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Verfahren und Vorrichtung zum Oberflächenhärten metallischer Werkstücke
Es ist bereits bekannt, für das Oberflächenhärten metallischer Werkstücke Lichtbogenentlaid'ungen
zu verwenden, wobei durch die Lichtbogentemperatur ein Aufheizen der Werkstückoberfläche
erfolgt und anschließend die erhitzte Oberfläche mittels eines geeigneten Kühlmittels
abgeschreckt und dadurch gehärtet wird. Der Lichtbogen oder gegebenenfalls auch
mehrere wurden mit Gleichstrom gespeist und zwischen Werkstück und Elektrode zum
Brennen gebracht. Diese Art des Aufheizens hat gewisse Vorteile .insofern, als die
benötigten Einrichtungen wenig kostspielig sind, insbesondere im Vergileich zu den
elektrischen Einrichtungen., die für das induktive Erhitzen notwendig sind. Gegenüber
.dem Aufheizen mit der Gasflamme bietet sich der Vorteil eines besseren Wärmewirkungsgrades..
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Es ergeben sich aber auch gewisse Schwierigkeiten, die u. a. durch
die hohen Lichtbogentemperaturen bedingt sind. Läßt man nämlich einen Lichtbogen
auf ein metallisches Werkstück einwirken., so führt dies zu Überhitzungen in .dien
äußersten Werkstückschichten, .die beim nachfolgenden Abschrecken ein grobkörniges
und damit ungeeignetes Härtegefüge entstehen. lassen. Es ist versucht worden, durch
Schwächung des Liehtbogenistiromes die Gefahr des Überhitzens zu beseitigen.. Diese
Versuche haben jedoch nur zum Teil' zum Erfolg geführt, da für das Auf rechterhaliten
eines Lichtb gens eine bestimmte Mindeststromdichte im Lichtbogen nicht unterschritten
werden darf.
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Zweck der Erfindung ist es, das Aufheizen, mit elektrischen Lichtbögen
praktisch nutzbar zu machen, um die Vorteile einer wenig kostspieligen elektrischen
Anlage und eines ,guten Wärmewirkungsgrades zu sichern, dabei aber die geschilderten
Nachteile, d. h. das örtliche Überhitzen, zu
vermeiden und ,gleichzeitig
Regelbarkeit und Wiederholbarkeit der Bedingungen zu erzielen. Die Erfindung löst
diese Aufgabe, indem auf die Werkstückoberfläche Wechselstromlichtlbögen zur Einwirkung
gebracht werden. Diese Lichtbögen werden zwischen Elektroden der Heizeinrichtung
giebildet, und zwar derart, daß zwischen wählbaren Brennzeiten wählbar lange Pausen
eingeschaltet wenden. Die Pausen dienen der Steuerung .des Temperaturverlaufes sm
Werkstück. Nach Erreichen. der gewünschten Temperaturhöhe und Verteilung wird die
Werkstückoberfläche in an sich bekannter Weise zum Zweck des Härtens abgeschreckt.
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Im nachfolgenden werden die Vorteile des Verfahrens kurz erläutert:
Wird ein Lichtbogen mit einer genügend hohen Stromdichte im eigentlichen Lichtbogenquerschnitt
zum Aufheizen verwendet, so ist auf jeden Fall die Sicherheit gegeben, daß der Lichtbogen
nicht ungewollt abreißt oder durch sonstige Einflüsse in seiner Heizwirkung beeinträchtigt
wind. Ein solcher für eine kurze Zeitspanne erzeugter Lichtbogen führt eine der
Brenndauer entsprechende Wärmemenge der Werkstoffoberfläche zu. Erlischt nun. der
Lichtbogen, so fließt die der äußeren Oberfläche zugeführte Wärmemenge entsprechend,
der Werkstoffkonstanten nach demWerkstückinnern ab. Wird daraufhin ein zweiter Lichtbogen
erzeugt, so wird der Werkstückdberfläche wiederum eine bestimmte Wärmemenge zugeführt,
die sich nach der Brenndauer .des Lichtbogens und seiner Stromstärke richtet. Nach
Erlöschen dieses Lichtbogens erfolgt in der gleichen Art eine Wärmewanderung nach
innen und so fort, bis die erforderliche Härtetemperatur auf der zu behandelnden
Werkstückoberfläghe .bei entsprechender Tiefe erzeugt ist.
