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Oberfläehenhärteverfahren
| Zum l >herilichcnlüirten von metallischen Werk- |
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Zementation findet in festen, fldssigen oder gasförmigen Mitteln statt.
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Das Zementieren hat den Vorteil. da 13 auf der Oberfläche eines
Stahles infolge der Kohlenstoffanrcicherung Glashärte erzeugt werden kann, während
der Kern andere Eigenschaften, wie höhere' Zähigkeit u. dgl., aufweisen kann, insl3esondere
wenn anschließend an die Zementation bzw. Wirtung eine weitere Wärmelxhandlung,
die Kernverfcinerung. durchgeführt wird. Nachteilig ist die lange Einsatzzeit bei
verhiltnismäßig hohen TctnperatLil-elt, die etwa 850 bis 900" betragen. Da
selbstverständlich der gesamte Körper hei diesen mehrere Stunden andauernden Behandlungen
durchgehend rittf die erforderliche Einsatztempz-.rattir gebracht wird, ist eine
Beeinflussung des Kern 111,1t('1-i;sls nicht zLt vermeiden, und es ist notwendig,
zum
mindesten bei größeren Werkstücken, an die auch höhere mechanische Anforderungen
gestellt w-erdcn, den Kern zu feinen.
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Je höher die Temperatur bei der Einsatzhärtung gewählt wird, in um
so größerem Maße besteht die Gefahr, daß die Werkstücke sich verziehen oder in sonstiger
Weise ihre Maßhaltigkeit verlieren. Durch geeignete Wahl des Einsatzmittels kann
zwar nicht nur die Stärke der Einwanderung des Kohlenstoffes beeinflußt werden,
sondern auch die Geschwindigkeit, ohne daß dadurch aber die Eimwzrkzeiten entscheidend
verringert werden können. Auch die Erhöhung der Temperatur, die eine Beschleunigung
der Diffusion zur Folge hat, ist nicht ohne weiteres durchführbar mit Rücksicht
auf den Kernwerkstoff, der durch eine solche Maßnahme in seinen Eigenschaften zu
weitgehend verschlechtert würde.
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Beim Einsatzhärten ist bisher stets so verfahren worden, daß das Werkstück
in dem Einsatzmittel auf die erforderliche Temperatur gebracht wurde, beispielsweise
indem das Werkstück in ein mehr oder minder grobstückiges Einsatzmittel eingepackt
und dann in einen Ofen eingesetzt wurde, der Einsatzmittel und Werkstück auf die
erforderliche Temperatur bringt. Die Werkstücke können auch in Salzschmelzen, beispielsweise
Cyanbäder, eingehängt werden, wobei dann das schmelzflüssige Bad dem Werkstück die
erforderliche Temperatur vermittelt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das
Werkstück in einem Ofen zu erhitzen, in dem eine aufkohlende Gasatmosphäre, z. B.
eine Leuchtgasatmosphäre, aufrechterhalten wird.
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Es ist an sich bekannt, daß alle Diffusionsvorä -c temperaturabhängig
sind und daß im allgemeinert die Diffusionsgeschwindigkeit mit steigender Temperatur
nach einer Exponentialfunktion zunimmt. Es ist aber bereits darauf hingewiesen worden,
daß diese Erkenntnis nicht zur Verringerung der Glühzeiten ausgenutzt werden konnte,
weil die Temperaturerhöhung mit Rücksicht auf die Beeinflussung des Kernmaterials
nicht angängig erschien, zum mindesten aber nicht so hoch getrieben werden konnte,
daß dadurch merkbare Geschwindigkeitssteigerungen. für die Diffusion zu erwarten
gewesen wären.
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Das Ziel der Erfindung ist es, ein Oberflächenhärteverfahren unter
Verwendung von festen, flüssigen oder gasförmigen Einsatzmitteln anzugeben, das
auf lange Glühzeiten verzichtet und die Behandlung praktisch ohne nennenswerte Beeinflussung
des Kernmaterials durchzuführen gestattet. Hierzu wird vorgeschlagen, die Einsatztemperatur
auf elektrischem Wege unmittelbar im `Werkstück zu erzeugen, was gemäß der Erfindung
entweder durch Erhitzen des Werkstückes auf elektroinduktivem Wege oder im unmittelbaren
Stromdurchgang erfolgen kann. Es hat durchaus nicht nahegelegen, das elektrische
Erhitzen für diesen Zweck einzusetzen, denn bei den erforderlichen langen Glühzeiten,
die beim Zementieren bekannt und üblich waren, mußte ein elektrisches Erhitzen der
Werkstücke als umwirtschaftlich angesehen werden. überraschenderweise zeigt sich
indes, daß das Verfahren gemäß der Erfindung, die erforderliche Temperatur im Werkstück
unmittelbar zu erzeugen, insgesamt gesehen zu völlig neuartigen Ergebnissen führt,
und zwar nicht nur was die vorteilhaften Eigenschaften der gehärteten Werkstücke
anlangt, sondern auch was das Verfahren selbst anlangt.
