DE60122916T2

DE60122916T2 - Oberflächengehärtetes Präzisionsgewichtstück und Verfahren zur Fertigung desselben

Info

Publication number: DE60122916T2
Application number: DE60122916T
Authority: DE
Inventors: Jean-Maurice Tellenbach
Original assignee: Mettler Toledo AG
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Germany
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2021-09-15
Also published as: US6552280B1; AU2001284359A1; RU2244269C1; ATE338937T1; DE60122916D1; EP1327125B1; WO2002025231A1; JP2004509350A; BR0113973A; EP1327125A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Präzisionsgewichtsstücke, wie sie verwendet werden

1. um Geräte zur Wägung und andere Arten von Meßapparaturen zu kalibrieren und zu prüfen,
2. um andere Gewichtsstücke einer niedrigeren Genauigkeitsklasse zu kalibrieren und zu prüfen,
3. um Gegenstände auf einem Wägeinstrument zu wägen und/oder
4. andere Messungen als eine Wägung mit einer Apparatur durchzuführen, welche wenigstens ein Gewichtsstück verwendet, z.B., um Kraft, Druck oder andere physikalische Größen zu messen.

Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet der Begriff „Gewichtsstück" die physische Verkörperung einer definierten Quantität von Masse in einem festen, dauerhaften Gegenstand wie beispielsweise einem kompakten Körper aus Metall. Allgemein hin liegt bekanntermaßen die Quantität der durch ein Gewichtsstück repräsentierten Masse innerhalb eines gewissen Toleranzbereiches, auch bezeichnet als „maximal zulässiger Fehler" (MZF). Auf der Grundlage der jeweiligen maximal zulässigen Fehler werden Gewichtsstücke in Genauigkeitsklassen gemäß amtlicher Normen eingeteilt.
In den USA ist die „ASTM Standard E 617 – 'Standard Specification for Laboratory Weights and Precision Mass Standards"' eine allgemein aber nicht ausschließlich verwendete Norm für Gewichtsstücke. Sie gilt für Gewichtsstücke von 1 Milligramm bis 5.000 Kilogramm und teilt die Gewichtsstücke in 8 Klassen gemäß einer Toleranztabelle ein. So gilt beispielsweise für ein Ein-Kilogramm-Gewichtsstück der genauesten ASTM-Klasse (ASTM-Klasse 0) ein Toleranzfeld von ± 1,3 Milligramm, während für ein Ein-Kilogramm-Gewichtsstück der am wenigsten genauen Klasse(ASTM-Klasse 7) ein Toleranzfeld von ± 470 Milligramm gilt.
Im weltweiten Umfeld ist „OIML Recommendation 111, 'Weights of classes E₁, E₂, F₁, F₂, M₁, M₂, M₃'", herausgegeben von der „Organisation Internationale de Metrologie Legale (OIML)" die verbindliche Norm für Gewichtsstücke. Sie gilt für Gewichtsstücke von 1 Milligramm bis 50 Kilogramm und teilt die Gewichtsstücke in 7 Klassen gemäß einer Toleranztabelle ein. Beispielsweise gilt für ein Ein-Kilogramm-Gewichtsstück der genausten OIML-Klasse (OIML-Klasse E₁) ein Toleranzfeld von ± 0,5 Milligramm, während für ein Ein-Kilogramm-Gewichtsstück in der am wenigsten genauen Klasse (OIML-Klasse M₃) ein Toleranzfeld von ± 500 Milligramm gilt.
Zusätzlich zur Definierung einer auf Massentoleranzen basierenden Klassenstruktur stellen beide Normen Anforderungen an die physikalischen Eigenschaften von Gewichtsstücken, z.B. an Form, Aufbau und Gestaltung, Material, Dichte, Oberflächengüte, Vorkehrungen zur Feinjustierung und Kennzeichnungsmarkierungen.
Allgemein sind die Anforderungen an die physikalischen Merkmale für die genaueren Klassen von Gewichtsstücken anspruchsvoller. So muß beispielsweise ein Gewichtsstück der ASTM-Klasse 0 bzw. eines der OIML-Klassen E₁ und E₂

