DE69927635T2

DE69927635T2 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Metallprodukts

Info

Publication number: DE69927635T2
Application number: DE69927635T
Authority: DE
Inventors: Yoshio Kasugai-shi Miyasaka
Original assignee: Fuji Kihan Co Ltd
Current assignee: Fuji Kihan Co Ltd
Priority date: 1998-06-02
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2019-05-25
Also published as: JPH11347944A; EP0962539B1; DE69927635D1; JP3730015B2; US6038900A; EP0962539A1

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Oberflächenbehandlung eines Metallprodukts wie eines Werkzeugs und eines Maschinenteils und insbesondere ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung, das einen einzelnen Schritt mit dem Ziel des Härtens der Oberfläche eines Metallprodukts und des Erhöhens dessen Ermüdungsfestigkeit durch Wärmebehandlung und Härten und durch Erzeugen einer Restspannung auf der Oberfläche davon, und das Aufzeigen der Vorteile der Verbesserung der Qualität der Oberfläche durch Wärmebehandlung, der tiefer in seiner Oberfläche vorliegenden Restdruckspannung und des Verminderns der Oberflächenrautiefe ohne die Notwendigkeit des Durchführens von vielen Kugelstrahlschritten oder eines Behandlungsschritts wie eines Polierschritts nach einem Strahlschritt.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Herkömmlich war als Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Metallprodukts das Kugelstrahlen bekannt, durch welches das gesamte oder ein Teil eines Metallprodukts wie eines Gussstahlprodukts, eines Gussprodukts und eines Edelstahlprodukts, die zu einer Feder oder einer Produktform geformt werden, einer Glüh- und Temperbehandlung und dann einer Kaltbearbeitung unterzogen werden. Im Kugelstrahlverfahren wird ein Produkt bei etwa 850°C durch eine Hochfrequenzinduktionserwärmung ausgeglüht und dann bei etwa 600°C getempert, um dadurch die Oberflächenstruktur des Produkts umzuwandeln. Anschließend wird das erhaltene Produkt einer Luftkühlung und einer normalem Strahlverfahren bei gewöhnlicher Temperatur oder einem Warmbestrahlverfahren zum Erzeugen einer Restdruckspannung unterzogen, wodurch die Ermüdungsfestigkeit erhöht wird.
Beim vorstehend angegebenen Kugelstrahlen findet eine dauerhafte Verformung statt, die aus einem Schlag resultiert, wenn das Injizieren einer Kugel auf die Oberfläche des Metallprodukts eine Restdruckspannung auf der Oberfläche des Metallprodukts verursacht. Folglich ist die Restdruckspannung proportional zu der Größe einer Vertiefung, die in dem plastisch verformten Teil vorliegt. Die Größe der Vertiefung oder des plastisch verformten Teils ist auch proportional zum Durchmesser einer Kugel, so dass die Restdruckspannung auch proportional zu dem Kugeldurchmesser ist.
Das heißt, zum Bereitstellen einer Restdruckspannung eines tiefer innerhalb der Oberflächenschicht vorliegenden Teils und zum Härten des tiefer innen liegenden Metallprodukts war die Verwendung einer Kugel von größeren Teilchendurchmesser, herkömmlich etwa 1,2 bis 0,6 mm, nützlich.
In der Beschreibung wird eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 0,3 mm oder mehr als „große Kugel" und eine Kugel mit einem Durchmesser von weniger als 0,3 bis etwa 0,03 mm als „kleine Kugel" bezeichnet.
Des Weiteren ist es im vorstehend angegebenen Oberflächenbehandlungsverfahren erforderlich, einen Wärmebehandlungsschritt von einem Kugelstrahlschritt zu trennen. Auf Grund dessen besteht die Tendenz, dass die Schritthandhabung unter Beteiligung von Temperatursteuerung kompliziert ist und die Kosten demzufolge erhöht werden. Zum Bewältigen dieser Nachteile entwickelte der Anmelder schon „ein Oberflächenbearbeitungs- und Wärmebehandlungsverfahren für ein Metallprodukt" (Japanische Patentschrift Nr. 1594395). In diesem Patent werden Kugeln mit 40 bis 200 μ und einer Härte, die gleich oder höher als diejenige des Metallprodukts ist, auf die Oberfläche des Metallprodukts mit einer Injektionsgeschwindigkeit von 100 m/s oder höher injiziert, wird die Temperatur in der Nähe der Oberfläche auf höher als ein Umwandlungspunkt A₃ erhöht, wird ein Strahlverfahren durchgeführt, um dadurch die Oberfläche des Metallprodukts nach der Erzeugung einer Restdruckspannung auf der Oberfläche davon zu härten und die Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen, und wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, um dadurch die Qualität der Oberfläche zu verbessern.
Das herkömmliche Oberflächenbehandlungsverfahren weist jedoch immer noch die folgenden Nachteile auf, die weiter gelöst werden müssen.
Wie vorstehend angegeben erfordert das herkömmliche Oberflächenbehandlungsverfahren die Verwendung einer Kugel mit derart relativ großem Durchmesser, dass eine Restdruckspannung erhalten wird, zum Kaltverfestigen oder zum Härten durch Wärmebehandlung des tief in der Oberfläche des Metallprodukts vorliegenden Metallprodukts. Ist jedoch der Kugeldurchmesser größer, weist die Kugel dahingehend Nachteile auf, dass die Haltbarkeit kürzer wird und die Kugel häufiger bricht.