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Zunächst bietet, wie an sich bekannt, das Induktionserhitzen oder
das Erhitzen im unmittelbaren Stromdurchgang die Möglichkeit, die Temperaturerhöhung
auf die Oberfläche eines Werkstückes zu beschränken und auch auf bestimmte Werkstückabschnitte.
Beim Induktionserhitzen gelingt dies durch geeignete Wahl der Frequenz in Verbindung
mit einer geeigneten Gestalt des Induktors und seiner elektrischen Kopplung zum
Werkstück. Beien Erhitzen im unmittelbaren Stromdurchgang kann die Verteilung des
Stromes über den Werkstückquerschnitt beeinflußt werden durch Veränderung der Induktanz
der Stromwege mit dem Ergebnis, daß Teile des Werkstückes sich nicht nennenswert
erwärmen, während andere Abschnitte höhe und höchste Temperaturen annehmen. Für
die Einsatzhärtung ist es daher gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung möglich,
die im Werkstück erzeugte Temperaturerhöhung praktisch auf die Einhärtetiefe zu
beschränken. Es ist ferner möglich, die Ausdehnung der Temperaturerhöhung auf die
Abschnitte .des Werkstückes zu beschränken, die tatsächlich. gehärtet werden sollen.
Ob im Einzelfall das Induktionserhitzen oder das Erhitzen im unmittelbaren Stromdurchgang
gewählt werden sollte, entscheidet sich nach den Umständen. Eine zylindrische Fläche
würde beispielsweise zweckmäßig mit Hilfe eines spulenförmigen Induktors zu erhitzen
sein, während beispielsweise eine Säge od. dgl. im unmittelbaren Stromdurchgang
aufgeheizt werden könnte., wobei die Temperaturerhöhung auf die Partien des Werkstückes
zu beschränkeit wäre, die gehärtet werden sollen.
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Die Tatsache, daß das elektrische Erhitzen gemäß der Erfindung die
Temperaturerhöhung auf die Einhärtetiefe und/oder die Härteausdehnung zu beschränken
gestattet, eröffnet eine weitere Möglichkeit grundlegender Abwandlung der Einsatzhärtung
gegenüber dem bisher Bekannten. Gemäß der Erfindung wird die Behandlung bei Temperaturen
vorgenommen, die höher liegen als bei den üblichen Einsatzverfahren, und zwar können
Temperaturen angewendet werden, die in der Nähe des Schmelzpunktes des Ausgangswerkstoffes
liegen. Zu beachten ist, daß die Temperatur nicht höher gewählt wird, als dem Schmelzpunkt
der an der Oberfläche entstehenden neuen Werkstoffzusammensetzung entspricht. Die
Gefahr besteht leicht, weil die Kohlen'stoffaufnahme mit großer Geschwindigkeit
vor sich geht und infolgedessen rasch Kohlenstoffgehalte erreicht werden, die etwa
dem des Roheisens entsprechen, so daß der Schmelzpunkt erheblich herabgesetzt wird
und ein Abschmelzen der Oberfläche eintritt. Wenn indes bei den üblicherweise der
Zementation unterworfenen
Stählen Temperaturen in der Nähe von 120o°
gewählt werden und die Aufkohlung der Diffusionsgeschwindigkeit angepaßt wird, läßt
sich die Zementation einwandfrei durchführen, und zwar mit Glühzeiten, die nur wenige
Minuten betragen. Die Entstehung von weißem Roheisen an der Oberfläche kann aber
auch als Vorteil gewertet werden, weil auf diese Weise Oberflächen sehr großer Härte
und Verschleißfestigkeit entstehen, die außerordentlich fest mit dem Kernmaterial
verwurzelt sind. Es ist lediglich erforderlich, darauf zu achten., daß die Oberfläche
nicht unmittelbar abschmilzt, und solchen Abschmelzerscheinungen kann beispielsweise
dadurch begegnet werden, daß das Werkstück während der Behandlung bewegt, insbesondere
in Umlauf gesetzt wird. In jedem Fall kommt es ausschließlich darauf an, den Temperaturabfall
zum Kern hin in kürzester Frist so einzustellen, daß er in einem bestimmten Verhältnis
steht zu der bei den betreifenden Temperaturen gegebenen Diffusionsgeschwindigkeit
des einwandernden Mediums. Da die Erhitzungsgeschwindigkeit bei den elektrischen
Oberflächenerhitzungsmethoden durch die Regelung der Leistung in weiten Grenzen
beeinflußbar ist, lassen sich für jeden Werkstoff und jede Werkstückform durch wenige
Stichversuche die günstigsten Verhältnisse einstellen. In diesem Zusammenhang sei
darauf hingewiesen, daß die Vorteile des Verfahrens auch dann gewahrt bleiben, wenn
beispielsweise bei dünnwandigen Werkstücken eine durchgehende Erhitzung angewendet
wird, wobei dann selbstverständlich die Einwirkung des Zementationsmittels so kurz
bemessen wird, daß die erwünschte Schichtdicke der Zementation erreicht wird.
