DE69907766T2

DE69907766T2 - Verfahren und Vorrichtung zum elektrischem Wärmebehandeln und Elektrode zum Verwenden in dieser Vorrichtung

Info

Publication number: DE69907766T2
Application number: DE69907766T
Authority: DE
Inventors: Seiji Kure-shi Nomura; Yukihiro Higashihiroshima-shi Sugimoto
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1998-01-12
Filing date: 1999-01-11
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2019-01-12
Also published as: ES2200409T3; DE69907766D1; EP0928833A3; JPH11256227A; EP0928833A2; KR19990066857A; US6222152B1; JP3921839B2; EP0928833B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein elektrisches Wärmebehandlungsverfahren und besonders ein elektrisches Wärmebehandlungsverfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken durch elektrische Erhitzung.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Im allgemeinen werden die Oberflächen beispielsweise der zwischen Ventilen liegenden Abschnitte eines aus Aluminiumguss gebildeten Zylinderkopfs in einem Dieselmotor einer Rückschmelzbehandlung unterworfen, um sie widerstandsfähig gegen Wärmespannungen zu machen. Herkömmlicherweise wird diese Rückschmelzbehandlung durch Anwendung einer hohen Energiedichte unter Verwendung eines TIG-Bogens, Plasmabogens, Laserbündels, Elektronenstrahlbündels u. s. w. ausgeführt. Beispielsweise wird bei der einen Bogen verwendenden Rückschmelzbehandlung, wie sie schematisch in der Schnittansicht von 35 gezeigt ist, ein sehr heißer Bogen 42 von einem eine vorbestimmte Distanz von der Oberfläche eines Werkstücks 40 entfernt gelegenen Brenner 41 ausgestrahlt, um die Oberfläche des Werkstücks 40 durch die vom Bogen 42 übertragene Wärme zu schmelzen. Dann wird der Brenner 41 kontinuierlich entlang eines die Rückschmelzbehandlung benötigenden Abschnitts bewegt. In dieser Zeit wird unmittelbar unterhalb des Bogens 42 von demselben ein neuer Krater 45 erzeugt und der vom Bogen 42 geschmolzene Teil fließt zu einem Abschnitt hin, der vor der Bewegung des Brenners 41 ein Krater 45a war und füllt dem Krater 45a auf; der Abschnitt kühlt sich, wenn die Wärme zum Basismaterial hin abfließt, schnell selbsttätig ab und verfestigt sich. Als Ergebnis wird die Struktur des Oberflächenabschnitts des Werkstücks 40 in eine kontinuierliche feinere Struktur während der Bewegung des Brenners 41 überführt, und auf diese Weise wird eine verstärkte Lage 46 erzeugt. Ein Schutzgas 43 aus Argon, Helium oder einem anderen Gas wird vom Brenner 41 gleichzeitig um den Bogen 42 gesprüht und verhindert, dass der geschmolzene Teil durch Luftkontakt oxidiert. Es ist schon vorgeschlagen worden, eine ganze Nockenwelle dadurch gleichmäßig zu erwärmen, dass man Elektroden an beide Enden der Nockenwelle anlegt, um auf diese Weise vor der Rückschmelzbehandlung der Nockenwelle ein Vorheizen auszuführen, wie dies z. B. in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 5-156346 beschrieben ist.
In der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 6-172846 ist beispielsweise beschrieben, dass es bekannt ist, einen Metallstreifen durch eine Bewegung zwischen Kohlenstoffrollenelektroden in einem kontinuierlichen Wärmebehandlungsofen elektrisch zu erwärmen und dadurch zu tempern.
Außerdem wurde z. B. in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 69-56817 vorgeschlagen, eine Elektrode an einem Teil eines Werkstücks anzulegen und einen elektrischen Strombypass zur Umgehung eines heißen Teils des Abschnitts am Werkstück, an dem die Elektroden angelegt wurden, zu bilden. Auf diese Weise wird, wenn der andere Teil als der heiße Teil des Werkstücks in etwa dieselbe Temperatur wie der heiße Teil erreicht, der elektrische Strombypass zur elektrischen Erhitzung des gesamten Werkstücks freigegeben.
Außerdem beschreibt z. B. die japanische Patentveröffentlichung Nr. 6-172846 eine elektrische Erhitzung eines in einem kontinuierlichen Wärmebehandlungsofen durch Kohlenstoffrollenelektroden bewegten Metallstreifens, um ihn zu tempern.
Die deutsche Patentoffenlegungsschrift DE 41 24 644 beschreibt eine Rückschmelzbehandlung von Werkstückoberflächen durch Anwendung einer Rollenelektrode, die über der zu behandelnden Oberfläche bewegt wird. Der Oberflächenabschnitt wird mit der Rollenelektrode örtlich wärmebehandelt und danach schnell abgekühlt.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Der oben beschriebene Stand der Technik hat jedoch die folgenden Nachteile. Wenn die Rückschmelzbehandlung von dem Bogen 42 durchgeführt wird, erzeugt der Bogen 42 den Krater 45 und deshalb muss der Brenner 41, damit der Krater 45 nicht am Ende der Wärmebehandlung des das Rückschmelzen benötigenden Teils verbleibt, kontinuierlich auch über einem Abschnitt, der die Wärmebehandlung nicht benötigt, bewegt werden. Aus diesem Grund ist der Stand der Technik nachteilig, besonders wenn nur ein bestimmter Fleck rückgeschmolzen werden soll, da viel Zeit für die Behandlung nötig ist und außerdem durch unnötige Wärmespannungen in der Nachbarschaft des behandelten Abschnitts Risse entstehen können. Weiterhin kann eine als magnetischer Bogenwind bekannte Erscheinung den Bogen stören und ihn dadurch von Zeit zu Zeitablenken. Weiterhin entsteht durch eventuell auftretenden Zündfehler die Gefahr, dass die Behandlung nicht durchgeführt wird. Die Wärmeabfuhr zu einem Basismaterial verursacht eine gerichtete Verfestigung vom Basismaterial zur Oberfläche eines Werkstücks, um ein Ausgasen durchzuführen; allerdings wird auch die Wärme zur Oberfläche weggezogen, wenn der Brenner 41 bewegt wird, wodurch sich leider keine ausreichende gerichtete Verfestigung ergibt. Ein weiterer Nachteil ist die Notwendigkeit des Schutzgases 43, um die Oxidation der Oberfläche zu verhindern.
Die Verwendung von Laserbündeln oder dergleichen zur Rückschmelzung eines aus Aluminiumbestandteil gebildeten Werkstücks, das einen hohen Reflexionsgrad besitzt, hat einen schlechten Wirkungsgrad. Deshalb ist eine tiefe Rückschmelzbehandlung eines die Wärmebehandlung benötigenden Teils nur schwer zu erreichen. Die Konzentration der Energie verursacht außerdem Krater, wie bei der durch Bögen durchgeführten Wärmebehandlung.
Als mögliche Lösungen haben sich Oberflächenbehandlungsverfahren angeboten, die wie in dem oben beschriebenen Stand der Technik durch eine elektrische Erwärmung realisiert werden. Allerdings erschwert im Falle der Wärmebehandlungsprozesse, wie sie in den japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 5-156346 und Nr. 64-56817 beschrieben sind, die hohe Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumbestandteils eine erfolgreiche örtliche und schnelle Erwärmung, obwohl sie eine gleichförmige Erwärmung des gesamten Werkstücks ermöglichen. Bei dem in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 6-172846 beschriebenen Wärmebehandlungsverfahren wird die Wärme auch zur Oberfläche des Werkstücks weggezogen, da der Metallstreifen bezogen auf die Kohlenstoffrollenelektroden kontinuierlich bewegt wird. Deshalb ist es im Stand der Technik schwierig, die Werkstückoberflächen vor Oxidation zu schützen oder eine befriedigende gerichtete Verfestigung bei der Rückschmelzbehandlung zu erzielen.
Dasselbe gilt für das in DE 41 24 644 beschriebene Wärmebehandlungsverfahren, das keine zufriendenstellende gerichtete Verfestigung des Oberflächenabschnitts des Werkstücks ermöglicht.
Demgemäß wurde diese Erfindung angesichts der oben beschriebenen Probleme gemacht, und ihre Aufgabe besteht darin, mittels eines einfachen Verfahrens eine qualitativ hochwertige örtliche Wärmebehandlung durch eine Verbesserung der bekannten elektrischen Wärmebehandlungsmethoden zu erzielen, um eine Oberflächenbehandlung, z. B. ein Rückschmelzen an der Oberfläche eines Werkstücks durchzuführen.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein elektrisches Wärmebehandlungsverfahren zur Verfügung, um damit einen Oberflächenteil eines Werkstücks, das aus einem durch Guss hergestellten Aluminiumlegierungsbestandteil gebildet ist, so zu behandeln, dass der an eine Speiseelektrode angedrückte Oberflächenteil eine gerichtete Verfestigung erfährt, so dass dieser Oberflächenteil durch Rückschmelzen eine feinere Körnung erhält als der andere nicht mit der vorbestimmten Wärmebehandlung der Oberfläche behandelte Teil des Werkstücks, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen eines wärmezubehandelnden Werkstücks, das durch Guss mittels Schmelzen eines Aluminiumlegierungsbestandteils hergestellt ist;
Andrücken der Speiseelektrode an den Oberflächenteil des durch Guss hergestellten Werkstücks;
Einspeisung eines elektrischen Stroms zwischen der Speiseelektrode und dem Werkstück, während ein distaler Endabschnitt der Speiseelektrode in engem Kontakt mit dem Oberflächenteil gehalten wird, um dort eine elektrische Erwärmung sowohl durch die aufgrund des Eigenwiderstands der Speiseelektrode erzeugte Wärme als auch durch die aufgrund des Kontaktwiderstands zwischen dem distalen Endabschnitt der Speiseelektrode und des Oberflächenteils erzeugte Wärme durchzuführen;
Rückschmelzen des Oberflächenteils, wobei der elektrische Strom so eingespeist wird, dass die Temperatur des distalen Endes der Speiseelektrode die Schmelztemperatur oder eine höhere Temperatur eines Bestandteils des Werkstücks erreicht;
Unterbrechung der Stromzufuhr und Halten der Speiseelektrode in engem Kontakt mit dem Werkstück bis eine gerichtete Erstarrung des Oberflächenabschnitts vervollständigt ist; und
Erstarrung des Oberflächenabschnitts so, dass seine Körnung feiner als der andere nicht erhitzte Teil des Werkstücks wird, um dadurch die gerichtete Erstarrung zu erzielen.