Dies wird wie folgt begründet. Die Schlagkraft der Kugel, der mit derselben Geschwindigkeit injiziert wird, erhöht sich proportional mit der Kubikzahl des Kugeldurchmessers. Deshalb ist ein aus dem Stoß resultierende Impuls auch proportional zu der Kubikzahl des Kugeldurchmessers. Die Fläche des zerstörenden Teils beim Brechen der Kugel ist proportional zu der Quadratzahl des Kugeldurchmessers, und die Verformungsfestigkeit ist ebenfalls proportional zur Quadratzahl des Kugeldurchmessers. Folglich ist es klar, dass eine größere Kugel dazu neigt, leichter zu brechen, und dass dessen Haltbarkeit deshalb kürzer ist.
Bricht eine Kugel leicht, nehmen die Herstellungskosten zu und eine stabile Injektion ist nicht gewährleistet. Des Weiteren verursacht das Brechen der Kugel ein Versagen in Kugelstrahlapparaturen. Außerdem vergrößert sich bei einer größeren Kugel der auf die Apparatur angewandte Schlag selbst, wodurch nicht nur der Bruch der Kugel verursacht wird, sondern infolge der Beschädigung der Apparatur auch die Kosten zunehmen.
Des Weiteren weist die gebrochene Kugel am Ende der Bruchfläche eine scharfe Ecke auf. Die gebrochene Kugel prallt gegen die Oberfläche des Metallprodukts, erzeugt keine Vertiefung sondern tritt in die Oberfläche ein, wodurch eine Schnittwirkung verursacht wird, was zu einer raueren Oberfläche des Metallprodukts führt.
Herkömmlich werden hauptsächlich Gusseisenkugeln, Gussstahlkugeln und Drahtkornkugeln verwendet. Deren Haltbarkeiten sind, so wie sie sind, begrenzt.
Außerdem weist, wenn ein Kugelstrahlverfahren auf die Oberfläche eines Metallprodukts unter Verwendung von großen Kugeln angewandt wird, das Metallprodukt eine aufgeraute Aventurinoberfläche auf. Infolge dessen wird, wenn eine Kugel einen größeren Durchmesser aufweist, die Oberfläche weiter aufgeraut. Zudem neigt die große Kugel dazu, zu brechen, und die gebrochene Kugel schneidet die Oberfläche des Metallprodukts unter Herstellung einer raueren Oberfläche. Mit der aufgerauten Oberfläche ist das Metallprodukt zur Verwendung möglicherweise nicht geeignet. Auch kann keine Restdruckspannung unter der Oberfläche des Metallprodukts oder des zu behandelnden Produkts erhalten werden.
Zum Lösen der vorstehend angegebenen Nachteile wird nach einem HartKugelstrahlverfahren unter Verwendung von großen Kugeln eine Bestrahlung unter Verwendung von kleineren Kugeln durchgeführt. Alternativ dazu wird nach dem Bestrahlen ein CBN-Polieren durchgeführt, um die Oberflächenrauheit zu vermindern und die Restdruckspannung unter der Oberfläche zu verbessern. In jedem Fall sind mehrere Behandlungsschritte erforderlich, und eine Kostenzunahme ist unvermeidlich.
Zudem wird gemäß „Oberflächenbehandlungs- und Wärmebehandlungsverfahren für ein Metallprodukt" (Japanische Patentschrift Nr. 1594395) eine Kugel mit einem Durchmesser von 40 bis 200 μ verwendet, um eine hohe Injektionsgeschwindigkeit auf. der Basis der Beziehung zwischen der Injektionsgeschwindigkeit und der Injektionsdichte zu erreichen. Mit diesem Verfahren jedoch ist die Tiefe unter der Oberfläche des Metallprodukts, durch welche die Restdruckspannung stattfindet beschränkt, und das Produkt wird durch die Wärmebehandlung gehärtet.
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die vorstehend angegebenen Nachteile zu bewältigen. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Oberflächenbehandlungsverfahren für ein Metallteil bereitzustellen, das eine Restdruckspannung in einer Position unter der Ober fläche des Metallprodukts und tiefer als die Oberflächenschicht erzeugen kann, das die Oberflächenrauheit durch Durchführen von eines Kugelstrahlverfahrens mit den Vorteilen des Erzeugens einer Restdruckspannung vermindern kann, um dadurch die Härtungsoberflächenbehandlung der Oberfläche des Metallprodukts durchzuführen und die Ermüdungsfestigkeit davon durch eine Strahlungsbehandlung unter Verwendung von Kugelgemischen, die aus einem Material mit hoher Festigkeit und hoher Härte zusammengesetzt sind und kleine Kugeln und große Kugeln mit verschiedenen Kugeldurchmessern einschließen, und mit dem Vorteil der Verbesserung der Qualität der Oberfläche durch eine Wärmebehandlung durchführen kann, und wobei das Verfahren insbesondere mit einem mehrstufigen Kugelstrahl- oder einem Behandlungsschritt wie Polieren nach dem Bestrahlen wie im herkömmlichen Verfahrenssystem, abweichen kann.
JP-A-06134553 betrifft eine Form zum synchronen kontinuierlichen Guss, geeigneterweise unter Verteilung von stark vertieften Bohrungen A₁, die als Ausgangspunkte von verfestigten Kernen erforderlich sind, und kleinen vertieften Bohrungen A₂ zum langsamen Abkühlen auf einer Oberfläche der Form durch Kugelstrahlen. Die Oberfläche der Form wird durch Aufprallen eines Gemischs von Stahlkugeln mit unterschiedlicher Größe zum Kugelstrahlen bearbeitet.