– aus einem einzigen, festen Stück Material bestehen und darf keinen Hohlraum und keine Aushöhlung auf weisen, wo Material für eine Kalibrierungsjustierung hinzugefügt oder entfernt werden kann;
– justiert werden durch Abtragung, Abschleifen, Elektrolyse oder ein anderes geeignetes Oberflächenabtragungsverfahren (d.h., dass Masse nur entfernt, niemals jedoch hinzugefügt werden darf);
– eine Dichte von nominell 8.000 kg/m³ mit einem lediglich schmalen Toleranzbereich aufweisen (wodurch andere Materialien als Stahl faktisch ausgeschlossen werden);
– eine glatte Oberflächenbeschaffenheit (von gemäß OIML R 111 „glossy appearance"), frei von auffälligen Kratzern oder anderen Oberflächendefekten, aufweisen;
– korrosionsbeständig sein;
– eine Härte und Verschleißfestigkeit aufweisen, welche ähnlich oder besser als diejenigen von austenitischem rostfreiem Stahl sind, und
– praktisch nicht-magnetisch (innerhalb eines sehr niedrig liegenden Toleranzfeldes der magnetischen Suszeptibilität) sein.

Austenitische rostfreie Stähle der Kennungen 316, 317, 318 oder 321 des ANSI (American Iron and Steel Institute) bzw. vergleichbare Legierungen zählen zu den bevorzugten Materialien für Präzisionsgewichtsstücke von jener Art, auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht. Gewichtsstücke nach dem Stand der Technik, welche aus einem dieser Materialien erzeugt sind, erfüllen die geforderten Materialeigenschaften für Dichte, Korrosionsbeständigkeit, Härte und niedrige magnetische Suszeptibilität, wenn auch die Verschleißbeständigkeit dann nur das geforderte Minimum erreicht, d.h. sie ist nicht besser als jene von austenitischem rostfreien Stahl. Die Beständigkeit gegenüber Verschleiß und Korrosion ist jedoch unmittelbar verknüpft mit der Dauerhaftigkeit des Massewertes eines Gewichts stückes, welche einer der am stärksten erwünschten Eigenschaften ist, insbesondere im Hinblick auf Gewichtsstücke in den höchsten Genauigkeitsklassen. Der Masseverlust infolge Oberflächenverschleißes im Laufe eines Kalibrierungsintervalls von beispielsweise einem oder zwei Jahren soll klein sein im Vergleich zum maximal zulässigen Fehler für das jeweilige Gewichtsstück, um das Risiko zu minimieren, dass Gewichtsstücke, die in anspruchsvollen Anwendungen verwendet werden, zu irgendeiner Zeit zwischen den Kalibrierungen aus dem Toleranzbereich herausfallen. Auch können, wie oben erwähnt, Gewichtsstücke der höchsten Genauigkeitsklassen niemals auf einen höheren Wert der Masse zurückversetzt werden, da Justierungen nur durch Entfernung von Masse vom jeweiligen Gewichtsstück vorgenommen werden können. Folglich muß ein Hochpräzisions-Gewichtsstück, welches für unterhalb des Toleranzbereiches liegend befunden wird, entweder aus dem Verkehr gezogen werden oder aber in eine niedrigere Gewichtsstück-Genauigkeitsklasse mit einem breiteren Toleranzbereich zurückgestuft werden.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Präzisionsgewichtsstück zu schaffen, das allen Anforderungen der gültigen Normen entspricht, aber auch eine Verbesserung gegenüber Gewichtsstücken nach dem Stand der Technik darstellt, dadurch, dass durch größere Oberflächenhärte, eine größere Beständigkeit gegen Verschleiß bzw. Abrieb und eine größere Kratzfestigkeit sowie eine größere Korrosionsbeständigkeit eine größere Dauerhaftigkeit der Masse gewährleistet wird, als bei Gewichtsstücken des bisher gegebenen Standes der Technik.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die im Vorangegangenen dargestellte Aufgabe durch Bereitstellung eines Präzisionsgewichtsstückes aus austenitischem rostfreiem Stahl mit einer gehärteten Oberflächenschicht erfüllt werden. In einer typischen Anwendung kann das Gewichtsstück von einer Art sein, die eine durch Normen gesetzte Beschreibung erfüllt wie beispielsweise OIML-Klasse E₁, E₂, F₁ oder F₂ oder eine der ASTM-Klassen 0 bis 3, aber die vorliegende Erfindung gilt gleichermaßen für Gewichtsstücke, die gemäß anderer Normen oder nach Kundenanforderungen gefertigt sind.