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Als Einsatzmittel können alle diejenigen Mittel verwendet «erden,
die auch sonst für das Oberflächenhärten benutzt werden. Als zweckmäßig hat es sich
erwiesen, auf den erhitzten Werkstückabschnitt Leuchtgas ein«-irken zu lassen. Es
ist ohne weiteres ersichtlich, daß bei Verwendung dieses Mittels die Einsatzhärtung
apparativ sehr einfach gestaltet werden kann, insbesondere ist es möglich, das Erhitzen
des Werkstückes im ruhenden Verfahren ganzflächig durchzuführen, d. h. also entweder
die gesamte Oberfläche des Werkstückes oder die Oberfläche nur so weit, als eine
Härtung erwünscht ist, auf einmal auf Temperatur zu bringen. Es ist aber auch möglich,
das Werkstück im fortschreitenden Verfahren zonenweise nacheinander zu erhitzen.
Gasförmige Einsatzmittel, vorzugsweise Leuchtgas, eignen sich auch besonders für
die Erzeugung von Schichten, die sich ihrer Zusammensetzung nach dem weißen Roheisen
nähern.
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Auch die flüssigen Mittel, d. h. also Salzbadschmelzen, können bei
dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden. Das unter der Einwirkung eines
Induktors stehende Werkstück wird in diesem Fall mit dem Induktor in das schmelzflüssige
Bad des Einsatzmittels eingeführt. Der im allgemeinen wassergekühlte Induktor überzieht
sich hierbei mit einer erstarrten Salzschicht, die ihn vor dem Angriff der Schmelze
schützt. Die Werkstücke können in solchen Bädern auch im unmittelbaren Stromdurchgang
behandelt werden, wobei es gegebenenfalls nur erforderlich ist, die Zuleitungen
zum Werkstück gegen den Angriff der Schmelze zu schützen.
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Auch feste Einsatzmittel können benutzt werden, und es ist lediglich
dafür zu sorgen, daß das Einsatzmittel mit den erhitzten Stellen des Werkstückes
in genügende Berührung gerät, was im allgemeinen durch hinreichende Feinkörnigkeit
des Einsatzmittels zu erreichen ist. Das Einsatzmittel kann auch beispielsweise
mit Hilfe von Wasserglas zu einer Paste gerührt und auf die Oberfläche aufgestrichen
werden.
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Bekanntlich müssen beiden üblichen Oberflächenhärteverfahren mit Einsatzmitteln
außer dem reinen Härten der Oberfläche im allgemeinen noch weitere Wärmebehandlungen
durchgeführt werden, um den Kern zu verfeinern. Das Verfahren gemäß der Erfindung
führt diesbezüglich zu weit einfacheren Maßnahmen, zunächst einmal ist die durch
Abschrecken herbeizuführende Härtung der aufgekohlten Schicht unmittelbar aus der
Zementationshitze möglich. Da der Kern des Werkstoffes von der Erhitzung an seiner
Oberfläche und der unter ihrem Einfluß erfolgenden Zementation unberührt bleibt,
ist in ihr praktisch keine Veränderung eingetreten. Es ist daher auch möglich, beispielsweise
das Werkstück vor der Zementation auf gewünschte Festigkeitseigenschaften zu vergüten,
und das Ergebnis dieser Vergütungsbehandlung bleibt von der Abschreckbehandlung
unberührt.