EP-A-0731181 betrifft ein Verfahren zum Verhindern des Abschleifens an einem gleitenden Teil eines Metallprodukts durch Formen auf der Oberfläche des gleitenden Teils von zahllosen konkaven Ölwannen, wobei jede eine Struktur aufweist, die ähnlich der Struktur des gleitenden Teils des Metallprodukts ist, sodass die Metallstruktur mit größerer Härte und Zähigkeit durch ein Kugelstrahlverfahren aufgezeichnet werden kann.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Zum Erzielen der vorstehenden Aufgabe schließt ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Metallprodukts gemäß der vorliegenden Erfindung zum Verbessern der tiefer in seiner Oberfläche vorliegenden Restdruckspannung und Vermindern der Oberflächenrautiefe das Injizieren von mindestens zwei Kugeltypen mit unterschiedlichen Kugeldurchmessern in einem Bereich von 0,3 bis 0,6 mm und einem Bereich von 0,03 bis weniger als 0,3 mm und zusammengesetzt aus einem Metall oder einer Metallkomponente, das/die eine Härte gleich oder größer als der Härte des Metallprodukts aufweist und ein Material mit hoher Festigkeit und hoher Härte wie Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl, Legierungsmaschinenwerkzeugstahl oder nicht eisenhaltige Legierung, auf eine Oberfläche des Metallprodukts als Kugelgemisch bei einem Injektionsdruck von nicht weniger als 0,26 MPa oder mit einer Injektionsgeschwindigkeit von nicht weniger als 50 m/s injiziert wird, wobei die Kugeln durch Variieren die Kugelgeschwindigkeit entsprechend dem unterschiedlichen Durchmesser der Kugeln aneinander stoßen, wodurch die Verbesserung der Härte des Kugelmetalls selbst ermöglicht wird, wobei die Oberflächenrautiefe des Metallprodukts nach der Oberflächenbehandlung des Metallprodukts 2 bis 4 μm beträgt.
Die Kugelform ist vorzugsweise kugelförmig, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Des Weiteren können die Form, das Material, die Härte und der Durchmesser der aus dem Kugelgemisch bestehenden Kugel gemäß den Zwecken ausgewählt werden. Es ist bevorzugt, dass das Kugelgemisch aus einem einheitlichen Material zusammengesetzt ist, sodass keine Notwendigkeit des Klassifizierens der Kugeln von verschiedenen Materialien nach der Oberflächenbehandlung vorliegt.
Außerdem ist es bevorzugt, dass das Kugelgemisch aus einem Material zusammengesetzt ist, das eine höhere Festigkeit, höhere Härte mit einer um etwa 30 mal längeren Haltbarkeit als denjenigen des Gusseisens und Gussstahls, die hauptsächlich als Material für die herkömmlichen Kugeln mit denselben Kugeldurchmessern verwendet wurden, aufweist, und das schwer bricht, wie Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl, Legierungswerkzeugstahl oder nicht eisenhaltigem Legierungsstahl, und dass sie eine Härte von nicht weniger als HV 1000 aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Aufgabe und die Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verständlicher, in welchen gleiche Zahlen ähnliche Elemente bezeichnen, und in welchen:
1 eine Vorderansicht ist, die eine Strahlapparatur zeigt, die in Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
2 eine Draufsicht der Strahlapparatur zeigt, die in den Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
3 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen Oberflächenhärte (a) und Oberflächetiefe und der jenigen zwischen Restdruckspannung (b) und Oberflächetiefe für die erste Ausführungsform und das erste Vergleichsbeispiel zeigt;
4 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen Oberflächenhärte (a) und Oberflächetiefe und derjenigen zwischen Restdruckspannung (b) und Oberflächentiefe für die zweite Ausführungsform und das zweite Vergleichsbeispiel zeigt; und
5 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen Oberflächenhärte (a) und Oberflächetiefe und derjenigen zwischen Restdruckspannung (b) und Oberflächentiefe für die dritte Ausführungsform und das dritte Vergleichsbeispiel zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wird ein Kugelgemisch B, das Kugeln mit einer Härte gleich oder höher als diejenige eines Metallprodukts A einschließt und verschiedene Kugeldurchmesser aufweist, auf die Oberfläche des Metallprodukts A mit einem Injektionsdruck von 0,29 MPa oder höher oder einer Injektionsgeschwindigkeit von 50 m/s oder höher injiziert, nimmt die Temperatur in der Nähe eines eisenhaltigen Metallprodukts A bis zu einem Umformungspunkt A₃ oder höher zu oder nimmt die Temperatur in der Nähe des nicht eisenhaltigen Metallprodukts A auf die Umkristallisationstemperatur oder höher zu.
Dies bedeutet, dass während die Änderung in der Geschwindigkeit des Kugelgemischs B vor dem Aufprallen und nach dem Aufprallen gemäß der Härte des Metallprodukts A und derjenigen des Kugelgemischs B unterschiedlich ist, die Geschwindigkeit nach dem Aufprallen abnimmt. Die Änderung in der Geschwindigkeit wird gemäß dem Energieerhaltungsgesetz hauptsächlich zu Wärmeenergie umgewandelt. Ein Wärmeaustausch findet nur an dem verformten Teil, auf welchen das Kugelgemisch B aufprallte, statt. Infolgedessen findet eine örtliche Temperaturerhöhung in der Nähe der Oberfläche des Metallprodukts A statt.
In diesem Moment erhöht sich die Temperatur nicht nur auf der Oberfläche des Metallprodukts A sondern auch auf der Oberfläche des Kugelgemischs B. Sind das Metallprodukt A und das Kugelgemisch B hauptsächlich aus Eisen zusammengesetzt, erreichen oder übersteigen die Temperaturen des Basismaterials des Metallprodukts A und diejenigen des Basismaterials des Kugelgemischs B die Umwandlungstemperatur A₃. Da eine örtliche Temperaturerhöhung in der Nähe der Oberflächenschicht des Metallprodukts A und derjenigen des Kugelgemischs B auftritt, werden das Metallprodukt A und das Kugelgemisch B schnell abgekühlt. Ist die Temperaturerhöhung auf Grund des kontinuierlichen Kugelstrahlens unter Verwendung des Kugelgemischs B klein oder ist die Abkühlgeschwindigkeit langsam, tritt zudem die Wirkung der Temperbehandlung auf. Folglich wird die Metallstruktur der Oberflächenschicht des Metallprodukts A verkleinert, um dadurch die Metallstruktur mit einer höheren Festigkeit und höheren Zähigkeit zu versehen.