In vorzugsweisen Ausführungsformen der Erfindung ist das Gewichtsstück aus einer Sorte austenitischen rostfreien Stahls gefertigt, welcher Chrom und eines oder mehrere metallische Übergangselemente wie Nickel und/oder Mangan und mindestens ein weiteres Übergangselement wie Molybdän zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit enthält, und sowohl frei von Ferrit als auch von Martensit ist. Beispiele für rostfreien Stahl mit diesen bevorzugten charakteristischen Merkmalen sind UNS-S3xxxx und UNS-S2xxxx, wobei das „xxxx" eine 4stellige Zahl repräsentiert, z.B.: UNS-530403, UNS-531603, UNS-532100, UNS-528200. Im vorerwähnten Vereinheitlichten Nummerierungssystem (UNS – Unified Numbering System) steht das „S" für rostfreie Werkstoffe, die „3" für gewöhnlichen austenitischen Chrom-Nickel-Stahl und „2" für austenitischen Chrom-Mangan-Stahl. Das Gewichtsstück wird aus dem Rohmaterial z.B. durch spanende Bearbeitung auf die vorgeschriebene Form aus Stangenmaterial geformt. Durch ein mechanisches, chemisches und/oder elektrochemisches Verfahren, welches der Entfernung von Oberflächenmaterial vom Rohlingsstück dient, wird das Gewichtsstück fertigbearbeitet und so justiert, dass seine Oberflächengaalität und sein Massewert bereits mindestens innerhalb der Vor-Toleranzgrenzen liegen, bevor das Gewichtsstück mit der gehärteten Oberflächenschicht versehen wird.
Weiterhin ist in vorzugsweisen Ausführungsformen der Erfindung die gehärtete Oberflächenschicht das Ergebnis einer Wärmebehandlung unter einer Gasatmosphäre, welche z.B. Methan, Ethan, Ammoniak oder Ethen enthält. Wärmebehandlungen dieser Art sind beispielsweise bekannt unter den technischen Fachausdrücken „Einsatzhärten", „Aufkohlen", "Nitrieren", „Carbonitrieren", „Stickstoff-Aufkohlen", „Diffusions-Oberflächenbehandlung" und „Diffusionsschichtbildung". Die Wärmebehandlung führt zu einer Diffusionsschicht mit erhöhter Kohlenstoff- und/oder Stickstoffkonzentration, welche bis in eine gewisse Tiefe der Oberfläche des Gewichtsstückes reicht. Die diffundierenden Atome sollten von kleinerem Durchmesser als Eisenatome sein und sie sollten vorzugsweise Einlagerungsatome in die Kristallstruktur des austenitischen Stahls sein.
Für ein Gewichtsstück gemäß der Erfindung ist eine Wärmebehandlung wie oben beschrieben zu bevorzugen, wobei die Prozesstemperatur unter 350 °C liegt, um die Bildung metallischer intermediärer Phasen und/oder die Bildung von Ausscheidungen zu verhindern, welche Korrosions- und/oder Oxidationsprobleme verursachen könnten.
Ein gesetzlich geschütztes Wärmebehandlungsverfahren, das in die zuvor erwähnte Kategorie fällt, ist bekannt unter den Handelsnamen „Klosterizing^TM" und/oder „Klosterisieren^TM" und/oder „Klosterisation^TM" und/oder „Hardcor^TM". Eigentümer dieses Verfahrens ist „Hardiff BV, Surface Treatment Technology", 7333 PA Apeldoorn, Niederlande. Eine Beschreibung erfolgt z.B. in „Antiwear/corrosion treatment of finished austenitic stainless steel components: the Hardcor process" von R. H. van der Jagt, B. H. Kloster und M. W. H. Gillham in: „Materials & Design", Bd. 12, Nr. 1, Februar 1991. Die Härte der durch diese Behandlung erzielten Schicht ist an der äußeren Oberfläche am größten und nimmt allmählich über eine Tiefe auf das Niveau der Härte des unbehandelten Kernmaterials ab. Die Behandlung verursacht eine geringe Massezunahme.
Das Herstellungsverfahren des Gewichtsstückes kann, bei einer Ausführungsform der Erfindung, mit der Wärmebehandlung, wie sie im vorangegangenen Abschnitt beschrieben wurde, enden. Andere Ausführungsformen der Erfindung können nach der Wärmebehandlung des Gewichtsstückes weitere Schritte für das Polieren und/oder die Feinjustierung des Gewichtsstückes einschließen.