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Das Vorgesagte läßt erkennen, daß durch Abstimmung der Brennzeiten
und der dazwischenliegenden Pausen aufeinander jede beliebigeWärmeverteilung über
den Werks@tückquerschnitt erzielt werden kann. Es kann auch die Härtetiefe ohne
weiteres beliebig gesteuert werden. Praktisch wird dabei so verfahren, daß die jeweils
zwischen zwei Lichtbogenentladungen entstehende Pause entsprechend den Betriebsanforderungen
eingestellt wird.
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Zweckmäßigerweise wird eine normaffrequente Speisequelle geeigneter
Spannurig, und Stromstärke verwendet. In manchen Fällen kann es. zweckmäßig sein,
an Stelle der Normalfrequenz eine entsprechend tiefere Frequenz, beispielsweise
162/3 Hz, oder eine höhere Frequenz" beispielsweise iooo Hz und- mehr, anzuwenden.
Die Einleitung des. Lichtbogens ,geschieht durch eine Zündung in dem gewünschten
Zeitpunkt. Es kann dabei so vorgegangen werden, d'aß außer dem Heizkreis zur Erzeugung
des oder der Heizlichtbögen ein steuerbarer Zündkreis zur Einleitungder Lichtbogenentla:dungenvorgesehen
ist. Andererseits kann auch so vorgegangen werden, daß der Einsatzzeitpunkt der
Lichtlbogenentladungen durch eine im Heizkreis liegende mechanische oder elektrische
Schaltstrecke (umlaufender Trennschalter, Funkenstrecke, Entladungsröhre) gesteuert
wird. An Hand der Spannungskurven darstellenden Schaubilder i bis 3 sei das Verfahren
näher erläutert. In Abb. i ist t1 die Brennzeit des Lichtbogens und t2 die Pause,
in der die Wärme nach tiefer gelegenen Werkstückschichten abfließen soll. i ist
der Lichtbogenstrom, der mittels einer Zündeinrichtung in dem Augenblick
to zu fließen beginnt. In dem dargestellten Beispiel ist das Verhältnis zwischen
Brennzeit und Pause etwa 1,5 : i. Durch Verschiebung,des Zündzeitpunktes
to kann es. in beliebigen Grenzen geregelt werden, ohne daß .durch Veränderung
der Widerstandswerte eine Stromregelung erforderlich ist.
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Wie noch näher zu beschreiben, soll der Heizlichtbogen zwischen zwei
FJlektroden der Heizeinrichtung entstehen und: magnetisch oder mittels einer Gasströmung
auf das Werkstück :gerichtet werden. Hierbei kann es eintreten, daß kurz vor dem
Durchgang der Spannung durch .den Nullpunkt (t3 in Abb. z) der Lichtbogen bereits
frühzeitig erlischt, da die Stromstärke zur Aufrechterhaltung .des Bogens zu gering
geworden ist. Hierdurch können sich Ungleichmäßigkeiten im Aufheizen ergeben, da.
das Erlöschen des Lichtbogens nicht in einem genau .definierten Zeitpunkt erfolgt.
Um diesen Übelstand zu vermeiden, wird gemäß Abb. a so verfahren, daß lediglich
das Mittelstück einer Stromhalbwelle für die Speisung des. Lichtbogens ausgenutzt
wird. Die Zündung .des Lichtbogens erfolgt dabei wiederum an dem Punkt
to, die Löschung durch geeignete Mittel in dem Punkt t4. Durch diese Maßnahme
wird vermieden, daß -der Lichtbogen bei geringer werdender Stromstärke in einem
nicht genau definierten Zeitpunkt erlischt. Ohne Verwendung zusätzlicher Steuermittel
kann ein der Abb. z angenähert entsprechendes Strombild erzeugt werden, wenn,der
Stromkurve Trapiezform erteilt wird.
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In Abb.3 ist das Verfahren. für solche Werkstücke danges.tellt, die
besonders überhitzungsempfindlich sind. Um zu verhältnismäßig kurzen Brennzeiten
zu gelangen, wird die Pause t2 über eine oder mehrere Halbwellen ausgedehnt, während
sich die Brennzeit t, nur über eine Halbwelle erstreckt. Es kann .dabei so vorgegangen
werden, daß lediglich die positiven Stromhalbwellen ausgenutzt werden. Es können
jedoch auch abwechselnd eine positive und anschließend eine negative Stromhalbwelle
verwendet werden. Durch richtige Einstellung der Steuerung ist es ohne weiteres
möglich; die Brennzeit und .die Pause in das gewünschte Verhältnis zueinander zu
bringen.