Es wird angemerkt, dass die vorstehend angegebene Temperaturerhöhung mit die Kugelgeschwindigkeit variiert. Auf Grund dessen kann die Temperaturerhöhung je nach Injektionsdruck oder Injektionsgeschwindigkeit, Kugeldurchmesser und Material klein sein. Ist das Metallprodukt A aus eisenhaltigem Material hergestellt, erhöht sich die Temperatur nicht auf den Umwandlungspunkt A₃ des Basismaterials des Metallprodukts A oder übersteigt diesen nicht. In diesem Fall verformt sich die Oberfläche des Metallprodukts A plastisch, nachdem das Kugelgemisch B auf die Oberfläche davon aufprallte. Folglich werden die Härte und die Ermüdungsfestigkeit der Oberfläche des Metallprodukts A vorteilhaft verbessert.
Eine Beschreibung wird detaillierter bereitgestellt. Wird das Kugelgemisch B, das Kugeln mit verschiedenen Durchmessern einschließt, auf die Oberfläche des Metallprodukts A injiziert, prallen Kugeln mit kleineren Kugeldurchmessern im Kugelgemisch B auf die Oberfläche des Metallprodukts A mit hoher Geschwindigkeit. Die Energieänderung vor und nach dem Aufprall wird zu Wärmeenergie umgewandelt, weshalb die Temperatur in der Nähe der Oberfläche des Metallprodukts A örtlich zunimmt. Dann wird die Metallstruktur der Oberflächenschicht des Metallprodukts A wie vorstehend angegeben verkleinert, um dadurch eine Oberflächenschicht mit hoher Festigkeit und hoher Härte bereitzustellen.
Zwischenzeitlich prallen die Kugeln mit großen Durchmessern im Kugelgemisch A auf die Oberfläche des Metallprodukts A mit niedrigerer Geschwindigkeit als diejenige der Kugeln mit kleinem Durchmesser. Die Temperaturzunahme in der Nähe der Oberfläche des Metallprodukts A ist während des Aufpralls kleiner. Das heißt, mit großen Kugeln wird die Oberfläche des Metallprodukts A in der Qualität durch die Wärmebehandlung nicht verbessert, jedoch wird der plastisch verformte Teil auf der Oberfläche des Metallprodukts A größer als im Falle der kleinen Kugeln. Folglich tritt eine Restdruckspannung und Härtung durch Durchführen von Kugelstrahlen unter der Oberfläche des Metallprodukts A auf, wodurch die Härte der Oberfläche des Metallprodukts A und die Ermüdungsfestigkeit vorteilhaft erhöht werden.
Es wird angemerkt, dass die kleinen Kugeln je nach Injektionsdruck, Injektionsgeschwindigkeit, Kugeldurchmesser und Material nicht immer die Wärmebehandlung auf das Metallprodukt A ausüben. Stattdessen weisen die kleinen Kugeln einen Strahleffekt auf. Das heißt, es ist möglich, wie erforderlich, den Injektionsdruck, die Injektionsgeschwindigkeit, den Durchmesser und das Material für die Kugeln derart auszuwählen, dass sie im Kugelgemisch eingeschlossen sind.
Die Haltbarkeit einer Kugel wird unter Verwendung z.B. eines Brinell-Härtetests beschrieben. Drücken Kugeln mit verschiedenen Kugeldurchmessern statisch auf dieselbe Probe unter Erzeugung einer Vertiefung, wird die Beziehung zwischen der Druckkraft P und dem Durchmesser d der Vertiefung zur Herstellung des Verhältnisses der Vertiefung zu dem Durchmesser die Kugelkonstante (k = d/D) ausgedrückt als: P = πD2k''C/4(c: a Konstante)
Daraus ist zu finden, dass die Kugelkraft pro Einheit Querschnittsfläche konstant ist.
Beim gegenwärtigen Kugelstrahlen jedoch prallen Kugeln dynamisch auf ein zu behandelndes Produkt. Wird die dynamische Kugelanwendung im vorstehenden Härtetest berücksichtigt, nimmt die Kugelkraft der mit derselben Geschwindigkeit angewandten Kugeln proportional zur Kubikzahl des Kugeldurchmessers zu und ist der Aufprallimpuls deshalb proportional zur Kubikzahl des Durchmessers. Auf der Basis dessen sind die Fläche der zerstörten Oberfläche sowie die Verformungsfestigkeit proportional zur Quadratzahl des Kugeldurchmessers. Kurz gesagt gilt: Je größer der Durchmesser der Kugel ist, desto kürzer wird dessen Haltbarkeit. Auf Grund des Unterschieds in den Kugelgeschwindigkeiten nach der Injektion prallen die großen Kugeln im Kugelgemisch B gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur auf das Metallprodukt A, sondern auch auf die kleinen Kugeln. Der Aufprall verursacht eine Temperaturzunahme an den Teilen, an welchen die kleinen Kugeln und die großen Kugeln aneinander prallen, wenn die relative Geschwindigkeit zwischen den großen Kugeln und den kleinen Kugeln hoch ist. Im Falle der eisenhaltigen Kugel erreicht die Temperatur die Umwandlungstemperatur A₃ oder übersteigt diese, und die Wärmebehandlungswirkung stellt dadurch Kugeln mit einer kleineren Größe, höheren Festigkeit, höheren Härtestruktur zusammen mit einem zu behandelnden Produkt bereit. Handelt es sich bei den Kugelmaterialien um eisenhaltiges Metall wie Stahl oder Edelstahl und betragen die Kugeldurchmesser nicht mehr als 0,3 mm, werden bei Durchführung einer normalen Wärmebehandlung des Abschreckens und Ausglühens die Kugelmaterialien dann aneinander geschweißt, und die Oberflächenbehandlung für die Kugel kann nicht durchgeführt werden. Auf Grund des Aneinanderprallens der großen Kugeln und der kleinen Kugeln wird die Metallstruktur der Oberflächenschicht mit einer Tiefe von etwa 20 μm der Kugel unter die Kugelanwendungsoberfläche in der Größe kleiner, um dadurch die Struktur mit höherer Härte und höherer Zähigkeit bereitzustellen. Zudem verursacht, auch dann, wenn die vorstehend angegebene relative Geschwindigkeit langsam und deshalb die Temperaturzunahme klein ist, der Kugelaufprall plastische Verformungen und eine Kaltverfestigung, wodurch Kugeln mit einer Struktur mit hoher Festigkeit und hoher Härte bereitgestellt werden.