Weitere Ausführungsformen dieser Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dementsprechend stellt die Erfindung ein Verfahren zur elektrischen Wärmebehandlung zur Verfügung, um eine vorbestimmte Oberflächenbehandlung bzw. -bearbeitung an einem Oberflächenabschnitt eines Werkstücks auszuführen, bei der elektrischer Strom zwischen einer Speiseelektrode und einem Werkstück eingespeist wird und gleichzeitig ein distales Ende der Speiseelektrode in engem Kontakt mit dem Oberflächenabschnitt gehalten wird, um eine örtliche Erwärmung durch die elektrische Erwärmung zu bewirken, die die Wärmeerzeugung vom Eigenwiderstand der Speiseelektrode selbst und von dem Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen dem distalen Ende der Speiseelektrode und dem Oberflächenabschnitt nutzt, um dadurch die vorbestimmte Erwärmung des Oberflächenabschnitts zu erreichen.
Auf diese Weise wird die vom Eigenwiderstand der Elektrode selbst und vom Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Werkstück nur auf den Oberflächenabschnitt des Werkstücks konzentriert, der sich in Kontakt mit der Elektrode befindet. Dies gestattet die örtliche Erwärmung des Oberflächenabschnitts und eine schnelle Beendigung der Oberflächenerwärmung, bevor die Wärme zu anderen Abschnitten abfließt. Somit erreicht man durch das Anlegen der Elektrode ausschließlich an den die Wärmebehandlung benötigenden Abschnitt eine einfach durchzuführende lokale Wärmebehandlung. Da die Elektrode in engem Kontakt mit dem Oberflächenabschnitt gehalten wird, ist dieser Abschnitt während der Behandlung nicht der Luft ausgesetzt. Deshalb kann die Werkstückoberfläche gegen Oxidation ohne den Einsatz von Schutzgas oder dergleichen geschützt werden. Darüber hinaus behält die Elektrode während der Rückschmelzbehandlung ihre Wärmeisolationswirkung auch nach der Unterbrechung des elektrischen Stroms, so dass die Wärme kaum von der Oberfläche abgeleitet wird, und ermöglicht dadurch die zuverlässige gerichtete Verfestigung von dem Basismaterial zur Oberfläche des Werkstücks. Dies gestattet, dass die qualitativ hochwertige Wärmebehandlung einfach auszuführen ist. Es sollte verständlich sein, dass die vorbestimmte Wärmebehandlung der Erfindung die Rückschmelzbehandlung eines Werkstücks oder eine Legierung eines Werkstücks mit einem vom Bestandteil des Werkstücks verschiedenen Material umfasst. Auf diese Weise lässt sich das elektrische Wärmebehandlungsverfahren zu einer optimalen spezifischen Bearbeitung einsetzen.
In einer bevorzugten Form der Erfindung wird der elektrische Strom so eingespeist, dass die Temperatur am distalen Ende der Elektrode nicht kleiner ist als der Schmelzpunkt des Bestandteils des Werkstücks und ermöglicht dadurch eine sichere Ausführung der Rückschmelzbehandlung oder der Legierungsbehandlung.
Erfindungsgemäß ist das Werkstück aus einer Aluminiumlegierung gebildet. Da eine Aluminiumlegierung hohe Wärmeleitfähigkeit hat, führt die Verwendung der Aluminiumlegierung für das Werkstück zu der Schwierigkeit, dass die Wärme schnell abfließt und nicht am Ort verbleibt und zum Problem der eventuellen Oxidation der Werkstückoberfläche. Diese Erfindung gestattet jedoch, die Erwärmung einfach örtlich festzuhalten und gleichzeitig die Oxidation der Oberfläche zu verhindern, so dass die Vorteile der Aluminiumlegierung in vollem Umfang genutzt werden können.
In einer weiteren bevorzugten Form der Erfindung besteht die Elektrode aus einem Kohlenstoffbestandteil. Die Kohlenstoffelektrode gestattet eine sichere und effektive Ausführung der Oberflächenbehandlung, da der Kohlenstoffbestandteil eine gute Eigenerwärmung zeigt.
In einer weiteren bevorzugten Form der Erfindung ist die Fläche eines Abschnitts der Elektrode, der annähernd parallel zu der sich in Kontakt mit der Elektrode befindlichen Oberfläche des Werkstücks liegt, kleiner als der distale Endabschnitt der Elektrode. Dies ermöglicht, den elektrischen Widerstand der Elektrode maximal zu machen, um die Eigenerwärmung zu steigern und gleichzeitig den zu behandelnden Oberflächenbereich zu bedecken, um dadurch eine zufriedenstellende örtliche Erwärmung zu erreichen.
In einer weiteren bevorzugten Form der Erfindung ist ein an die Elektrode anzulegender Oberflächenabschnitt des Werkstücks so gebildet, dass er aus der umgebenden Oberfläche vor der elektrischen Wärmebehandlung vorspringt. Das Werkstück wird gewöhnlich gegen die Elektrode gedrückt; somit wird der Oberflächenabschnitt des Werkstücks, der an die Elektrode anzulegen ist, durch den erwähnten Druck eingebeult, kann nach der Behandlung mit der umgebenden Oberfläche fluchtend gemacht werden und gestattet dadurch eine Verringerung der Kosten der Endbearbeitung. Wenn außerdem die an die Elektrode anzulegende Werkstückoberfläche vor der Oberflächenbehandlung geglättet wird, muss der Umgebungsbereich zuvor nicht bearbeitet werden, wodurch sich die zu behandelnde Fläche verringert. Dies ermöglicht die Senkung der Prozesskosten vor und nach der Oberflächenbehandlung.
In noch einer anderen bevorzugten Form der Erfindung werden die Elektrode und das Werkstück vor der elektrischen Erwärmung in engen Punktkontakt miteinander gebracht und der Kontaktbereich dazwischen durch von der Elektrode auf das Werkstück einwirkenden Druck erhöht, so dass der Oberflächenabschnitt des Werkstücks, der sich in Kontakt mit der Elektrode befindet, deformiert wird. Dadurch kann der enge Kontakt der Elektrode sicher beibehalten werden, auch wenn der in Kontakt mit der Elektrode befindliche Oberflächenabschnitt des Werkstücks, wie bei einem Gussteil, Vertiefungen und Vorsprünge hat; deshalb kann eine Funkenerzeugung ohne irgendeine Vorbearbeitung, z. B. die Glättung der Oberfläche, mit Sicherheit verhindert werden. Außerdem tritt in der Elektrode keine ungleichmäßige Verteilung des elektrischen Stroms im Anfangsstadium der elektrischen Stromzufuhr auf, so dass thermische Spannungen richtig verteilt werden und dadurch ein Bruch der Elektrode ausgeschlossen ist.
In einer weiteren bevorzugten Form der Erfindung wird die Elektrode anfangs vor der elektrischen Wärmebehandlung erhitzt. Dadurch kann die Anfangs-Speisetemperatur der Elektrode erhöht werden. Dies verringert die auf die Elektrode während der Wärmebehandlung einwirkende thermische Spannung und damit Brüche in der Elektrode und bewirkt außerdem eine schnelle Erwärmung des Werkstücks.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen gleiche Bezugszeichen dieselben oder ähnliche Teile in allen Figuren bezeichnen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Schnittansicht eines einer Ausführungsform der Erfindung entsprechenden elektrischen Wärmebehandlungsgeräts 100;
2 ist eine ebene Ansicht von oben auf die Oberfläche von Abschnitten zwischen Ventilen eines Zylinderkopfs;
3A und 3B zeigen eine an der Oberfläche der Zwischenventilabschnitte ausgeführte Rückschmelzbehandlung; sie entsprechen 1;
4A und 4B sind Seitenansichten, die eine anderen Ausführungsform einer oberen Elektrode veranschaulichen;
5 zeigt von einem Zylinderkopf einen Zwischenventilabschnitt, der so gebildet ist, dass er vorsteht; 5 entspricht 1;
6A und 6B eine obere Elektrode mit einem konischen Boden; sie entsprechen 1;
7 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die V-Rillen in der Bodenfläche der oberen Elektrode zeigt;
8 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Uförmigen Ausschnitt in der Bodenfläche der oberen Elektrode zeigt;
9 veranschaulicht einen Fall, bei dem ein zweites Werkstück mit dem ersten Werkstück verschweißt wird; sie entspricht 1;
10 veranschaulicht einen Fall, der einen Legierungsprozess realisiert; sie entspricht 1;
11 veranschaulicht einen Zustand nach Beendigung des Legierungsprozesses; sie entspricht 1;
12 zeigt das elektrische Wärmebehandlungsgerät 100 gemäß einer anderen Ausführungsform; sie entspricht 1;
13 ist eine ebene Ansicht von oben und zeigt ein Teststück 10;
14 ist eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie XIV-XIV von 13;
15 ist eine Schnittansicht, die eine aus einem Wolframrohr bestehende obere Elektrode zeigt, in die ein Kohlenstoffteil durch Pressen oder Schrumpfen eingepasst ist;
16 zeigt ein elektrisches Wärmebehandlungsgerät 100 gemäß einer anderen Ausführungsform; sie entspricht 1;
17 ist eine ebene Ansicht von oben und zeigt das Teststück 10;
18 veranschaulicht grafisch die Beziehung zwischen dem Abstand von einer Oberfläche und der Härte des Teststücks zwischen zwei Durchgangsbohrungen nach der elektrischen Wärmebehandlung;
19 ist eine Mikrofotografie des Strukturzustands des Bereichs zwischen den beiden Durchgangsbohrungen des Teststücks nach einer Rückschmelzbehandlung, bei der die obere Oberfläche des mikrofotografisch gezeigten Teststücks einer elektrischen Wärmebehandlung unterworfen wird;