So könnte beispielsweise die Massenzunahme, welche durch die Wärmebehandlung verursacht worden ist, zu diesem Zeitpunkt durch gleichmäßiges Entfernen von Material von der gesamten Oberfläche des Gewichtsstückes kompensiert werden, falls vor der Wärmebehandlung in den Schritten der mechanischen Fertigbearbeitung und Justierung kein entsprechender Abschlag vorgenommen worden ist.
Als Ergebnis weist ein Gewichtsstück mit einer gehärteten Oberflächenschicht gemäß der Erfindung eine größere Härte, eine bessere Verschleiß- bzw. Abriebbeständigkeit und Kratzfestigkeit sowie eine erhöhte Beständigkeit gegen Korrosion, insbesondere gegen Lochfraß, auf.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden deutlich in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen, welche in den Zeichnungen veranschaulicht sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt ein typisches Präzisionsgewichtsstück der Art dar, auf welche sich diese Erfindung bezieht.
2 stellt die Kohlenstoff- und/oder Stickstoffkonzentration in einer Oberflächenschicht eines Gewichtsstückes gemäß der Erfindung als Funktion der Tiefe dar, und
3 stellt die Härte in einer Oberflächenschicht als Funktion der Tiefe in einer Oberflächenschicht eines Gewichtsstückes gemäß der Erfindung dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 stellt eine typische Gestalt eines Präzisionsgewichtsstückes 1 dar, wie sie z.B. in den oben erwähnten Normen OIML R 111 und ASTM 617 empfohlen wird. Typischerweise wird die Erfindung ausgeführt in Gewichtsstücken, die je eine oder beide dieser Normen erfüllen, aber es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen für Gewichtsstücke gilt, die gemäß anderer Normen oder auf Kundenanforderungen hin gefertigt sein können, zum Beispiel Gewichtsstücke in der Gestalt von Scheiben, Ringen oder irgendwelchen beliebigen Gestaltungen, welche eingebaut werden können in irgend einer Art oder verwendet werden können im Zusammenhang mit irgend einer Art von Wäge- oder Prüfgeräten für Masse, Kraft, Druck und andere physikalische Größen.
Das Diagramm von 2 veranschaulicht die Änderung der Kohlenstoff- und/oder Stickstoffkonzentration in % C und/oder N als Funktion der Tiefe d in μm gemessen, ausgehend von der Oberfläche des Gewichtsstücks, nachdem jenes der Wärmebehandlung unterzogen worden ist. Die Konzentration an der Oberfläche ist erhöht auf eine ungefähre Größenordnung von etwa 5 bis 6 %, während das Niveau im Inneren des Gewichtsstückes auf dem vor der Behandlung bestehenden Niveau von etwa 0,03 % verbleibt.
Das Diagramm von 3 veranschaulicht die Änderung der Härte über die Tiefe innerhalb der gehärteten Oberflächenschicht des Gewichtsstückes gemäß der Erfindung. An der Außenoberfläche weist das Gewichtsstück eine Vickershärte („HV 0.05") von zwischen 1.000 und 1.200 auf, welche allmählich über eine Tiefe von etwa 5 bis 50 μm auf das Härteniveau des unmodifizierten Kernmaterials, d.h. auf um 200, abnimmt. Die Behandlung führt zu einer Massezunahme von typischerweise 1 mg pro cm² Oberflächenausdehnung. Diese zusätzliche Masse könnte entweder bei der formgebenden Vorbearbeitung und der sich daran anschließenden Fertigbearbeitung oder aber in einem Feinjustier- und/oder Polierschritt nach der oberflächenhärtenden Behandlung erfolgen, z.B. durch gleichmäßige Entfernung von Material von der gesamten Oberfläche des Gewichtsstückes bis zu einer Tiefe von etwa 1,2 μm bzw. soweit erforderlich, um den Massewert des Gewichtsstückes in die geltenden Toleranzbereichsgrenzen zu bringen.
Es wird als selbstverständlich erachtet, dass innerhalb des Anwendungsbereiches und der Hauptideen der Erfindung zahlreiche Ausführungsformen von Gewichtsstücken mit gehärteten Oberflächen möglich sind, und auch, dass irgendwelche quantitativen Angaben wie beispielsweise Härte und Schichtdicke lediglich als Beispiele dienen sollen und nicht als Beschränkungen zu verstehen sind.