Dadurch kann nicht nur die Haltbarkeit verbessert werden, sondern es kann auch ein Vorteil gezeigt werden, der auch dann gleich oder größer als derjenige im Falle von herkömmlichen großen Kugeln (Kugeldurchmesser 1,2 bis 0,6 mm) ist, wenn Kugeldurchmesser kleiner sind als diejenigen der herkömmlichen großen Kugeln. Außerdem können durch die Verwendung des Kugelmaterials mit hoher Festigkeit, hoher Härte und hoher Bruchfestigkeit wie Hochgeschwindigkeitsstahl, Werkzeugmaschinenstahllegierungen oder nicht eisenhaltige Legierung, weitere Vorteile erhalten werden.
Die Oberflächenhärte einer Hochgeschwindigkeitsstahlkugel beträgt durchschnittlich Hv800. Die Härte nach der Kugelinjektion beträgt Hv1000. Auch bei Verwendung von Kugeln mit einer hohen Härte von Hv1300 tritt nur wenig Bruch auf.
Prallen die großen Kugeln auf die Oberfläche des Metallprodukts A weist das Metallprodukt. eine aufgeraute Aventurinoberfläche mit hoher Rauheit auf. Des Weiteren treten die gebrochenen Kugeln, wenn leicht brechende große Kugeln auf die Oberfläche des Metallprodukts A prallen, in die Oberfläche des Metallprodukts A ein, und die Oberfläche wird unvorteilhaft rauer. Unter Verwendung des Kugelgemisches, das kleine Kugeln einschließt, dient das Strahlen mit kleinen Kugeln auch dann, wenn das Metallprodukt A eine Oberfläche mit hoher Rautiefe aufweist, einer Polierwirkung, was zu einer Oberflächenschicht mit hoher Qualität führt.
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun in Bezug auf die Zeichnungen geschrieben.
Eine geradlinige Hydraulik-Strahlapparatur wird als Kugelstrahlapparatur in den vorliegenden Ausführungsformen verwendet. Jedoch können auch Luftstrahlapparaturen vom Saugsiphontyp, Gravitätstyp oder eines anderen Typs verwendet werden.
In den 1 und 2 bezeichnet die Bezugsnummer 50 eine Kammer, die mit einer Eingangsöffnung 53 zum Eingeben eines zu behandelnden Produkts bereitgestellt ist. Eine Injektionsdüse 52 zum Injizieren von Kugeln (man bemerke, dass eine Kugel einer Metallkomponente, injiziert von einem Gewinnungstank 40 und die Einspritzdüse 52 als „Kugel, zusammengesetzt aus Metallmaterial" oder einfach als „Kugel" in der vorliegenden Beschreibung bezeichnet wird), auf das zu behandelnde Produkt, das aus der Eingabeöffnung 53 eingegeben wird, ist in der Kammer 51 bereitgestellt.
Ein Einfülltrichter 58 ist am unteren Teil der Kammer 51 bereitgestellt. Das unterste Ende des Einfülltrichters 58 kommuniziert mit dem oberen Teil des Gewinnungstanks 40, der neben der Kammer 51 bereitgestellt ist, zum Auffangen von Kugeln durch einen Leiter 55.
Der Gewinnungstank 40 ist ein so genannter Zyklon zum Abtrennen von Staub von Kugeln. Wie in 1 dargestellt besteht der Tank 40 aus einem zylinderförmigen Teil 41 mit einer Zylinderform am oberen Teil des Tanks 40 und einem konischen Teil 42 mit einer konischen Form mit einem nach unten stufenweise enger werdenden Durchmesser am unteren Teil davon. Eine Einflussöffnung 43 ist an der Seitenwand des oberen Teils des zylinderförmigen Teils 41 des Gewinnungstanks 40 bereitgestellt. Der Leiter 55 ist an die Einflussöffnung 43 durch eine Kommunikationsleitung 45 gekuppelt. Die axiale Richtung der Kommunikationsleitung 45 entspricht der tangentialen Richtung der Innenwandoberfläche mit einem kreisförmigen Querschnitt des zylinderförmigen Teils 41. Auf Grund dessen wendet sich der Luftfluss, der in den Gewinnungstank 40 durch die Kommunikationsleitung 45 eintritt, entlang der Innenwand des zylinderförmigen Teils 41 nach unten.
Das untere Ende des konischen Teils 42 des Gewinnungstanks 40 öffnet sich frei für und kommuniziert mit einem Tank 47 zur Druckzufuhr von Kugeln durch ein Gleitschutzventil 46. Ein Kugelmengenregulator 48 zum Regulieren die Kugelmenge der von der Injektionsdüse 52 injizierten Kugeln ist am unteren Ende des Tanks 47 bereitgestellt. Der Tank 47 kommuniziert mit der Injektionsdüse 52 durch den Kugelmengenregulator 48 und die Leitung 54.
