstanz mit hoher
Oberflächenhärte mit
einer hohen Druckeigenspannung versehen werden. Dennoch bleibt in
diesem Fall das Problem bestehen, dass die Oberfläche der
Metallsubstanz manchmal beschädigt
wird.
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Eine
Behandlung, die als Doppelstrahlen bezeichnet wird, bei der eine
Metallsubstanz zunächst
mit einem Strahlmaterial mit größerem Durchmesser
und dann mit einem Strahlmaterial mit kleinerem Durchmesser behandelt
wird, ist eine allgemein angewendete Technik. Dabei gibt es jedoch
das Problem, dass zahlreiche Strahlanlagen dafür nicht geeignet sind. Es ist
ein so genanntes gemischtes Strahlen vorgeschlagen worden, bei dem
eine Metallsubstanz mit einem Strahlmaterial mit einem größeren Durchmesser
und einem Strahlmaterial mit einem kleineren Durchmesser gestrahlt
wird. Diese Technik birgt jedoch verschiedene ungelöste Probleme,
wie das Mischungsverhältnis
der beiden Strahlmaterialien, die genaue Einhaltung der Korngröße und dgl.,
so dass sie nicht zum praktischen Einsatz gelangt ist.
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Die
EP 0 962 539 A1 offenbart
ein Kugelstrahlverfahren, das ein Gemisch aus Strahlmitteln mit
verschiedenen Strahlmitteldurchmessern verwendet und das aus Metall
oder metallischem Material besteht, wie Schnellarbeitsstahl mit
einer Härte
von HV 1000 oder darüber.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese
Erfindung gemäß den Hauptansprüchen 1,
8 und 10 hat zum Ziel, die obigen Probleme zu lösen. Die Erfindung stellt ein
Verfahren für
die Behandlung durch Kugelstrahlen bereit, mit dem einer Metallsubstanz mit
einer relativ hohen Härte
sowie mit einer niedrigen Härte
eine hohe Druckeigenspannung verliehen wird und mit dem die Oberflächenrauheit
eines behandelten Artikels problemlos verringert wird. Die Erfindung
stellt ferner ein Strahlmaterial und ein Verfahren für dessen
Anwendung bereit.
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Die
Erfindung zielt darauf ab, die Probleme bei der herkömmlichen
Behandlung durch Kugelstrahlen unter dem Aspekt des Strahlmaterials
zu lösen.
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Das
Verfahren für
die Behandlung durch Kugelstrahlen gemäß der Erfindung verwendet ein
Strahlmaterial mit einer Vickers-Härte (HV) im Bereich von 900
bis 1100 und mit einem Young'schen-Modul
von 200.000 MPa im Bereich oder kleiner (mehr bevorzugt, mit einem
Young'schen-Modul
im Bereich von 50.000 bis 150.000 MPa).
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Als
Strahlmaterial können
amorphe kugelige Partikel auf Eisenbasis mit einer Vickers-Härte und
einem Young'schen
Modul in den obigen Bereichen verwendet werden.
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Eine
Substanz mit einer Vickers-Härte
von 950 oder darunter (mehr bevorzugt im Bereich von 650 bis 950)
kann der Behandlung durch Kugelstrahlen unterzogen werden.
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Die
Strahlgeschwindigkeit kann 100 m/s oder weniger (mehr bevorzugt
50 bis 70 m/s) betragen.
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Das
Strahlmaterial gemäß der Erfindung
hat eine Vickers-Härte
im Bereich von 900 bis 1100 und einen Young'schen-Modul, der 200.000 MPa oder weniger
beträgt
(vorzugsweise einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser 0,02
bis 1,5 mm).
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Bei
der Verwendung des Strahlmaterials gemäß der Erfindung für die Behandlung
durch Kugelstrahlen wird ein Strahlmaterial verwendet mit einer
Vickers-Härte
im Bereich von 900 bis 1100 und einem Young'schen-Modul von 200.000 MPa oder darunter.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Im
Rahmen der Erfindung bedeutet "Substanz" das Material oder
das aus Metall bestehende Teil, das einer Kugelstrahlbehandlung
zu unterziehen ist. Im Rahmen der Erfindung bedeutet "behandelter Artikel" die Substanz, die
der Kugelstrahlbehandlung gemäß der Erfindung
unterzogen worden ist.
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Wie
in der Erfindung verwendet, ist "Kugelstrahlen" dem Fachmann hinreichend
bekannt. Es handelt sich dabei um eine Art Kaltumformung und bedeutet
eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Substanz.