20 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils in der Nähe der Oberfläche eines Oberflächenabschnitts, an den die obere Elektrode angelegt ist; sie entspricht 19;
21 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils weiter entfernt von dem Oberflächenabschnitt, an den die obere Elektrode angelegt wird; sie entspricht 19;
22 ist eine noch stärker vergrößerte Ansicht des Oberflächenabschnitts, an den die obere Elektrode angelegt wird; sie entspricht 19;
23 ist eine Ansicht, die ein einen Gussfehler aufweisendes Teststück zeigt;
29 veranschaulicht mikrofotografisch die Struktur eines Bereichs in der Nähe einer Legierungslage, der beobachtet wird, wenn lokal legiert worden ist, wobei die obere Oberfläche des mikrofotografisch dargestellten Teils einer elektrischen Wärmebehandlung unterworfen wird;
25 zeigt mikrofotografisch die Struktur einer Grenzfläche zwischen dem Teststück und einer Säule nach dem Prozess, bei dem die obere Oberfläche des mikrofotografisch dargestellten Teils einer elektrischen Wärmebehandlung unterworfen wird;
26 veranschaulicht grafisch die durch die Rückschmelzbehandlung und den Erweichungsprozess in einem Aluminiumlegierungsbestandteil ausgeübten Einflüsse auf die thermische Ermüdungslebensdauer;
27 ist eine Schnittansicht, die einen dem Rückschmelzvorgang unterworfenen Scheitelpunktabschnitt eines Kolbens veranschaulicht;
28 ist eine Schnittansicht, die detaillierte Dimensionen der oberen Elektrode und einer Zwischenelektrode veranschaulicht;
29 veranschaulicht grafisch eine Beziehung zwischen dem Druck einer Druckoberfläche und einer Rückschmelztiefe;
30 veranschaulicht grafisch eine Beziehung zwischen dem Druck der Druckoberfläche und der angelegten Spannung;
31 zeigt grafisch eine Beziehung zwischen dem Druck der Druckoberfläche und der auf ein Werkstück übertragenen Wärmemenge;
32 zeigt grafisch eine Beziehung zwischen der elektrischen Stromstärke und der dem Werkstück übertragenen Wärmemenge;
33 ist eine Schnittansicht, die die obere Elektrode veranschaulicht, wenn die Zwischenelektrode bei der Messung der an das Werkstück übertragenen Wärmemenge nicht verwendet wird;
34 veranschaulicht grafisch die an das Werkstück übertragene Wärmemenge, mit und ohne Zwischenelektrode; und
35 ist eine schematische Darstellung, die eine herkömmliche Bogen-Rückschmelzbehandlung veranschaulicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nachstehend werden mit dieser Erfindung übereinstimmende Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In 1 ist schematisch ein mit einer Ausführungsform dieser Erfindung übereinstimmendes elektrisches Wärmebehandlungsgerät 100 gezeigt. Das Gerät 100 wird zum Rückschmelzen eines Oberflächenabschnitts 10b (siehe 2 und 3) jedes Zwischenventilabschnitts 10a in einem Zylinderkopf 10 oder eines Werkstücks eines Dieselmotors verwendet und hat eine obere Elektrode 1 an seiner Oberseite und an seiner Unterseite eine untere Elektrode 2. Die untere Elektrode 2 ist aus einem Kupferbestandteil gebildet, der, wenn er von einem elektrischen Strom durchflossen ist, eine extrem niedrige Eigenwärmeerzeugung zeigt, und dient als Aufnahmesockel, der den Zylinderkopf 10 trägt.
Andererseits besteht die obere Elektrode 1 aus einem Kohlenstoffbestandteil, der, wenn er von einem elektrischen Strom gespeist wird, sehr viel Eigenwärme erzeugt. Die obere Elektrode ist in Säulenform gebildet, so dass die distale Endfläche ihres Bodens am Zylinderkopf 10 anstößt und in Kontakt mit ihm gehalten wird. Die obere Elektrode 1 ist so gebildet, dass sie bezogen auf die untere Elektrode vertikal und horizontal beweglich ist und auf den auf die untere Elektrode 2 aufgelegten Zylinderkopf 10 einen gewissen Druck ausüben kann. Die obere und untere Elektrode 1 und 2 sind durch einen Schalter 5 mit einer Speisequelle 6 verbunden. Wenn der Schalter 5 geschlossen ist und die obere Elektrode 1 am Zylinderkopf 10 anliegt, fließt elektrischer Strom eines gewissen Ampere-Werts durch die obere Elektrode 1, den Zylinderkopf 10 und die untere Elektrode 2.
Der Zylinderkopf 10 besteht aus einem Aluminiumlegierungsgussteil. Der Zylinderkopf 10 weist vier Bohrungen 10c, 10c u. s. w. auf, die in nahezu gleichen Abständen in der Umfangsrichtung angeordnet sind, wie dies in 2 gezeigt ist. Von den vier Bohrungen 10c, 10c u. s. w. sind zwei, die nicht nebeneinander liegen für ein Einlassventil und die verbleibenden zwei für ein Auslassventil und eine Hilfsbrennkammer vorgesehen. Die distale Endfläche der oberen Elektrode 1 wird sequentiell an die jeweils zwischen zwei nebeneinander liegenden Bohrungen 10c, 10c befindliche Oberfläche jedes Zwischenventilabschnitts 10a angelegt, um dort örtlich nur den Oberflächenabschnitt 10b des Zwischenventilabschnitts 10a rückzuschmelzen, wie dies nachstehend beschrieben wird. Genauer ist die Größe der distalen Endfläche der oberen Elektrode 1 annähernd gleich der Oberflächengröße jedes Zwischenventilabschnitts 10a, wobei ein Teil der distalen Endfläche der oberen Elektrode 1 über den zwei Durchgangsbohrungen 10c und 10c liegt, wenn die distale Endfläche der oberen Elektrode 1 in Berührung mit der Oberfläche jedes Zwischenventilabschnitts 10a steht. Somit wird am Zylinderkopf 10 nur der Oberflächenabschnitt 10b jedes Zwischenventilabschnitts 10a behandelt, der in Kontakt mit der oberen Elektrode 1 steht.
Das Verfahren, durch das die Oberflächenabschnitte lOb der jeweiligen Zwischenventilabschnitte 10a des Zylinderkopfs 10 durch das wie oben erläutert gestaltete elektrische Wärmebehandlungsgerät 100 rückgeschmolzen werden, wird nun beschrieben. Zuerst werden alle Zwischenventilabschnitte 10a des gegossenen Zylinderkopfs 10, die rückzuschmelzen sind, und die Oberflächen um sie herum vorbearbeitet, um sie zu glätten und dadurch die Vorsprünge und Vertiefungen der gegossenen Oberfläche zu entfernen. Dann wird der Zylinderkopf 10 auf die Oberseite der unteren Elektrode 2 derart aufgelegt, dass die Oberflächen der Zwischenventilabschnitte 10a nach oben weisen. Danach wird die obere Elektrode 1 nach unten und horizontal bewegt und in engen Kontakt mit der Oberfläche eines Zwischenventilabschnitts 10a gebracht.
Daraufhin wird, wie in 3A gezeigt, der Schalter 5 geschlossen, damit die Einspeisung elektrischen Stroms begonnen und Druck auf den Zylinderkopf 10 durch eine Hauptkörperelektrode 3 und die obere Elektrode 1 ausgeübt. Während dieses Zustands wird der Oberflächenteil 10b des Zwischenventilabschnitts 10a des Zylinderkopfs 10 örtlich durch die von dem Eigenwiderstand der oberen Elektrode 1 und die von dem Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen dem distalen Endabschnitt der oberen Elektrode 1 und der Oberfläche des Zwischenventilabschnitts 10a des Zylinderkopfs 10 erzeugte Wärme erhitzt. Dadurch erreicht der Oberflächenteil 10b den Schmelzpunkt von Aluminium und schmilzt. Wenige Sekunden nach dem Schmelzen wird der Schalter 5 geöffnet und unterbricht den elektrischen Strom. Fast gleichzeitig mit der Unterbrechung des elektrischen Stroms wird auch der durch die obere Elektrode 1 aufgebrachte Druck weggenommen. Die obere Elektrode 1 bleibt jedoch nach der Unterbrechung der Stromzufuhr wenigstens so lange noch in engem Kontakt mit der Oberfläche des Zwischenventilabschnitts 10a, bis sich der Oberflächenteil 10b des Zwischenventilabschnitts 10a verfestigt hat.
Die erwähnte Erregungsdauer wird gemäß der Beziehung zwischen der Druckkraft, d. h. der auf die Oberfläche des Zwischenventilabschnitts 10a aufgebrachten Andruckkraft, und der Stromstärke, d. h. der Stromdichte an der Oberfläche des Zwischenventilabschnitts 10a, voreingestellt. Der Druck an der Andruckfläche wird auf 14,7 MPa (0,5 kgf/mm²) oder weniger eingestellt. Ein über diesem Wert von 14,7 MPa liegender Druck auf die Andruckfläche würde die durch den oben erwähnten Kontaktwiderstand erzeugte Wärmemenge auf einen kleinen Wert stabilisieren, wodurch sich eine geringe Rückschmelztiefe und eine verlängerte Behandlungszeit ergeben würden. Deshalb wird der Druck, wie oben erwähnt, auf 14,7 MPa oder weniger eingestellt. Die Stromdichte wird so eingestellt, dass der Oberflächenteil 10b des Zwischenventilabschnitts 10a durch die zuvor beschriebenen zwei Arten der Wärmeerzeugung geschmolzen wird, noch bevor die Wärme zu anderen Teilen außerhalb des Oberflächenteils 10b des Zwischenventilabschnitts 10a abfließt. Damit die Rückschmelzbehandlung sicher ausgeführt wird, wird die Stromdichte so eingestellt, dass die Temperatur des distalen Endes der oberen Elektrode 1, sobald elektrischer Strom eingespeist wird, den Schmelzpunkt von Aluminium oder eine höhere Temperatur erreicht.