Die geradlinige Hydraulikstrahlapparatur ist dadurch gekennzeichnet, dass, wenn komprimierte. Luft dem Tank 47 zugeführt wird, die Kugeln zusammen mit der komprimierten Luft zu der Injektionsdüse 52 durch die Leitung 54 durch Druck zugeführt werden. Die Kugeln sowie die komprimierte Luft werden auf das zu behandelnde Produkt, das in die Kammer 51 gegeben wurde, injiziert.
Das Gleitschutzventil 46 bewegt sich vertikal durch die Einwirkung eines Magnetventils, das mit einem Fußschalter oder einem Mikroschalter, der nicht dargestellt ist, funktioniert. Die vertikale Bewegung des Gleitschutzventils 46 gewährt, dass sich der Gewinnungstank 40 zu dem Tank 47 öffnet oder von ihm abschließt. Das heißt, bewegt sich das Gleitschutzventil 46 nach oben, wird der Gewinnungstank 40 von dem Tank 47 abgeschlossen und der Tank 47 mit komprimierter Luft gefüllt. Dann werden die Kugeln im Tank durch die komprimierte Luft und den Fluss in den Kugel mengenregulator 48 unterdrückt. Die komprimierte Luft und die Kugeln werden im Kugelmengenregulator 48 geeignet gemischt, durch eine nicht dargestellte Kugelzufuhröffnung geleitet und von der Injektionsdüse 52 durch die Leitung 54 injiziert.
Als nächstes wird der Schalter umgedreht, das Gleitschutzventil 46 bewegt sich nach unten und öffnet den Gewinnungstank 40 zu dem Tank 47. Dann entweicht die komprimierte Luft im Tank 47 in den Gewinnungstank 40 und der Druck im Tank 47 wird gleich Atmosphärendruck. Direkt bevor der Druck im Tank 47 zu Atmosphärendruck wird, sobald das Gleitschutzventil 46 sich nach unten bewegt, stoppt die Injektion der Kugeln von der Injektionsdüse 52 und die Kugeln, die sich am Boden des Gewinnungstanks 40 ansammeln, fallen zusammen in den Tank 47.
Eine Kupplungsleitung 44 ist nahezu an der Mitte der Wandoberfläche auf dem oberen Ende des Gewinnungstanks 40 bereitgestellt. Die Kupplungsleitung 44 kommuniziert mit einem Staubfänger 56 durch eine Entnahmeleitung 57.
Der Staubfänger 56 dreht eine Absaugvorrichtung, um Luft im Staubfänger 56 zu der Außenseite abzugeben. Die Absaugvorrichtung 59 macht den Druck der Kammer 51, des Leiters 55 und des inneren des Gewinnungstanks 40 negativ. Zudem wandert, da die vom nicht dargestellten Kompressor zugeführte komprimierte Luft sowie Kugeln, die von der Einspritzdüse 52 injiziert werden, der Luftfluss von der Kammer 51 sequentiell zum Leiter 55, Gewinnungstank 40 und Staubfänger 56.
[Erste Ausführungsform]
Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Strahlapparatur 50 war ein Zahnrad (φ100 × 20 t, SCM420, karburiertes, abgeschrecktes und getempertes Produkt) in der Kammer 51 von der Eingasbeöffnung 53 als zu behandelndes Produkt enthalten. Das Strahlen wurde durch Injizieren von Kugelgemischen, enthaltend Kugeln von verschiedenen Kugeldurchmessern, auf die Oberfläche des zu behandelnden Produkts durchgeführt.
Das Kugelgemisch, das aus Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl mit Kugeldurchmessern von 0,6 bis 0,1 mm bestand, wurde in den Gewinnungstank 40 eingegeben und fiel in den Tank 47.
Wurde komprimierte Luft von einer nicht dargestellten Versorgungsquelle für komprimierte Luft dem Tank 47 zugeführt, wurde das Kugelgemisch zusammen mit der komprimierten Luft durch den Kugelmengenregulator 48 am unteren Teil des Tanks 47 zu der Injektionsdüse 52 mit einem Durchmesser von 7 mm durch die Leitung 54 zugeführt. Das Kugelgemisch sowie die komprimierte Luft wurden von der Injektionsdüse 52 auf das zu behandelnde Produkt injiziert.
In einem ersten Vergleichsbeispiel wurde eine Oberflächenbehandlung, einschließlich zwei Behandlungsschritte, d.h. einen Schritt des Durchführens einer Kugelstrahlung unter Verwendung von großen Kugeln mit Kugeldurchmessern von 0,9 bis 0,7 mm, und einen Schritt des Durchführens einer Strahlung mit kleinen Kugeln unter Verwendung von kleinen Kugeln mit Kugeldurchmessern von 0,3 bis 0,2 mm durchgeführt.
Die Bearbeitungsbedingungen und die Oberflächenrautiefe (Maximalwert) des zu behandelnden Produkts nach dem Unterziehen der Oberflächenbehandlung, die Restdruckspannung der Oberfläche und diejenige mit einer Tiefe von 50 μm unter der Oberfläche für die erste Ausführungsform und das erste Vergleichsbeispiel sind nachstehend in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1 Vergleichsbeispiel 1 (zweistufige Behandlung) Erste Ausführungsform
Anmerkung: Das zu bearbeitende Objekt: Zahnrad, SCM420, karburiertes, abgeschrecktes und getempertes Produkt, φ100 × 20 t, Kugelhärte: Härte nach Injektion
Die Haltbarkeit des zu behandelnden Produkts nach der Oberflächenbehandlung in der ersten Ausführungsform war gleich zu oder länger als diejenige des zu behandelnden Produkts im ersten Vergleichsbeispiel.