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Bezüglich des
verwendeten Strahlmaterials werden amorphe Metalle auf Eisenbasis
bereitgestellt. Von diesen sind amorphe kugelige Partikel auf Eisenbasis
als Strahlmaterial gemäß der Erfindung
bevorzugt, da sie relativ einfach und zu niedrigeren Kosten herzustellen
sind als beim herkömmlichen
Verfahren.
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Der
durchschnittliche Durchmesser der amorphen kugeligen Partikel auf
Eisenbasis ist nicht begrenzt. Wenn jedoch der durchschnittliche
Durchmesser im Bereich von 0,05 bis 0,5 mm liegt, kann das amorphe Strahlmaterial
mit einem Young'schen-Modul
von 50.000 bis 150.000 durch das Atomize- (Atomisierung) Verfahren
zu relativ niedrigeren Kosten hergestellt werden. Wenn der durchschnittliche
Durchmesser der Partikel im Bereich von 0,05 bis 0,3 mm liegt, ist
die Herstellung einfacher. Jedoch auch dann, wenn der durchschnittliche
Durchmesser der Partikel zwischen 0,02 und 1,5 mm beträgt, ist
die Herstellung immer noch möglich.
Mit größer werdendem
Partikeldurchmesser wird es zunehmend schwieriger, kugelige amorphe
Partikel herzustellen. Wenn der Durchmesser größer als 1,5 mm ist, ist eine
kugelige Form schwer herstellbar. Somit beträgt ferner der durchschnittliche
Durchmesser des erfindungsgemäß verwendeten
Strahlmaterials vorzugsweise zwischen 0,05 mm und 1,5 mm.
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Vorzugsweise
beträgt
der Eisenanteil der verwendeten amorphen kugeligen Partikel auf
Eisenbasis 45 bis 55 Gew.-%. Die verwendeten amorphen kugeligen
Partikel auf Eisenbasis können
ferner andere Metalle enthalten. Sie können z. B. Nickel, Kobalt oder
dgl. enthalten.
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Was
die erfindungsgemäß verwendete
Substanz betrifft, wird eine mit einer Vickers-Härte von 950 oder darunter vor
der Kugelstrahlbehandlung bevorzugt. Bei einer solchen Härte kann
der Substanz durch den erfindungsgemäßen Behandlungsprozess eine
hohe Druckeigenspannung und eine geringe Oberflächenrauheit verliehen werden.
Andererseits lässt
sich selbst bei einer Vickers-Härte
der Substanz von 650 oder darunter ein ähnlicher Effekt wie oben erwähnt erzielen.
Eine solche Substanz kann jedoch mit einer Eigenspannung versehen
werden, die nicht auf dem erfindungsgemäßen Verfahren basiert, sondern
indem ein Strahlmaterial eines anderen Materialtyps verwendet wird.
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Die
erfindungsgemäß verwendete
Substanz umfasst z. B. aufgekohlte Teile wie Zahnräder und
vielfältige
Formteile. Als Material dieser Teile seien z. B. SKD, SUP, SCM,
SNCM (gemäß den japanischen
Industrienormen) und dgl. genannt. Außerdem ist die Form der Substanz
nicht eingeschränkt
und auch nicht, ob sie einer Wärmebehandlung
und welchem Typ Wärmebehandlung
unterzogen wird.
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Bei
dieser Erfindung ist die Strahlgeschwindigkeit eine Größe, die
die Schleudergeschwindigkeit durch eine Reihe druckluftbetriebener
Schleuderanlagen sowie die Strahlgeschwindigkeit durch Zentrifugenschleudern
umfasst. Die Strahlgeschwindigkeit von 50 bis 70 m/s ist niedriger
als die normale Zentrifugalgeschwindigkeit beim Strahlen. Hinsichtlich
des Verfahrens zur Ausführung
der Strahlbehandlung stehen sowohl Drucktyp als auch Schwerkrafttyp
zur Auswahl. Beide Verfahren können
bei der Erfindung angewendet werden.
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Als
Beispiele für
andere Schleuderbedingungen seien ein Schleuderdruck von 0,3 MPa,
ein Schleuderabstand von 1500 mm und eine geschleuderte Menge von
4 kg/min genannt. Hierbei handelt es sich um repräsentative
Beispiele, wenn die Erfindung bei Federn angewendet wird. Für den Fachmann
versteht es sich, dass nicht beabsichtigt ist, den Gültigkeitsbereich
der Erfindung auf diese Beispiele zu beschränken.