In 3B ist gezeigt, wie die Wärme am geschmolzenen Oberflächenteil 10b des Zwischenventilabschnitts 10a durch Strahlung zu einem Basismaterial verteilt wird, wenn die elektrische Stromeinspeisung unterbrochen ist. Die Temperatur der oberen Elektrode 1 selbst sinkt nicht sofort ab und somit wird die Wärme nicht von der Oberfläche des Zwischenventilabschnitts 10a zur oberen Elektrode 1 hin gestrahlt. Deshalb kühlt sich der Oberflächenabschnitt 10b des Zwischenventilabschnitts 10a vom Basismaterial schnell zur Oberfläche hin ab und erzielt dadurch eine gerichtete Verfestigung. Dies drückt Gussfehler, z. B. kleine eingeschlossene Gasblasen, die vor der Durchführung der Rückschmelzbehandlung vorhanden waren, heraus und ermöglicht dadurch eine sichere Entgasung. Außerdem ist die Oberfläche des Zwischenventilabschnitts 10a während der Rückschmelz nicht der Luft ausgesetzt und deshalb vor Oxidation geschützt, da die obere Elektrode 1 in recht engem Kontakt mit der Oberfläche des Zwischenventilabschnitts 10a gehalten wird. Als Ergebnis erzielt man am Oberflächenteil 10b des Zwischenventilabschnitts 10a eine feine Struktur und diese erstreckt sich homogen vom Basismaterial zur Oberfläche hin.
Im nächsten Schritt wird die obere Elektrode 1 zur Oberfläche des nächsten Zwischenventilabschnitts 10a hin bewegt und mit diesem in Kontakt gebracht. Dieselbe oben beschriebene Prozedur wird wiederholt, bis alle Zwischenventilabschnitte 10a des Zylinderkopfs 10 rückgeschmolzen sind. Da die rückgeschmolzenen Teile der Zwischenventilabschnitte 10a unter Druck rückgeschmolzen wurden, sind sie eingebeult und dementsprechend tiefer als die sie umgebende Oberfläche. Die obere Oberfläche des Zylinderkopfs 10 (die, wenn der Zylinderkopf in einen Motor eingebaut wird, nach oben weist) wird geschliffen und einer Endbearbeitung unterworfen, um die Einkerbungen von allen Zwischenventilabschnitten 10a zu entfernen.
Zuletzt wird der Zylinderkopf 10 einer T6-Wärmebehandlung im selben Verfahren unterworfen, wie bei einem herkömmlichen Behandlungsverfahren. Dies führt die Härte der Oberflächenteile 10bder Zwischenventilabschnitte 10a nahezu zur Härte zurück, die vor der Rückschmelzbehandlung vorlag. Auch die Härte eines Teils, der durch die ausgestrahlte Wärme erweicht wurde, während sich die Oberflächenteile 10b der Zwischenventilabschnitte 10a verfestigten, kann wieder hergestellt werden. Außerdem wird die Restspannung, die im Zylinderkopf 10 erzeugt wurde, abgebaut.
Auf diese Weise werden in der Rückschmelzbehandlung durch das elektrische Wärmebehandlungsverfahren der vorangehenden Ausführungsform die durch den Eigenwiderstand der oberen Elektrode 1 und die durch den Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen der oberen Elektrode 1 und dem Zylinderkopf 10 erzeugte Wärme nur auf den Oberflächenteil 10b eines Zwischenventilabschnitts 10a des Zylinderkopfs 10 konzentriert. Auf diese Weise lässt sich, selbst wenn der Zylinderkopf 10 eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, der Oberflächenteil 10b lokal erwärmen und schmelzen. Darüber hinaus erzeugt das elektrische Wärmebehandlungsverfahren gemäß dieser Ausführungsform keine Krater, wie sie in der konventionellen Bogenrückschmelzbehandlung erzeugt werden. Dies erlaubt eine örtlich sehr konzentrierte Behandlung lediglich der Zwischenventilabschnitte 10a, die die Rückschmelzbehandlung benötigen, und vermeidet dadurch die Notwendigkeit, die umgebenden Bereiche, die keine Wärmebehandlung benötigen, zu bearbeiten. Deshalb kann ein durch unerwünschte Wärmespannungen entstehender Bruch vermieden werden. Zusätzlich wird der Oberflächenteil 10b des Zwischenventilabschnitts 10a, an den die obere Elektrode 1 anstößt, mit Sicherheit ohne das Versatzproblem, das durch den magnetischen Wind oder dergleichen hervorgerufen wird, behandelt werden. Außerdem braucht man kein Schutzgas, um die Oxidation der behandelten Oberfläche zu vermeiden, und erzielt zudem eine gute Entgasung. Damit kann die Rückschmelzbehandlung einfach durchgeführt und die Qualität des Zylinderkopfs 10 über die mit herkömmlichen Verfahren erreichbare Qualität gesteigert werden.
In der obigen Ausführungsform war die obere Elektrode 1 säulenförmig geformt. Bevorzugt wird die obere Elektrode 1 so geformt, dass die Fläche eines zur Oberfläche des Zwischenventilabschnitts 10a des Zylinderkopfs 10 nahezu parallelen Abschnitts kleiner ist, als die Fläche ihrer unteren Endabschnitts, ohne die Größe ihrer distalen Endfläche zu ändern. Insbesondere kann die obere Elektrode 1 z. B. so geformt sein, dass sie, wie 4A zeigt, in der Mitte in vertikaler Richtung schmaler wird oder auch eine konische, trapezförmige Gestalt haben, deren Durchmesser nach oben abnimmt, wie dies in 4B gezeigt ist. Eine derartige Form lässt eine Erhöhung des Widerstandswerts der oberen Elektrode 1 ohne Änderung des Oberflächenbehandlungsbereichs zu, und deshalb kann die durch den Widerstand der oberen Elektrode 1 selbst erzeugte Wärme erhöht werden. Dies bedeutet, dass die lokale Rückschmelzbehandlung noch effektiver ausgeführt werden kann. Die untere Endfläche der oberen Elektrode 1 muss nicht rund sein; sie kann jede andere Form haben, so lange sie auf die Form eines zu behandelnden Teils passt. Gleichermaßen kann die obere Elektrode aus einem anderen Bestandteil als Kohlenstoff gebildet sein.
In der vorangehenden Ausführungsform werden die Zwischenventilabschnitte 10a nach der Rückschmelzbehandlung niedriger als die sie umgebenden Oberflächen, da sie von der oberen Elektrode 1 unter Druck gesetzt werden. Gemäß
5 lässt sich der Höhenunterschied zwischen den Zwischenventilabschnitten 10a und der sie umgebenden Oberflächen nach der Rückschmelzbehandlung verringern, indem die Zwischenventilabschnitte 10a des Zylinderkopfs 10 zuvor beim Guss so vorgeformt werden, dass sie aus der umgebenden Oberfläche um annähernd die Höhe vorspringen, die die durch die Rückschmelzbehandlung verursachten Dellen schätzungsweise haben. Durch diese Verfahrensweise werden die Endbearbeitungskosten reduziert. Außerdem werden nur die vorstehenden Oberflächen der Zwischenventilabschnitte 10a im Vorbearbeitungsprozess vorbearbeitet, damit die Oberflächen der Zwischenventilabschnitte 10a vor der Rückschmelzbehandlung geglättet werden, so dass die sie umgebenden Bereiche nicht mehr nachbearbeitet werden müssen. Außerdem sind die Bearbeitungsvorgänge vor und nach der Oberflächenbehandlung mit der Folge verringerter Kosten vereinfacht.
Wenn, wie zuvor erwähnt, die Zwischenventilabschnitte 10a aus den sie umgebenden Oberflächenbereichen vorstehen sollte der untere Endabschnitt der oberen Elektrode 1 konisch so geformt sein, dass der Durchmesser zum distalen Ende der oberen Elektrode 1 hin abnimmt, wie 6 zeigt. Dies bringt folgende Vorteile: die obere Elektrode 1 hat, wie 6A zeigt, fast Punktkontakt mit der Oberseite des Zwischenventilabschnitts 10a des Zylinderkopfs 10 vor der Stromeinspeisung und Erhitzung; Während der Stromeinspeisung und Erhitzung wird der Oberflächenteil 10b des Zwischenventilabschnitts 10a plastisch verformt, da er gegen die obere Elektrode 1 gedrückt wird, so dass sich gemäß 6B die Kontaktfläche zwischen beiden erhöht. Deshalb können die Oberflächen der Zwischenventilabschnitte 10a, selbst wenn sie Gussoberflächen sind, sicher in dem Zustand gehalten werden, in dem sie durch die obere Elektrode 1 während der elektrischen Erwärmung geschmolzen werden, wodurch eine Vorbearbeitung, wie die Glättung der Oberflächen, vermieden werden kann. Außerdem wird dabei zuverlässig die Erzeugung von Funken verhindert. Der zentrale Teil der oberen Elektrode 1 kommt mit Sicherheit mit der Oberfläche des Zwischenventilabschnitts 10a vor der elektrischen Erwärmung in Berührung; deshalb tritt in der oberen Elektrode 1 zu Anfang der Einspeisung keine ungleichförmige Verteilung des elektrischen Stroms auf, und der elektrische Strom wird so verteilt, dass sich die Wärmespannung von dem zentralen Abschnitt zur peripheren Seite hin ändert. Im Ergebnis lassen sich auch durch Wärmespannungen verursachte Brüche in der oberen Elektrode 1 verhindern. Es ist außerdem zu bevorzugen, wenn der untere Endabschnitt der oberen Elektrode 1 konisch ist, dass die Zwischenventilabschnitte 10a von der sie umgebenden Oberfläche vorstehen; allerdings lässt sich der vorangehend gezeigte Vorteil auch erreichen, wenn sie nicht wie in der Ausführungform vorstehen. Wenn die obere Elektrode, wie oben beschrieben, mit einem Teil mit geringerer Querschnittsfläche versehen ist, kann sie so geformt sein, dass die Querschnittsfläche in dem verschmälerten Teil, die annähernd parallel zu den Oberflächen der Zwischenventilabschnitte 10a des Zylinderkopfs 10 ist, kleiner als das proximale Ende des konischen Abschnitts am distalen Endabschnitt der oberen Elektrode 1 ist.