Im ersten Vergleichsbeispiel trat nach einem Strahlen mit großen Kugeln unter Verwendung von großen Kugeln mit Durchmessern von 0,9 bis 0,7 mm im ersten Schritt durchgeführt wurde, eine Restdruckspannung unter der Oberfläche (50 μ) auf. Jedoch ist die Oberflächenrautiefe in dem ersten Schritt hoch und war die Restdruckspannung in der Nähe der Oberfläche nicht ausreichend. Diese Nachteile konnten durch Durchführen von Kugelstrahlen unter Verwendung von kleinen Kugeln mit Durchmessern von 0,3 bis 0,2 mm im zweiten Schritt bewältigt werden. In der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung war es im Gegensatz dazu möglich, den Vorteil gleich oder größer als den des zweistufigen Strahlens im ersten Vergleichsbeispiel mit einem einstufigen Verfestigen zu erhalten. Mit anderen Worten war es möglich, die Verfestigungswirkung und die Wärmebehandlungswirkung mit einer Strahlbehandlung zu erhalten.
Zweite Ausführungsform
In der zweiten Ausführungsform wurde eine Welle (SCM420, karburiertes, abgeschrecktes und getempertes Produkt, φ30 × 300 L) als zu behandelndes Produkt verwendet und einer Wärmebehandlung unter Verwendung eines Kugelgemischs, bestehend aus Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl und mit Kugeldurchmessern von 0,4 bis 0,05 mm wie in derselben Weise wie in der ersten Ausführungsform unterzogen.
Im zweiten Vergleichsbeispiel wurde nach Durchführen eines Kugelstrahlens unter Verwendung von großen Kugeln mit Kugeldurchmessern von 0,7 bis 0,5 mm eine Oberflächenbearbeitung und Wärmebehandlung wie in der vorstehend genannten japanischen Patentschrift Nr. 1594395 unter Verwendung von Kugeldurchmessern von 0,1 mm durchgeführt.
Die Bearbeitungsbedingungen und Ergebnisse der zweiten Ausführungsform und des zweiten Vergleichsbeispiels sind in nachstehender Tabelle 2 bereitgestellt. Tabelle 2 Vergleichsbeispiel 2 (zweistufige Behandlung) Zweite Ausführungsform

Anmerkung: Zu behandelndes Produkt: Welle, SCM420, karburiertes, abgeschrecktes und getempertes Produkt, φ30 × 300 t
Dritte Ausführungsform
In der dritten Ausführungsform wurde ein Zahnrad (SCM420, karburiertes, abgeschrecktes und getempertes Produkt, φ120 × 15 t) als zu behandelndes Produkt verwendet und einer Oberflächenbehandlung unter Verwendung eines Kugelgemischs, bestehend aus Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl und mit Kugeldurchmessern von 0,3 bis 0,05 mm in derselben Weise wie in der ersten Ausführungsform unterzogen.
Im dritten Vergleichsbeispiel wurde nach Durchführen eines Kugelstrahlens unter Verwendung von großen Kugeln mit Kugeldurchmessern von 0,8 mm ein CBN-Polieren durchgeführt.
Die Bearbeitungsbedingungen und Ergebnisse der dritten Ausführungsform des dritten Vergleichsbeispiels sind in der nachstehenden Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3 Vergleichsbeispiel 3 (zweistufige Behandlung) Dritte Ausführungsform
Anmerkung: Zu behandelndes Produkt: Getriebe, SCM420, karburiertes, abgeschrecktes und getempertes Produkt, φ120 × 15 t
In der zweiten und in der dritten Ausführungsform war es möglich, die Verfestigungswirkung und die Wärmebehandlungs wirkung mit einer Strahlbehandlung zu erhalten. Da eine Restdruckspannung unter der Oberfläche des zu behandelnden Produkts auftrat und die Oberflächenrauheit vermindert war, war auch die Oberflächenhärte und Ermüdungsfestigkeit des zu behandelnden Produkts verbessert.
In der dritten Ausführungsform, insbesondere verglichen mit dem dritten Vergleichsbeispiel, in welchem ein CBN-Polieren nach dem Strahlen durchgeführt wurde, war die Oberflächenrauheit leicht erhöht, jedoch war die Ermüdungshaltbarkeit um das fünffache erhöht.
Für die jeweiligen Ausführungsformen und die Vergleichsbeispiele ist die Beziehung zwischen der Oberflächenhärte HV (a) und der Tiefe unter der Oberfläche und diejenige der Restdruckspannung (b) und der Tiefe unter der Oberfläche in den 3 bis 5 dargestellt.
Wie aus den 3 bis 5 klar, zeigen die ersten bis dritten Ausführungsformen, in welchen eine Strahlbehandlung unter Verwendung eines Kugelgemischs, einschließend Kugeln mit verschiedenen Durchmessern, durchgeführt wurde, Vorteile, die gleich oder größer als diejenigen der ersten bis dritten Vergleichsbeispiele für die herkömmlichen Oberflächenbehandlungsverfahren, die zwei Behandlungsschritte, d.h. ein Strahlen mit großen Kugeln und Strahlen mit kleinen Kugeln oder Strahlen und Polieren in Bezug auf die Oberflächenhärte und die Restdruckspannung benötigen, sind. Die vorliegende Erfindung weist den vorstehend angegebenen Aufbau auf und zeigt die folgenden Vorteile.