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Wirkungen
der Erfindung
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Ein
behandelter Artikel mit einer hohen Druckeigenspannung und einer
niedrigen Obeflächenrauheit kann
erhalten werden, und die Lebensdauer eines solchen behandelten Artikels
ist lang.
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Wenn
die Substanz der Kugelstrahlbehandlung nach Anspruch 3 unterzogen
wird, hat der behandelte Artikel eine hohe Druckeigenspannung, wobei
die Oberflächenrauheit
kontrolliert unter einem konstanten Wert gehalten wird (die Weichheit
wird beibehalten), da sich die Partikel des Strahlmaterials von
den Partikeln mit Kristallgefüge
unterscheiden und da das Material einen niedrigen Modul (niedriger
Young'scher Modul)
hat. Das heißt,
obwohl die Weichheit der Oberfläche
beibehalten wird, kann eine Erhöhung
der Härte,
der Streckgrenze und der Zugfestigkeit erzielt werden.
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Da
außerdem
gemäß Anspruch
3 die Härte
der amorphen Partikel auf Eisenbasis hoch ist, kann die gewünschte Strahlbehandlung
wirksam ausgeführt
werden.
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Des
Weiteren kann gemäß Anspruch
4 bei Behandlung der Substanz mit einer Vickers-Härte von
950 oder darunter (z. B. Stahl) durch Kugelstrahlen der behandelte
Artikel auf einfache Weise mit den Eigenschaften einer maximalen
Druckeigenspannung von 1600 MPa oder darüber und einer Oberflächenrauheit
von 5 μm
oder darunter versehen werden.
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Ferner
kann gemäß Anspruch
6 selbst bei einer relativ niedrigen Strahlgeschwindigkeit der behandelte Artikel
mit den Eigenschaften einer maximalen Druckeigenspannung von 1600
MPa oder darüber
und einer Oberflächenrauheit
von 5 μm
oder darunter versehen werden. Anspruch 6 gibt somit ein Verfahren
für die
Behandlung durch Kugelstrahlen an, das dazu beiträgt, Energie
zu sparen. Gemäß der Erfindung
kann die Oberflächenrauheit
selbst bei einer hohen Strahlgeschwindigkeit verringert werden.
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Wie
aus der obigen Erläuterung
ersichtlich ist, handelt es sich bei der Erfindung um ein Verfahren
für die
Behandlung durch Kugelstrahlen, bei dem ein Strahlmaterial mit einer
Vickers-Härte
(HV) im Bereich von 900 bis 1100 und einem Young'schen Modul von 200.000 MPa oder darunter
verwendet wird. Mit diesem Verfahren wird es möglich, die Substanz mit der
Eigenschaft einer hohen Druckeigenspannung zu versehen, sogar wenn
Stahl mit hoher Härte
als die Substanz behandelt wird, während die Oberflächenrauheit
kontrolliert unter einem konstanten Wert gehalten wird.
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Wenn
die Bereitstellung einer hohen Druckeigenspannung gewünscht wird,
kann im Allgemeinen eine Substanz gewählt werden, deren Härte höher ist
als die des Strahlmaterials. Wenn jedoch Partikel mit hoher Härte aus
z. B. Hartlegierung verwendet werden, wird die Oberfläche der
Substanz, die dann zum behandelten Artikel wird, aufgrund des hohen
Moduls der Partikel stark beschädigt.
Ein amorphes Kugelstrahlmaterial hat jedoch eine hohe Härte und
einen niedrigen Modul (niedriger Young'scher Modul). Durch die Kugelstrahlbehandlung
unter Verwendung des amorphen Strahlmaterials kann die Substanz
folglich mit einer hohen Druckeigenspannung versehen werden, ohne
dass ihre Oberfläche
beschädigt
wird.
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Beispiele
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Nachstehend
werden einige Ausführungsformen
der Erfindung anhand einiger Testbeispiele erläutert.
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Testbeispiel 1
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In
Test 1 wurde die Wirkung amorpher Partikel auf Eisenbasis, die als
Strahlmaterial verwendet wurden, untersucht. Die verwendeten amorphen
Partikel auf Eisenbasis, deren Material sich zusammensetzt aus 6%
Kobalt, 25% Nickel, 5% Silizium, 3% Bor, 4% Molybdän und 57%
(Rest) Eisen, haben eine Vickers-Härte von 900 bis 1000, einen
Young'schen Modul
von 80.000 MPa und einen Partikeldurchmesser von 0,3 mm. Das verwendete
Strahlmaterial aus Hartlegierungskies bestand aus Wolframcarbid
mit einer Vickers-Härte
von 1400, einem Young'schen
Modul von 600.000 MPa und einem Partikeldurchmesser von 0,3 mm.