Weiterhin wird in der obigen Ausführungsform die obere Elektrode 1 durch die aufgrund ihres Eigenwiderstands erzeugte Wärme erhitzt, sobald der elektrische Strom eingespeist wird. Bevorzugt wird die obere Elektrode 1, vor der Einspeisung des elektrischen Stroms, auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt. Genauer wird z. B. die obere Elektrode 1, bevor der Zylinderkopf 10 auf die untere Elektrode 2 gelegt wird, an die untere Elektrode 2 angelegt und der Schalter 5 geschlossen, um dadurch elektrischen Strom zur Vorheizung der oberen Elektrode 1 fließen zu lassen. Als Alternative kann, nachdem ein Zwischenventilabschnitt 10a rückgeschmolzen wurde, die obere Elektrode 1, während sie zum nächsten Zwischenventilabschnitt 10a bewegt wird, in Kontakt mit einer anderen Elektrode gebracht werden, um sie zur Vorheizung zu speisen. Dadurch kann die Temperatur der oberen Elektrode 1 zu Anfang der Stromeinspeisung erhöht werden, so dass die Wärmespannung der oberen Elektrode 1 verringert werden kann. Damit lassen sich Brüche der oberen Elektrode 1 noch wirksamer verhindern, und die Oberflächenteile 10b der Zwischenventilabschnitte 10a des Zylinderkopfs 10 können noch schneller erwärmt und geschmolzen werden.
Der während der Stromeinspeisung ausgeübte Druck sollte auf 14,7 MPa (1,5 kgf/mm²) oder weniger eingestellt werden und, um die durch den Kontaktwiderstand erzeugte Wärme zu erhöhen, so klein wie möglich sein; wenn der Druck jedoch einen zu kleinen Wert hat, können Funken erzeugt werden. Um dies zu vermeiden, wird die elektrische Spannung zwischen der oberen Elektrode 1 und dem Zylinderkopf 10, d. h. der Kontaktwiderstandswert, durch Voltmeter überwacht, und die Druckkraft, falls die elektrische Spannung höher als ein vorbestimmter Wert ist, erhöht und verringert, falls die Spannung geringer als der vorbestimmte Wert ist. Dies lässt die durch den Widerstand erzeugte Wärmemenge so weit wie möglich wachsen und gleichzeitig verhindert dies die Erzeugung von Funken. Wenn man, wie 7 zeigt, die Unterseite der oberen Elektrode 1 mit mehreren V-Rillen 1a, 1a u. s. w. versieht, wird die wirkliche Kontaktfläche verringert und erlaubt dadurch eine weitere Erhöhung der von dem Kontaktwiderstand erzeugte Wärmemenge. Gleichermaßen kann, wie 8 zeigt, ein verhältnismäßig großer U-förmiger Ausschnitt 1b in der Mitte der Unterseite der oberen Elektrode 1 angebracht werden, um damit die vom Kontaktwiderstand erzeugte Wärmemenge zu erhöhen. Dies ist allerdings für die Rückschmelzbehandlung nicht sehr geeignet, kann jedoch bei einem Weichmachprozess oder dergleichen angewendet werden, wie er später beschrieben wird.
In der obigen Ausführungsform wurde das elektrische Wärmebehandlungsgerät zum Rückschmelzen verwendet. Als Alternative kann der Oberflächenteil des Werkstücks, gegen den die obere Elektrode 1 stößt, auch von der durch den Eigenwiderstand der oberen Elektrode 1 selbst erzeugten Wärme und von der durch den Kontaktwiderstand an der Grenzfläche des distalen Endes der oberen Elektrode 1 und dem Werkstück erzeugte Wärme lokal erwärmt werden, um auf diese Weise eine Oberflächenbehandlung eines anderen Bereichs bezogen auf den Bereich, an dem die obere Elektrode 1 anstößt, auszuführen. Z. B. kann eine Erweichbzw. Entfestigungsbehandlung an den Zwischenventilabschnitten 10a des Zylinderkopfs 10 oder einer Lippe oder dergleichen eines Kolbens ausgeführt werden, um diese durch Erwärmung bis zu einem Grad weich zu machen, wo sie noch nicht schmelzen, auf diese Weise die Dehnung zu steigern und dadurch die Lebensdauer bei thermischer Ermüdung zu verlängern. Außerdem kann eine Wärmebehandlung, z. B. Vergütung, Tempern oder Glühen, ausgeführt werden. Die aktive Nutzung der Andruckkraft erlaubt ein örtlich begrenztes Schmieden, wodurch sich ein Gussfehler, wie z. B. eine Gasblase innerhalb eines Werkstücks entfernen lässt, was die Fehler verringert. Außerdem kann gemäß 9 ein dünnes Sekundärwerkstück 13, das aus einem Bestandteil besteht, der z. B. eine hohe Verschleißfestigkeit hat, und das sich von einem ersten Werkstück 12 unterscheidet, auf die Oberseite des ersten Werkstücks 12 gelegt werden und die obere Elektrode 1 an die Oberseite des Sekundärwerkstücks 13 angelegt und zur Erwärmung erregt werden. Dies lässt das Sekundärwerkstück 13 auf die Oberseite des Werkstücks 12 aufschmelzen, um das Werkstück 12 lokal zu verstärken.
Das oben erwähnte elektrische Wärmebehandlungsverfahren kann auch zur lokalen Legierung eines Werkstücks und eines Bestandteils, dessen Material sich von dem Material des Werkstücks unterscheidet, angewendet werden. Genauer kann ein dünnes Sekundärwerkstück 16, das aus einem Bestandteil geformt ist, der sich von dem eines ersten Werkstücks 15 unterscheidet, in einen in der Oberseite des ersten Werkstücks 15 gebildeten Ausschnitt 15a eingefügt, dann die obere Elektrode 1 in engen Kontakt mit der Oberseite beider, nämlich des ersten und zweiten Werkstücks 15 und 16 gebracht werden, um die gleiche oben geschilderte Rückschmelzbehandlung auszuführen. Auf diese Weise kann eine Legierungsschicht 17 aus der Verbindung der Bestandteile des ersten und zweiten Werkstücks 15 und 16 örtlich an den peripheren Seitenteilen des zweiten Werkstücks 16 gebildet werden, und das zweite Werkstück 16 wird gemäß 11 rückgeschmolzen. Dieser Legierungsprozess kann auch auf die Zwischenventilabschnitte 10a des Zylinderkopfs 10, den Scheitel eines Kolbens, eines Nockens u. s. w. angewendet werden. Z. B. lassen sich die Verschleißfestigkeit und thermische Lebensdauer in einfacher Weise durch Verwendung eines gießbaren Aluminiumlegierungsbestandteils für das erste Werkstück 15, z. B. AC4D gemäß der Spezifikation H5202 der JIS-Norm, und für das zweite Werkstück 16 einer Aluminiumlegierung, z. B. A2219, welche einen besonders hohen Wärmewiderstand mit verschlechterter Gießbarkeit verbindet, steigern.
In dem oben beschriebenen Legierungsprozess besteht das zweite Werkstück 16 aus einem porösen Metallbestandteil und wird mit dem zu behandelnden Abschnitt, nämlich dem Oberflächenabschnitt des ersten Werkstücks 15, an dem die obere Elektrode 1 anliegt, vor der elektrischen Erwärmung vergossen oder verbunden. Dann werden das erste und zweite Werkstück 15 und 16 durch die elektrische Erwärmung legiert. Auf diese Weise können die Werkstücke, auch wenn sie aus Komponenten mit verhältnismäßig hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen, leicht verschmolzen werden. Dies bedeutet, dass verschiedene Komponenten gleichförmig und leicht auf das erste Werkstück 15 aufgeschmolzen werden können.
Außerdem ist in der Ausführungsform die obere Elektrode 1 direkt an der Hauptkörperelektrode 3 angebracht. Bevorzugt ist jedoch zwischen der oberen Elektrode 1 und der Hauptkörperelektrode 3, wie in 12 gezeigt ist, eine separate Zwischenelektrode 4 angebracht, deren fast parallel zur Oberfläche des Zwischenventilabschnitts 10a des Zylinderkopfs 10 liegende Querschnittsfläche gleich oder nicht größer als die der oberen Elektrode 1 und deren elektrische Leitfähigkeit gleich oder nicht größer als die der oberen Elektrode 1 ist. In diesem Fall sollte, falls die obere Elektrode 1 aus einem Kohlenstoffbestandteil besteht, die Zwischenelektrode 4 auch aus einem Kohlenstoffbestandteil bestehen, der getrennt ist von der oberen Elektrode 1. Das Zufügen der Zwischenelektrode 4 verursacht, dass die durch den Kontaktwiderstand erzeugte Wärme auch zwischen der oberen Elektrode 1 und der Zwischenelektrode 4 erzeugt wird und dass die Übertragung der durch den Eigenwiderstand der oberen Elektrode 1 erzeugten Wärme zur gekühlten Hauptkörperelektrode 3 eingeschränkt ist, so dass die Wärme mit Sicherheit auf den zu dem Zylinderkopf 10 übergeht. Da die Fläche des Abschnitts in der Zwischenelektrode 4, die nahezu parallel zur Oberfläche des Zwischenventilabschnitts 10a des Zylinderkopfs 10 liegt, gleich oder nicht kleiner als die obere Elektrode 1 ist, lässt sich die durch die Installation der Zwischenelektrode 4 verursachte Verringerung der vom Eigenwiderstand der oberen Elektrode 1 erzeugten Wärme verhindern. Dadurch ist die Heizeffizienz für den Zwischenventilabschnitt 10a des Zylinderkopfs 10 gesteigert.
In der vorangehenden Ausführungsform ist die distale Endfläche der oberen Elektrode 1 flach, und ein Teil derselben befindet sich über den zwei Durchgangsbohrungen 10c und 10c. Bevorzugt sind die Abschnitte der distalen Endfläche der oberen Elektrode 1, die den Durchgangsbohrungen 10c entsprechen, mit Rückhalteabschnitten 1c und 1c versehen, die dafür sorgen, dass ein geschmolzener Bestandteil der Zwischenventilabschnitte 10a des Zylinderkopfs 10 während der elektrischen Erwärmung nicht in die Durchgangsbohrungen 10cfließen kann. Insbesondere stehen die Rückhalteabschnitte 1c entlang den peripheren Teilen der jeweiligen Durchgangsbohrungen 10c von der distalen Endfläche der oberen Elektrode 1 in die jeweilige Durchgangsbohrung 10c vor und halten dadurch den geschmolzenen Bestandteil der Zwischenventilabschnitte 10a, so dass er nicht in die Durchgangsbohrungen 10c tropfen kann.
Qualitätsfehler der Oberflächenteile 10b der Zwischenventilabschnitte 10a des Zylinderkopfs 10 und der Durchgangsbohrungen 10c werden dadurch klein gehalten.