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In manchen Fällen wird es aber nicht möglich sein, die Härtung unmittelbar
aus der Zementationshitze heraus durchzuführen, und in diesem Fall kann die aufgekohlte
Schicht induktiv oder im unmittelbaren Stromdurchgang nochmals erhitzt werden, worauf
nachfolgend abgeschreckt wird. Auch bei dieser zusätzlichen Wärmebehandlung bleibt
das Kerngefüge erhalten, und etwa zuvor durchgeführte Vergütungsbehandlungen werden
in ihrer Wirkung nicht zerstört. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß Werkstücke
mit einer durch Kohlenstoff angereicherten gehärteten Schicht und einem durch die
Einsatzbehandlung unberührt gebliebenen Kern, insbesondere einem vergüteten Kern,
vom technologischen Standpunkt aus gesehen besondere Vorzüge besitzt.
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Wenn indes in einzelnen Fällen Kernverfeinerungen erforderlich werden,
wie dies bei den üblichen Einsatzverfahren die Regel ist und wie dies bei dem Verfahren
gemäß der Erfindung vorkommen kann, wenn dünnwandige Werkstücke behandelt werden
oder im unmittelbaren Stromdurchgang gearbeitet wird und sich infolgedessen der
Kern miterwärmt hat, so kann die hierzu erforderliche Wärmebehandlung in einfacher
und zeitsparender Weise auf elektrischem Wege im unmittelbaren Stromdurchgang oder
induktiv durchgeführt werden.
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Abgesehen von der erheblichen Zeitersparnis, die sich bei Anwendung
des Verfahrens gemäß der
Erfindung ergibt, werden noch weitere Vorteile
erzielt, die in einer Verringerung der bei der Einsatzhärtung auftretenden Fehler
beruhet. Grobkorngefüge, Sprödigkeit, Schalenbildung u. d-1. kiiiiiieii vermieden
werden, weil die elektrische Erliitzutig sich in -viel stärkerem Maße auf gegebene
Voraussetzungen einstellen läßt. als beispielsweise ein Ofen oder ein Schmelzbad,
@\ ie sie sonst bei Einsatzhärtung üblich sind. Die Fehler treten auch deshalb zumindest
in ihrer Auswirkung nicht so sehr in Erscheinung, weil die Anh:eizzeiten und Glühzeiten
insgesamt auf wenige Minuten beschränkt sind. Des weiteren ergibt sich der besonders
beachtliche Vorzug, daß die Erzeugnisse in weit geringerem Maß verzogen die Behandlung
verlassen, ,weil nur kurzzeitig und oberflächig erhitzt wird.
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.als Werkstoffe, die der Durchführung des Verfahrens unterworfen werden
kiinticii, kommen einfache Kohlenstottstähle oder auch, legierte Stähle in Frage,
wie Nickel-, Chrom-, Chrommol@@bdän-, Chromnickelstähle, letztere auch mit Zusätzen
von \Iol\-I)d:iti und Wolfram. Ferner lcixnieri verwendet \\-erden gut zerspanbare
Stähle mit hiilierein Schwefelgehalt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, von
Ausgangstwerkstotfen aus#tigehen, die an der Oberfläche bereits in einem anderen
Verfahren mit irgendcineni Stoli 2itigeruic-licrt sind, beispielsweise eine inchromierte
Schicht oder eine Sclii,_ht hi@hercii Titaiigehaltes aufit-eiscn. An der Oberfläche
solcher Stähle bilden sich unter Anwendung des Verfahrens Chromkarbide oder Titankarbide,
die der Oberfläche besondere Härte verleihen.
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l?s ist ersichtlich, daß das Verfahren gemäß der Erfindung sehr anpassungs-
und abwandlungsfähig ist und gegebene Beispiele nur Möglichkeiten andeuten, ohne
daß das Verfahren hierauf beschränkt sein soll. Es sind vielmehr Abänderungen und
Ergänzungen der Maßnahmen möglich, ohne daß hierdurch vom Grundgedanken der Erfindung
abgewichen würde. Insbesondere ist das neuartige Verfahren beschrieben in Verbindung
mit Stählen; sinngemäß ist die Methode auch anwendbar auf andere metallische Werkstücke.
in deren Oberfläche unter Anwendung erhöhter Temperaturen Mittel zum Eindiffundieren
gebracht werden.