Claims

Präzisionsgewichtsstück zur Durchführung mindestens eines aus einer Reihe von Verfahren, welche umfaßt – Kalibrierungsprüfung eines Wägegerätes, – Kalibrierungsprüfung eines Meßgerätes, welches kein Wägegerät ist, – Kalibrierungsprüfung von Gewichtsstücken einer niedrigeren Genauigkeitsklasse als das Präzisionsgewichtsstück – Bestimmen der Masse eines Objekts mittels eines Wägegerätes und – Messen einer physikalischen Größe, welche nicht die Bestimmung der Masse ist, wobei das Gewichtsstück aus austenitischem rostfreien Stahl besteht, des Weiteren das Gewichtsstück eine Oberflächenschicht umfaßt und diese Oberflächenschicht gehärtet ist.
Präzisionsgewichtsstück nach Anspruch 1, wobei das Präzisionsgewichtsstück Anforderungen entspricht, welche für Gewichtsstücke gelten und bekanntgegeben sind durch mindestens eine der Organisationen einschließend die „Organisation Internationale de Metrologie Legale", die „American Society for Testing and Materials" und das „National Institute of Standards and Technology".
Präzisionsgewichtsstück nach Anspruch 1, wobei das Präzisionsgewichtsstück ein in eine Vorrichtung bzw. ein Gerät eingebautes Teil ist.
Präzisionsgewichtsstück nach Anspruch 1, wobei der austenitische rostfreie Stahl Chrom und mindestens ein metallisches Übergangselement aus einer Reihe, welche Nickel und Mangan beinhaltet, aufweist und mindestens ein weiteres Übergangselement aufweist, welches nicht Teil dieser Reihe ist.
Präzisionsgewichtsstück nach Anspruch 4, wobei jenes mindestens eine Übergangselement Molybdän ist.
Präzisionsgewichtsstück nach Anspruch 1, wobei der austenitische rostfreie Stahl ferritfrei und martensitfrei ist.
Präzisionsgewichtsstück nach Anspruch 1, wobei der austenitische rostfreie Stahl zu einer Reihe gehört, welche aus den Stahlsorten UNS-S3xxx und UNS-S2xxx besteht, wobei „xxxx" eine 4stellige Zahl repräsentiert.
Präzisionsgewichtsstück nach Anspruch 1, wobei die gehärtete Oberflächenschicht eine Diffusionsschicht mit einer erhöhten Konzentration von mindestens einem der Elemente Kohlenstoff und Stickstoff ist, wobei diese erhöhte Konzentration von einer Wärmebehandlung unter einer Gasatmosphäre herrührt.
Präzisionsgewichtsstück nach Anspruch 8, wobei eine Prozesstemperatur von weniger als 350 Grad Celsius in der Wärmebehandlung angewendet wird.
Präzisionsgewichtsstück nach Anspruch 8, wobei die Wärmebehandlung eine Diffusion von Atomen in die Oberflächenschicht umfasst, und diese Atome kleinere Durchmesser aufweisen als Eisenatome.
Präzisionsgewichtsstück nach Anspruch 10, wobei die Oberflächenschicht eine Kristallstruktur hat, und die diffundierten Atome Einlagerungsatome in jene Kristallstrukur sind.
Präzisionsgewichtsstück nach Anspruch 8, wobei die Gasatmosphäre mindestens ein Gas aus einer Reihe, welche Methan, Ethan, Ammoniak und Ethen aufweist, enthält.
Präzisionsgewichtsstück nach Anspruch 1, wobei die gehärtete Oberflächenschicht eine Tiefe von einer Größenordnung von 5 bis 50 Mikrometer hat.
Präzisionsgewichtsstück nach Anspruch 1, wobei die gehärtete Oberflächenschicht eine Härte der äußeren Oberfläche in einer Größenordnung von 1.000 bis 1.200 bei der Vickershärte-Prüfung „HV 0.05" hat.
Verfahren zur Fertigung des Präzisionsgewichtsstücks von Anspruch 1, beinhaltend – Formen des Präzisionsgewichtsstückes aus dem Rohmaterial, welches aus austenitischem rostfreien Stahl besteht; – Fertigbearbeiten der Oberfläche, um mindestens einem Vor-Toleranzbereich bezüglich der Oberflächengüte zu genügen; – Justieren des Präzisionsgewichtsstückes durch Entfernen von Material von der Oberfläche, um mindestens einem Vor-Massetoleranzbereich zu genügen, und – Wärmebehandeln des Präzisionsgewichtsstückes unter einer Gasatmosphäre.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verfahren des Weiteren den Schritt des Polierens der Oberfläche aufweist, um einem Toleranzbereich für die Endoberflächengüte zu genügen, wobei jener Polierschritt nach dem Wärmebehandlungsschritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verfahren des Weiteren den Schritt des Feinjustierens des Präzisionsgewichtes durch Entfernen von Material von der Oberfläche aufweist, um einem End-Massetoleranzbereich zu genügen, wobei jener Feinjustierschritt nach dem Wärmebehandlungsschritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei im Wärmebehandlungsschritt eine Prozesstemperatur von weniger als 350 Grad Celsius angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Gasatmosphäre mindestens ein Gas aus der Reihe, welche Methan, Ethan, Ammoniak und Ethen aufweist, enthält.