Wenn für die obere Elektrode 1 ein Kohlenstoffbestandteil verwendet wird, ist zu bevorzugen, die obere Elektrode 1 durch Presspassung oder Schrumpfpassung eines Kohlenstoffglieds 1d in ein Wolframrohr 1e zur Komibination der beiden Glieder gemäß 15 zu formen. Dies ist aus folgendem Grund zu bevorzugen: Die äußere periphere Oberfläche der oberen Elektrode 1 in der obigen Ausführungsform ist der Luft ausgesetzt und dadurch der Oxidation und dem Verschleiß unterworfen; das Wolframrohr 1e hat einen höheren Schmelzpunkt und schützt sicher die Oberfläche des Kohlenstoffglieds 1d. Deshalb kann der Verschleiß der oberen Elektrode 1 durch Oxidation wirksam beschränkt werden und führt zu einer längeren Einsatzdauer der oberen Elektrode 1. Statt des Wolframrohrs 1e kann ein SiC-Film auf der äußeren peripheren Oberfläche des Kohlenstoffglieds 1d gebildet und auf diese Weise der durch Oxidation hervorgerufene Verschleiß der oberen Elektrode 1 beschränkt werden.
Außerdem besteht in der oben beschriebenen Ausführungsform die untere Elektrode 2 aus einem Kupferbestandteil; alternativ kann sie aus einem Kohlenstoffbestandteil bestehen, wie im Falle der oberen Elektrode 1. In diesem Fall müssen jedoch die obere Elektrode 1 und die untere Elektrode 2 so erregt werden, dass die Kontaktfläche zwischen der unteren Elektrode 2 und dem Zylinderkopf 10 größer als die Kontaktfläche zwischen der oberen Elektrode 1 und dem Zylinderkopf 10 ist. Anders gesagt, wird dadurch der Kontaktwiderstand zwischen der unteren Elektrode 2 und dem Zylinderkopf 10 verringert, um ein Schmelzen der Bodenseite des Zylinderkopfs 10 zu verhindern.
Nun wird eine tatsächlich realisierte Ausführungsform beschrieben.
Wie 16 zeigt, wurde die obere Elektrode 1 des elektrischen Wärmebehandlungsgeräts 100 aus einem Kohlenstoffbestandteil so gebildet, dass sie einen dickeren Abschnitt 1f, der einen Durchmesser von 50 mm und eine Höhe von 25 mm hat, und einen dünneren Abschnitt 1g hat, der unterhalb des dickeren Abschnitts 1f liegt und der einen Durchmesser von 20 mm und eine Höhe von 5 mm hat. Die untere Elektrode 2 und die Hauptkörperelektrode 3 wurden aus einem Kupferbestandteil hergestellt. Ein 25 mm dickes Aluminiumteststück 20 wurde aus AC4D gemäß der JIS-Norm hergestellt. Zwei Durchgangsbohrungen 20a und 20a mit einem Durchmesser von 14 mm wurden etwa in der Mitte des Teststücks 20 gebildet und eine Mindestdistanz von 11 mm zwischen den beiden Durchgangsbohrungen 20a und 20a eingehalten, wie 17 zeigt. Anders gesagt, wurde der Abschnitt zwischen den zwei Durchgangsbohrungen 20a und 20a so hergestellt, dass er fast genauso ist, wie der Zwischenventilabschnitt 10a des Zylinderkopfs 10 in der zuvor erwähnten Ausführungsform.
Das Teststück 20 wurde auf die untere Elektrode 20 aufgelegt und der Abschnitt 1g der oberen Elektrode 1 mit dem kleineren Durchmesser in engen Kontakt mit der Oberfläche zwischen den zwei Durchgangsbohrungen 20a und 20a des Teststücks 20 gebracht, dann der Schalter 5 geschlossen und elektrischer Strom eingespeist und das Teststück 20 von der oberen Elektrode 1 unter Druck gesetzt. Die Druckkraft wurde dabei auf 6865 N (700 kgf) so eingestellt, dass der Oberflächendruck etwa 21,6 MPa (2,2 kgf/mm²) betrug. Die Stromstärke wurde auf drei unterschiedliche Werte eingestellt, nämlich 2 kA (Stromdichte: 6,4 A/mm²), 3 kA (Stromdichte: 9,6 A/mm²) und 4 kA (Stromdichte: 12,7 A/mm²). Die Speisedauer wurde übereinstimmend mit den vorangehenden Stromstärken verändert und jeweils zu 12 s, 18 s und 50 s eingestellt. Bei den drei Betriebsbedingungen wurde die Härte des Abschnitts zwischen den zwei Durchgangsbohrungen 20a und 20a des Teststücks 20 nach der elektrischen Wärmebehandlung bis in eine Tiefe von 20 mm von der Oberfläche gemessen. Die Ergebnisse der Härtemessung sind in 18 dargestellt. Daraus ersieht man, dass das Rückschmelzen nicht stattfand, wenn die Stromstärke zu 4 kA (Speisezeit: 12 s) eingestellt war und die Härte höher war, als in Fällen mit anderen Stromstärken, bis hinab zu etwa 5 mm Tiefe von der Oberfläche. Obwohl die untere Seite gerade unterhalb des rückgeschmolzenen Teils durch die Einflüsse der Wärmestrahlung erweicht wurde, beobachtete man eine derartige Erweichung kaum bei einer Tiefe von 10 mm oder darunter, was zeigt, dass die örtlich begrenzte Erwärmung die thermischen Einflüsse steuerte.
Andererseits erhöhte sich die Temperatur in den Fällen, wo die Stromstärke zu 2 kA (Speisedauer: 18 s) und 3 kA (Speisedauer: 50 s) eingestellt war, auch nach längerer Erwärmungszeit nicht bis zum Schmelzpunkt, und man versteht, dass deshalb wegen der Wärmeleitung das gesamte Teststück 20 erweicht wurde. Dies bedeutet, dass die Rückschmelzbehandlung schnell mit einer hohen Stromdichte ausgeführt werden muss. Auch die Erweichung muss schnell erfolgen, bevor die Wärme auf andere Teile übergeht, und sollte innerhalb etwa 10 s (das Schmelzen beginnt, wenn die Erweichung mehr als 10 s lang dauert) bei einer großen Stromstärke von etwa 4 kA beendet werden.
Außerdem wurde unter einem Mikroskop bei der Stromstärke 4 kA der strukturelle Zustand zwischen den zwei Durchgangsbohrungen 20a und 20a des Teststücks 20 nach der Wärmebehandlung untersucht. Die Untersuchungsergebnisse sind in den 19 bis 22 gezeigt. Anhand der 19, in der die Vergrößerung 5-fach war, erkennt man, dass die Struktur des Oberflächenabschnitts des Teststücks 20, gegen das die obere Elektrode 1 anstieß, rückgeschmolzen und feiner geworden ist, als der darunter liegende Teil. Die Struktur des Oberflächenabschnitts, an dem die obere Elektrode 1 anlag, gibt etwa 8 ?m in Größen von DAS an, welches ein Indiz für die feine Struktur ist. Dieses Niveau der Strukturfeinheit ist annähernd dasselbe, wie es bei der durch herkömmliche Bogenverfahren ausgeführten Rückschmelzbehandlungen erreicht wird. Die 20 und 21 (Vergrößerungen 50-fach in beiden Grafiken) sind vergrößerte Ansichten des Teils, an dem die obere Elektrode 1 anstieß, 20 zeigt den Bereich näher an der Oberfläche und 21 den Bereich weiter weg von der Oberfläche: 22 (Vergrößerung 400-fach) ist eine noch stärker vergrößerte Ansicht des Teils, an dem die obere Elektrode 1 anlag. Diese vergrößerten Ansichten machten deutlich, dass sich die Struktur gleichförmig fast vertikal ausdehnte, und beweisen damit, dass die gerichtete Verfestigung positiv erreicht wurde.
Nun wurde ein anderes Teststück 20 mit einem Gussfehler, nämlich Gasblasen, untersucht. Das Teststück 20 wurde der Rückschmelzbearbeitung unter denselben zuvor erwähnten Bedingungen unterworfen, die Stromstärke wurde auf 4 kA eingestellt, dann der Strukturzustand des Bereichs zwischen den zwei Durchgangsbohrungen 20a und 20a des Teststücks 20 unter einem Mikroskop untersucht. Das Ergebnis ist in 23 (Vergrößerung 5-fach) gezeigt. Man erkennt, dass die Entgasung aufgrund der gerichteten Verfestigung zuverlässig erreicht worden ist.
Dann wurde auf der Oberseite des Teststücks 20 ein Einschnitt gebildet und ein säulenförmiges Glied in den Einschnitt eingepasst, wie dies in 10 gezeigt ist, um die Teile unter denselben oben erwähnten Bedingungen lokal zu legieren, wobei die Stromstärke auf 4 kA eingestellt wurde. Für das Säulenglied wurde Aluminiumlegierung A2219 verwendet. Der Strukturzustand der Legierungslage wurde unter einem Mikroskop untersucht und das Ergebnis ist in 24 gezeigt (Vergrößerung 10-fach). Es ist zu erkennen, dass die Legierungslage, die eine Verbindung des Teststücks 20 mit dem Säulenglied ist, örtlich auf den peripheren Seitenteilen des Säulenglieds gebildet wurde und dass das Rückschmelzen des Säulenglieds erfolgreich erzielt worden ist.
Darauffolgend wurde auf der Oberseite des Teststücks 20 ein Säulenglied aufgelegt, das 30 mm Durchmesser und 10 mm Höhe hat, und das Säulenglied unter denselben zuvor erwähnten Bedingungen auf das Teststück 20 geschweißt. Die Stromstärke betrug 4 kA. Für das Säulenglied wurde Aluminiumlegierung A390 verwendet, die eine übereutektische Siliciumlegierung ist. Die obere Elektrode 1 hatte nur den Abschnitt 1f mit größerem Durchmesser und die untere Elektrode 2 verwendete denselben Kohlenstoffbestandteil wie die obere Elektrode 1. Der Strukturzustand der Grenzfläche zwischen dem Säulenglied und dem Teststück wurde unter einem Mikroskop untersucht und das Ergebnis ist in 21 gezeigt (Vergrößerung 200-fach). Aus dieser Figur erkennt man, dass das Teststück 20 und das Säulenglied positiv miteinander durch Diffusionsschweißen verschweißt worden sind.