In einem Verfahren für eine Oberflächenbehandlung, einschließend Injektionskugeln, die aus Metall oder einer Metallkomponente und mit einer Härte, gleich oder höher als diejenige eines Metallprodukts auf der, Oberfläche des Metallprodukts, um dadurch die Oberflächenhärte des Metallprodukts zu verbessern, zusammengesetzt sind, wird die Kugelinjektion mit einem Injektionsdruck von 0,26 MPa oder höher oder einer Injektionsgeschwindigkeit von 50 m/s oder höher durchgeführt und sind die Kugeln das Kugelgemisch, einschließend Kugeln mit verschiedenen Kugeldurchmessern. Auf Grund dessen verursachen die großen Kugeln unter Verwendung von Kugeln mit großen Durchmessern d.h. von 0,3 mm bis 0,6 mm, plastische Verformungen des Metallprodukts und verbessern die Strafilwirkung, wohingegen die kleinen Kugeln unter Verwendung von Kugeln mit kleinen Durchmessern, d.h. von 0,03 mm bis weniger als 0,3 mm die Oberflächenrautiefe des Metallprodukts vermindern und in manchen Fällen die Temperatur in der Nähe der Oberfläche erhöhen, wodurch die Metallstruktur in der Größe kleiner gemacht wird, und um die Oberflächenhärte und Haltbarkeit des Metallprodukts zu verbessern. Insbesondere ermöglicht es nur eine Strahlungsbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung, dieselben Vorteile wie oder größere Vorteile als diejenigen des herkömmlichen Verfahrens, die zwei Behandlungsschritte zum Erhalt dessen erfordern, zu erhalten.
Da das Kugeln mit verschiedenen Kugeldurchmessern einschließende Kugelgemisch verwendet wird, variiert die Kugelgeschwindigkeit gemäß den Kugeldurchmessern und Kugeln mit verschiedenen Durchmessern prallen aneinander. Der Aufprall führt zu einer Temperaturerhöhung, die wiederum die Härte des Kugelmaterials selbst verbessern und deshalb schwer brechende Kugeln erzeugen kann.
Das Strahlen wird unter Verwendung des Kugelgemischs durchgeführt, das z.B. aus Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl, Werkzeugstahllegierungen oder nicht eisenhaltigem Legie rungsstahl besteht, die eine höhere Festigkeit, höhere Härte als diejenigen der Stahlgusskugeln aufweisen und schwer brechen. Auf Grund dessen ist es möglich, ein durch Brechen von Kugeln verursachtes Versagen der Strahlapparatur, da die Oberfläche des zu behandelnden Produkts aufgeraut wird, und ein stabiles Strahlen durchzuführen.
Es ist folglich ersichtlich, dass die vorstehend dargelegten Aufgaben und diejenigen, die aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich sind, effizient erhalten werden. Da bestimmte Änderungen in den vorstehenden, Konstruktion ohne Verlassen des Umfangs der Erfindung durchgeführt werden können, ist es auch beabsichtigt, dass jeglicher in der vorstehenden Beschreibung oder in den begleitenden Zeichnungen dargestellter Gegenstand als veranschaulichend und nicht in einem beschränkten Sinne interpretiert werden soll.

Claims

Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Metallprodukts zur Verbesserung der tiefer in seiner Oberfläche vorliegenden Restdruckspannung und Vermindern der Oberflächenrautiefe, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kugelgemisch, das mindestens zwei Kugeltypen mit unterschiedlichen Kugeldurchmessern in einem Bereich von 0,3 bis 0,6 mm und einem Bereich von 0,03 bis weniger als 0,3 mm einschließt und aus Metall oder einer Metallkomponente zusammengesetzt ist, das/die eine Härte gleich oder größer als der Härte des Metallprodukts aufweist und ein Material mit hoher Festigkeit und hoher Härte wie 6 umfasst, auf eine Oberfläche des Metallprodukts als Kugelgemisch bei einem Injektionsdruck von nicht weniger als 0,26 MPa mit einer Injektionsgeschwindigkeit von nicht weniger als 50 m/Sek. injiziert wird, wobei die Schüsse durch Variieren der Kugelgeschwindigkeit entsprechend dem unterschiedlichen Durchmesser der Schüsse aneinander stoßen, wodurch die Verbesserung der Härte des Kugelmetalls selbst ermöglicht wird, wobei die Oberflächenrautiefe des Metallprodukts nach der Oberflächenbehandlung des Metallprodukts 2 bis 4 μm beträgt.
Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Metallprodukts nach Anspruch 1, wobei das Kugelgemisch aus verschiedenen oder denselben Gemischtypen von Materialien mit hoher Festigkeit und hoher Härte, einschließlich Schnelldrehstahl, einer Werkzeugmaschinenstahllegierung oder einer nichteisenhaltigen Legierung, besteht.
Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Metallprodukts nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kugelgemisch aus verschiedenen oder denselben Gemischtypen von Materialien mit hoher Festigkeit und hoher Härte, einschließlich Schnelldrehstahl, einer Werkzeugmaschinenstahllegierung oder einer nichteisenhaltigen Legierung, mit einer Hv-Härte von 1000 oder höher besteht.
Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Metallprodukts nach Anspruch 1, wobei die Oberflächen der Schüsse kaltverfestigt werden und die Oberflächenqualität durch Aneinanderstoßen der verschiedenen Kugeldurchmesser verbessert wird.
Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Metallprodukts nach Anspruch 1, wobei beim Injizieren des Kugelgemischs die Temperatur in der Nähe eines eisenhaltigen Metallprodukts auf die Umwandlungstemperatur A₃ oder höher ansteigt oder die Temperatur in der Nähe eines nichteisenhaltigen Metallprodukts auf die Umkristallisationstemperatur oder höher ansteigt.
Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Metallprodukts nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Restdruckspannung einer Oberfläche eines Metallprodukts auf mindestens –1200 MPa und die Restdruckspannung eines Teils mit einer Tiefe von etwa 50 μm unter der Oberfläche des Metallprodukts auf mindestens –1300 MPa eingestellt wird.
Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Metallprodukts nach Anspruch 6, wobei die Oberflächen der Schüsse kaltverfestigt werden und die Oberflächenqualität durch Aneinanderstoßen der verschiedenen Kugeldurchmesser verbessert wird.