Das verwendete Strahlmaterial aus Gussstahlkies bestand aus unlegiertem
Stahl mit einer Vickers-Härte
von 730, einem Young'schen
Modul von 210.000 MPa und einem Partikeldurchmesser von 0,3 mm.
Als Strahlanlage wurde die "Air
Blast-Anlage MY30" von
Sinto Brator Ltd. verwendet. Als Substanz wurde ein Formteil aus
SKD 11 mit einer Zusammensetzung von 1,5% Kohlenstoff, 12% Chrom,
1% Molybdän
und 85,5% (Rest) Eisen mit einer Vickers-Härte
von 770 verwendet. Die Behandlungsbedingungen waren: Schleuderdruck
0,4 MPa; Schleuderdüsendurchmesser
6 mm; Schleuderabstand 150 mm; Schleudergeschwindigkeit 80 m/min.
Die Kugelstrahlbehandlung wurde ausgeführt. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 1 aufgelistet.
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Aus
Tabelle 1 lässt
sich Folgendes erkennen. Obwohl mit dem Gussstahlkies, der als Strahlmaterial verwendet
wurde, die Oberflächenrauheit
niedrig war, wurde dem behandelten Artikel keine hohe Druckeigenspannung
verliehen. Um andererseits den behandelten Artikel mit einer hohen
Druckeigenspannung zu versehen, wurde Hartlegierung als Strahlmaterial
verwendet. Dabei wurde jedoch die Oberflächenrauheit sehr hoch. Bei "amorphem Kies" dagegen, bei dem
ein amorphes Strahlmaterial auf Eisenbasis verwendet wurde, konnte dem
behandelten Artikel eine hohe Druckeigenspannung verliehen werden
und seine Oberflächenrauheit
war niedrig.
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Testbeispiel 2
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Als
Nächstes
wird das Testbeispiel 2 erläutert.
Um die Wirkungen der Strahlmaterialtypen und die Strahlgeschwindigkeit
(Schleudergeschwindigkeit) bei der Strahlbehandlung untersuchen
zu können,
wurde Federmaterial SCM420 mit einer Zusammensetzung aus 0,2% Kohlenstoff;
0,25% Silizium; 0,75% Mangan; 1,1% Chrom; 0,25% Molybdän, Rest
Eisen mit einer HV von 370 behandelt. Die maximale Druckeigenspannung
und die Oberflächenrauheit
der behandelten Artikel wurden gemessen.
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Das
bei diesem Test verwendete amorphe Strahlmaterial, das das gleiche
war wie beim Testbeispiel 1, hatte eine Vickers-Härte von
1000, einen Young'schen
Modul von 75.000 bis 83.000 MPa und einen Partikeldurchmesser von
0,05 bis 1,5 mm. Die Strahlmaterialien Guss stahl und Hartlegierung
waren die gleichen wie beim Testbeispiel 1. Die Ergebnisse sind
in Tabelle 2 aufgelistet.
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Aus
Tabelle 2 ist ersichtlich, dass bei Verwendung der amorphen kugeligen
Partikel, d. h. des Strahlmaterials, das die Anforderungen der Erfindung
erfüllt,
eine hohe Druckeigenspannung von 1600 MPa und darüber bei
einer Strahlgeschwindigkeit, die niedriger war als bei Verwendung
von kugeligem Stahlkies (Gussstahl) erzielt werden konnte, was bei
Verwendung von kugeligem Stahlkies nicht möglich war.
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Ferner
zeigte sich auf Basis der Tests, dass bei Verwendung der obigen
amorphen kugeligen Partikel die Behandlung mit geringerer Beschädigung der
Oberfläche
im Vergleich zur Verwendung des Strahlmaterials aus Hartlegierung,
das zur Bereitstellung einer hohen Druckeigenspannung verwendet
wurde, ausgeführt
werden kann. Gemäß dieser
Erfindung beträgt
die Oberflächenrauheit
der behandelten Artikel ca. 5 μm
oder weniger, was allgemein gefordert wird. Deshalb ist keine Nachbehandlung
wie Schleifen oder dgl. erforderlich.