26 zeigt die Ergebnisse eines Tests, wie das Rückschmelzen und Erweichen des voranstehenden Aluminiumlegierungsbestandteils die thermische Ermüdungslebensdauer (Testtemperatur: 300°C) beeinflusst. Die Erweichung wurde ausgeführt während die Temperatur bei 300°C gehalten wurde, und die Rückschmelzbehandlung enthielt die T6-Wärmebehandlung. Ein Vergleich zwischen einem F-Bestandteil, der keiner Behandlung unterzogen wurde, und dem T6-Bestandteil, der die Wärmebehandlung erfuhr, ergibt, dass ein der Rückschmelzbehandlung unterworfenes Teil eine beträchtlich verlängerte Ermüdungslebensdauer zeigt. Man sieht auch, dass die thermische Ermüdungslebensdauer durch die Erweichung verlängert wird.
In 26 bezeichnet "η" einen Deformationsunterdrückungsfaktor, der durch die nachstehende Formel angegeben ist. η = Δεt/(α·ΔT) = (1Δf – Δ1)/Δ1f worin Δεt einen gesamten Deformationsbereich, α einen linearen Dehnungskoeffizienten, ΔT den Unterschied zwischen einer Höchsttemperatur und einer Mindesttemperatur, Δ1f eine Versetzungsstärke zur Zeit freier Dehnung und Kontraktion und Δ1 eine Versetzungsstärke angeben, die beobachtet wird, wenn das Teststück während seiner Dehnung und Kontraktion rückgeformt (entspannt) wird.
Darauffolgend wurde gemäß 27 der Scheitelabschnitt eines Kolbens 25 rückgeschmolzen und die Beziehung zwischen dem Oberflächendruck und der Rückschmelztiefe untersucht. Für diesen Test wurde die aus einem Kohlenstoffbestandteil bestehende Zwischenelektrode 4 zwischen die aus dem Kohlenstoffbestandteil bestehende obere Elektrode 1 und die aus einem Kupferbestandteil bestehende Hauptelektrode 3 gesetzt. Die detaillierten Dimensionen der oberen Elektrode und der Zwischenelektrode 4 sind in 28 gezeigt. Die Höhe h der oberen Elektrode 1 war 20 mm, die Stromstärke betrug 3 kA und die Erregungszeit war 46 s. Ein Aluminiumlegierungsgussteil, nämlich aus AC8A, spezifiziert durch die JIS-Norm H5202, wurde für den Kolben 25 verwendet. Die zur Erreichung der Stromstärke von 3 kA angelegte Spannung wurde auch geprüft.
Die Ergebnisse sind in 29 gezeigt. Die Beziehung zwischen dem Druck der Andruckfläche und der angelegten Spannung ist in 30 gezeigt. Aus diesem Kurven ersieht man, dass die Rückschmelztiefe durch die Einstellung des Drucks der Andruckfläche auf 14,7 MPa (1,5 kgf/mm²) oder weniger erhöht werden kann. Dies deshalb, weil ein geringerer Druck der Andruckfläche eine Erhöhung des Kontaktwiderstandes oder der angelegten Spannung verursacht, wie in 30 gezeigt ist, und die durch den Kontaktwiderstand erzeugte Wärme wächst.
Daraufhin wurde die Beziehung zwischen dem Druck der Andruckfläche und der auf ein Werkstück übertragenen Wärme studiert. Zu diesem Zweck wurde für das Werkstück dieselbe Aluminiumlegierungsgussplatte (Größe: 80 × 70 × 20 mm) wie für den Kolben 25 verwendet. Strom der Stärke 3 kA wurde 20 Sekunden lang eingespeist und die auf das Werkstück übertragene Wärme unter Verwendung eines kalorimetrischen Verfahrens gemessen, bei dem die erwärmte Platte in ein bestimmtes Volumen Wasser, nämlich 500 g, eingetaucht und die Erhöhung der Wassertemperatur zur Ermittlung der übertragenen Wärme gemessen wurde. Die Beziehung zwischen der Stromstärke und der auf das Werkstück übertragenen Wärme wurde auch in einem Fall gemessen, wo der Druck der Andruckfläche 7,8 MPa (0,8 kgf/mm²) betrug, und außerdem in einem Fall, wo dieser Druck 23,5 MPa (2,4 kgf/mm²) betrug.
Die Beziehung zwischen dem Druck der Andruckfläche und der auf das Werkstück übertragenen Wärme ist in 31 gezeigt, während die Beziehung zwischen der Stromstärke und der auf das Werkstück übertragenen Wärme in 32 dargestellt ist. Es hat sich gezeigt, dass die Beziehung zwischen dem Druck der Andruckfläche und der übertragenen Wärme ähnlich ist wie die Beziehung zwischen dem Druck der Andruckfläche und der Rückschmelztiefe. Außerdem ergab sich, dass, falls der Druck der Andruckfläche 23,5 MPa (2,4 kgf/mm²) übersteigt, die durch den Kontaktwiderstand erzeugte Wärme fast null war und nur die vom Eigenwiderstand der oberen Elektrode erzeugte Wärme verbleibt, wohingegen, wenn der Druck der Andruckfläche 23,5 MPa (2,4 kgf/mm²) oder weniger ist, die vom Eigenwiderstand erzeugte Wärme unverändert blieb und die übertragene Wärmemenge entsprechend der Erhöhung des Kontaktwiderstands wuchs. Dasselbe gilt auch, wenn die Stromstärke verändert wird. Aus diesem Grund kann in Anbetracht der Beziehung zwischen dem Druck der Andruckfläche und der auf das Werkstück übertragenen Wärme und der Beziehung zwischen dem Druck der Andruckfläche und der Rückschmelztiefe die auf das Werkstück übertragene Wärme dadurch erhöht werden, dass man den Druck der Andruckfläche zu 14,7 MPa (1,5 kgf/mm²) oder weniger einstellt. Dies erlaubt eine größere Rückschmelztiefe und eine verkürzte Bearbeitungszeit.
Danach wurde die obere Elektrode in einer Höhe H = 10 mm gebildet und die auf das Werkstück, nämlich die Platte, übertragene Wärme mit demselben, oben beschriebenen Verfahren gemessen. Außerdem war die obere Elektrode 1 so gestaltet, dass sie, wie in 33 gezeigt, einen Abschnitt 1f mit vergrößertem Durchmesser und einen mit diesem einstückigen Abschnitt 1g geringeren Durchmessers hat, und dann wurde die auf das Werkstück übertragene Wärme ohne Anwendung der Zwischenelektrode 4 gemessen. Zu dieser Zeit betrug der eingestellte Druck der Andruckfläche 7,8 MPa (0,8 kgf/mm²).
Die Messergebnisse sind in 34 gezeigt. Die für H = 20 in 34 erzielten Messergebnisse sind mit den Messergebnissen identisch, die erzielt wurden, wenn der Druck der Andruckfläche in 31 7,8 MPa (0,8 kgf/mm²) betrug. Dies gibt an, dass sich bei Verwendung der Zwischenelektrode die übertragene Wärmemenge unabhängig von der Höhe H der oberen Elektrode erhöht.
Deshalb kann mit dem oben beschriebenen elektrischen Wärmebehandlungsverfahren oder mit dem Gerät der Oberflächenabschnitt des Werkstücks, an dem die Elektrode anliegt, lokal sowohl durch die von dem Eigenwiderstand der Speiseelektrode selbst erzeugte Wärme, als auch durch die durch den Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen dem distalen Ende der Speiseelektrode und dem Werkstück durch die Einspeisung eines Stroms in die Speiseelektrode und das Werkstück lokal erhitzt werden, wobei das distale Ende der Elektrode in engem Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks gehalten wird. Dies ermöglicht eine einfache Realisierung einer vorbestimmten Oberflächenbehandlung und eine Qualitätssteigerung derselben. Darüber hinaus kann eine optimale, bestimmte Oberflächenbehandlung durch Rückschmelzen eines Werkstücks oder Legieren des Werkstücks mit einem von diesem verschiedenen Bestandteil erreicht werden.
Außerdem wird die Speiseelektrode mit dem Werkstück wenigstens so lange in Kontakt gehalten, bis, nachdem die Erregung unterbrochen worden ist, die Verfestigung des Oberflächenabschnitts, an dem die Elektrode anliegt, vollständig ist; somit kann zuverlässig eine gerichtete Verfestigung von dem Basismaterial zur Oberfläche hin erreicht und die Anzahl eingeschlossener Gasblasen verringert werden.
Vor der elektrischen Erwärmung wird ein von dem Bestandteil eines Werkstücks verschiedener poröser Metallbestandteil in den Oberflächenabschnitt des Werkstücks, an dem die Elektrode anzulegen ist, eingegossen und das Werkstück und der poröse Metallbestandteil miteinander durch elektrisches Erhitzen legiert. Dies gestattet einen gleichförmige und einfache Legierung des Werkstücks auch, wenn ein Element mit hoher elektrischer Leitfähigkeit verwendet wird.
Das Werkstück wird elektrisch erhitzt und gleichzeitig ein Flächendruck von 14,7 MPa oder weniger durch die Speiseelektrode aufgebracht. Dies lässt die Behandlungstiefe anwachsen und verkürzt die notwendige Behandlungszeit.
Die Temperatur des distalen Endabschnitts der Speiseelektrode erreicht den Schmelzpunkt oder eine höhere Temperatur des Bestandteils des Werkstücks, so dass Rückschmelzen oder eine Legierungsbehandlung positiv ausgeführt werden können.
Das distale Ende der Speiseelektrode ist mit einem Rückhalteteil ausgestattet, der während der elektrischen Erhitzung verhindert, dass ein geschmolzener Teil des Werkstücks in einen Ausschnitt oder in Durchgangsbohrungen rinnt, die um den Oberflächenabschnitt des Werkstücks, an dem die Elektrode anzulegen ist, gebildet sind. Dies verringert Qualitätsfehler des Oberflächenabschnitts des Werkstücks, der in Berührung mit der Elektrode kommt, und des Ausschnitts oder der Durchgangsbohrung.
Eine Verwendung eines Aluminiumlegierungsbestandteils für das Werkstück erlaubt eine weitere effektive Anwendung.
Die Heizeffizienz des Werkstücks lässt sich verbessern, indem eine separate Zwischenelektrode zwischen der Speiseelektrode und der am proximalen Ende der Speiseelektrode sitzenden Hauptkörperelektrode angebracht wird. In der Zwischenelektrode ist die Fläche eines Abschnitts, die nahezu parallel zur Oberfläche des Werkstücks liegt, an dem die Elektrode anzulegen ist, gleich oder nicht kleiner als die Fläche der Speiseelektrode ist. Außerdem ist die elektrische Leitfähigkeit der Zwischenelektrode gleich oder nicht kleiner als die der Speiseelektrode.
Wenn die Speiseelektrode durch einen Kohlenstoffbestandteil gebildet ist, wird eine zuverlässige und wirksame Oberflächenbehandlung erreicht.
Die Speiseelektrode ist so geformt, dass die Fläche ihres Abschnitts, der fast parallel zum Oberflächenabschnitt des Werkstücks liegt, an dem die Elektrode anzulegen ist, kleiner als das distale Ende der Elektrode ist. Dies stellt eine gute örtliche Erhitzung eines zu behandelnden Oberflächenbereichs des Werkstücks sicher.
Die Bearbeitungskosten vor und nach der Oberflächenbehandlung lassen sich dadurch verringern, dass der Oberflächenabschnitt des Werkstücks, an dem die Elektrode anzulegen ist, vor Beginn der elektrischen Erwärmung so vorgeformt wird, dass er von der ihn umgebenden Oberfläche vorsteht.
Außerdem werden die Speiseelektrode und das Werkstück vor Beginn der elektrischen Erwärmung nahezu in einen Punktkontakt gebracht und die Kontaktfläche zwischen ihnen erhöht, während durch die Speiseelektrode zur Zeit der elektrischen Erwärmung Druck auf das Werkstück ausgeübt wird, der den Oberflächenabschnitt des Werkstücks, an dem die Elektrode anliegt, verformt. Dadurch braucht man keine Vorbearbeitung durchzuführen, wie z. B. eine Glättung der Oberfläche des Werkstücks, an dem die Elektrode anzulegen ist, und verhindert außerdem Funkenbildung und Bruch der Speiseelektrode.
Die Wärmespannung der Speiseelektrode kann, um ihren Bruch zu verhindern, durch das Vorheizen der Speiseelektrode vor Beginn des elektrischen Heizvorgangs reduziert werden.
Ein aus einem Kohlenstoffbestandteil bestehendes Aufnahmejoch ist für das Werkstück auf der der Speiseelektrode entgegengesetzten Seite so vorgesehen, dass es am Werkstück anstößt, und die Kontaktfläche zwischen dem Aufnahmejoch und dem Werkstück wird größer als die Kontaktfläche zwischen der Speiseelektrode und dem Werkstück gemacht.
Auf diese Weise lässt sich, wenn elektrischer Strom zwischen der Speiseelektrode und dem Aufnahmejoch fließt, die auf das Werkstück übertragene Wärme erhöhen und gleichzeitig verhindern, dass die zum Aufnahmejoch weisende Seite des Werkstücks schmilzt.
Außerdem wird gemäß dem elektrischen Wärmebehandlungsverfahren oder dem Gerät in Übereinstimmung mit der Erfindung der Oberflächenabschnitt des Werkstücks, an dem die Elektrode anliegt, örtlich auf den Schmelzpunkt des Werkstücks oder darüber sowohl durch die vom Eigenwiderstand der Speiseelektrode selbst erzeugte Wärme, als auch durch die vom Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen dem distalen Ende der Speiseelektrode und dem Werkstück erzeugte Wärme durch die Einspeisung des Stroms in die Speiseelektrode und das Werkstück erhitzt, wobei das distale Ende der Speiseelektrode in engem Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks gehalten wird. Dies ermöglicht ein Rückschmelzen des Oberflächenabschnitts des Werkstücks, an dem die Elektrode anliegt, oder eine Legierung des Werkstücks mit einem von diesem verschiedenen Bestandteil. Weiterhin bleibt die Speiseelektrode in Kontakt mit dem Werkstück, zumindest bis die Verfestigung des Oberflächenabschnitts, an dem die Elektrode anliegt, bei unterbrochener Stromeinspeisung vollständig ist, wodurch eine qualitativ hochwertige Rückschmelz- oder Legierungsbehandlung einfach erreichbar ist.
Da viele offensichtlich sehr verschiedene Ausführungsformen dieser Erfindung verwirklicht werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen, sollte verständlich sein, dass diese Erfindung nicht auf ihre spezifischen Ausführungsformen, sondern nur durch ihre Definition in den Ansprüchen beschränkt ist.

Claims

Elektrisches Wärmebehandlungsverfahren, um damit einen Oberflächenteil eines Werkstücks, das aus einem durch Guss hergestellten Aluminiumlegierungsbestandteil gebildet ist, so zu behandeln, dass der an einer Speiseelektrode angedrückte Oberflächenteil eine gerichtete Erstarrung erfährt, so dass dieser Oberflächenteil durch Rückschmelzen eine feinere Körnung erhält als der andere nicht mit der vorbestimmten Wärmebehandlung der Oberfläche behandelte Teil des Werkstücks, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines wärmezubehandelnden Werkstücks, das durch Guss mittels Schmelzen eines Aluminiumlegierungsbestandteils hergestellt ist; Andrücken der Speiseelektrode an den Oberflächenteil des durch Guss hergestellten Werkstücks; Einspeisung eines elektrischen Stroms zwischen der Speiseelektrode und dem Werkstück, während ein distaler Endabschnitt der Speiseelektrode in engem Kontakt mit dem Oberflächenteil gehalten wird, um dort eine elektrische Erwärmung sowohl durch die aufgrund des Eigenwiderstands der Speiseelektrode erzeugte Wärme als auch durch die aufgrund des Kontaktwiderstands zwischen dem distalen Endabschnitt der Speiseelektrode und des Oberflächenteils erzeugte Wärme durchzuführen; Rückschmelzen des Oberflächenteils, wobei der elektrische Strom so eingespeist wird, dass die Temperatur des distalen Endes der Speiseelektrode die Schmelztemperatur oder eine höhere Temperatur eines Bestandteils des Werkstücks erreicht; Unterbrechung der Stromzufuhr und Halten der Speiseelektrode in engem Kontakt mit dem Werkstück bis eine gerichtete Erstarrung des Oberflächenabschnitts vervollständigt ist; und Erstarrung des Oberflächenabschnitts so, dass seine Körnung feiner als der andere nicht erhitzte Teil des Werkstücks wird, um dadurch die gerichtete Erstarrung zu erzielen.
Elektrisches Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, wobei: ein poröses Metallglied, das aus einem Material besteht, das sich von dem des Werkstücks unterscheidet, in den Oberflächenabschnitt vor der elektrischen Erwärmung eingegossen wird und eine Legierungsbehandlung durch Legieren des Werkstücks und des porösen Metallglieds durch die elektrische Erwärmung bewirkt wird.
Elektrisches Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die elektrische Erwärmung durchgeführt wird, während das Werkstück durch die Speiseelektrode mit einem Oberflächendruck von 14,7 MPa oder weniger unter Druck gesetzt wird.
Elektrisches Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem das Werkstück zumindest in einem Teil der Fläche um den Oberflächenabschnitt einen Ausschnitt oder eine Durchgangsbohrung hat und der distale Endabschnitt der Speiseelektrode einen Hemmteil hat, um das Fließen eines geschmolzenen Teils des Werkstücks in den Ausschnitt oder in die Durchgangsbohrung während der elektrischen Erwärmung zu hemmen.
Elektrisches Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem vor der elektrischen Erwärmung eine separate Zwischenelektrode zwischen der Speiseelektrode und einer am proximalen Ende der Speiseelektrode liegenden Hauptkörperelektrode bereitgestellt wird, von der ein Bereich eines Abschnitts, der auf einer Oberfläche nahezu parallel zum genannten Oberflächenabschnitt definiert ist, gleich oder kleiner ist als der der Speiseelektrode und deren elektrische Leitfähigkeit gleich der oder nicht größer als die der Speiseelektrode ist.
Elektrisches Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Speiseelektrode aus einem Kohlenstoffbestandteil gebildet ist.
Elektrisches Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 6, bei dem die Speiseelektrode durch durch Presspassung oder Schrumpfpassung eines Kohlenstoffglieds in ein Wolframrohr gebildet ist, um sie vor der elektrischen Erwärmung zu verbinden.
Elektrisches Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Speiseelektrode einen Abschnitt hat, deren Querschnittsfläche kleiner als der distale Endabschnitt der Speiseelektrode ist und diese Querschnittsfläche auf einer Oberfläche definiert ist, die nahezu parallel zu dem genannten Oberflächenabschnitt des Werkstücks liegt.
Elektrisches Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem der genannte Oberflächenabschnitt des Werkstücks so geformt ist, dass der aus der ihn umgebenden Oberfläche des Werkstücks vor der elektrischen Erwärmung vorsteht.
Elektrisches Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 9, bei dem die Speiseelektrode und das Werkstück vor der elektrischen Erwärmung in Punktkontakt gebracht werden und der genannte Oberflächenabschnitt durch Druck auf das Werkstück durch die Speiseelektrode zur Zeit der elektrischen Erwärmung verformt wird und dadurch die Kontaktfläche zwischen der Speiseelektrode und dem Werkstück vergrößert wird.
Elektrisches Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Speiseelektrode vor der elektrischen Erwärmung vorgeheizt wird.
Elektrisches Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem ein aus einem Kohlenstoffbestandteil bestehendes Aufnahmejoch für das Werkstück an einer der Speiseelektrode entgegengesetzten Seite vor der elektrischen Erwärmung in einer Weise bereitgestellt wird, dass das Aufnahmejoch am Werkstück anstößt, und elektrischer Strom zwischen der Speiseelektrode und dem Aufnahmejoch eingespeist wird, wobei die Kontaktfläche zwischen dem Aufnahmejoch und dem Werkstück größer gemacht ist als die Kontaktfläche zwischen der Speiseelektrode und dem Werkstück.
Elektrisches Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die vorgegebene Oberflächenbehandlung eine Rückschmelzbehandlung zum Rückschmelzen des Werkstücks und/oder eine Legierungsbehandlung zum Legieren des Werkstücks mit einem vom Werkstück verschiedenen Bestandteil enthält.