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Abb. 4 zeigt ein vereinfachtes Schaltungsschema für eine Vorrichtung
zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es ist i eine ,geeignete Wechselstromquelle
von Normalfrequenz oder von einer Frequenz, die von der Normalfrequenz abweicht.
z ist der Heiztransformator, der entsprechend der Werkstückform und der gewünschten
Temperaturverteilung bzw. der Ausbildung der Härteschicht ausgelegt ist. Das Heiz-
bzw. Härtegerät ist schematisch bei 3 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird
die Zündung des Heizlichtbogens zu einem gewissen Zeitpunkt .durch eine
Hilfsspannung
herbeigeführt. An die Wechselstromquelle 7 ist hierfür der Zündtransformator 6 angeschlossen,
der über einen beispielsweise rotierenden Schalter 5 zu einem beliebig wählbaren
Augenblick eine Spannung an das Härtegerät 3 abigibt. Der Abstand der Elektroden
im Härtegerät 3 ist so gering bemessen, daß unverzüglich ein Zündfunke überspringt.
Über diesen Zündfunken fließt der von der Hauptstromquelle i über den Transformator
:2 ankommende Strom. Der Kondensator 4 dient zum Schutz des Transformators 2 gegen
auftretende Überspannungen. Zweckmäßig wird der Zündtransformator 6 als Drehtransformator
ausgelegt. Auf .diese Weise ist es ohne weiteres möglich, in jeder beliebigen Phasenlage
zum Hauptstrom einen Zündfunken zu erzeugen. An Stelle des in Abb:.4 dargestellten
rotierenden Schalters 5, dessen Kontakte in der Pfeilrichtung 5' umlaufen, kann
auch ein Ventilrohr verwendet werden. Es können aber auch andere 'bekannte Mittel,
wie beispielsweise Hochfrequenzentladungen oder von Schwingungskreisen erzeugte
Funken, zur Zündung des Heiz-bzw. Härtegerätes dienen.
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Abb. 5 zeigt eine vereinfachte Schaltung, bei der die Steuerung des
Zündaugenblicks im Heizkreis selbst vorgenommen wird. Von der Wechselstromquelle
i wird der Transformator 2 gespeist, an den .das eigentliche Heizgerät 3 angeschlossen
ist. Durch eine ,geeignete Gasströmung oder .durch magnetische Felder wird der Heizlichtbogen
in Richtung des Pfeiles io schleifenförmig ausgebuchtet. Im Primärkreis des Transformators
2 befindet sich ein Ventilrohr i2, an dessen Steuergitter und Kathode der Steuerkreis
i i angeschlossen ist. Während des Betriebes wird von. der Wechselstromquelle i
der Kondensator 14 über ein ungesteuertes Ventil 15 aufgeladen. Im Augenblick der
Zündung .des Rohres. 12 entlädt sich der Kondensator über die Drosselspule 13, die
Primärwindung des Transformators 2 und das Rohr 12. Hierdurch wird am Heizgerät
3 der Lichtbogen gezündet.
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Wie bereits erwähnt, ist es. :in manchen Fällen zweckmäßig, den Lichtbogen
nicht bis, zum Nulldurchgang der Spannung brennen zu lassen, um ein Erlöschen des
Lichtbogens in einem nicht. definierten Augenblick zu vermeiden. Zu diesem Zweck
kann gemäß Ablh. 6 parallel zum Heizgerät 3, welches vom Transformator 2 gespeist
wird, eine Schaltstrecke 2o vorgesehen werden., die in einem einstellbaren Augenblick
.den Strom übernimmt und damit die Löschung des Härtelichtbogens herbeiführt. In
dem dargestellten Beispiel ist für diesen Zweck ein rotierender Schalter vorgesehen,
dessen Kontaktarme in Richtung,des Pfeiles 20' umtaufen. Der Vorwiderstand 21 dient
zur Stabilisierung des Lichtbogens und als Schutzwiderstand: für den Transformator
2.
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In Abb.7 ist in schematischer Darstellung ein Heiz- bzw. Härtegerät
gemäß der Erfindung dargestellt. Es besteht aus dem hohlzylinderförmigen HauptpO122,
in dessen Stirnwand sich die Düse 23 befindet. An ihrem rückwärtigen Ende ist .diese
Düse mit Zündwarzen 24 ausgerüstet, die einen Abstand von Bruchteilen eines Millimeters
zum Hilfspol 25
haben. Im Augenblick der Zündung entsteht zwischen den Zündwarzen
24 und der Stirnfläche des Hilfspols 25 der Lichtbogen 26, der in dem dargestellten
Beispiel durch die Gasströmung 27' bzw. 27" schleifenförmig ausgebuchtet wird. Zur
Zuführung dieses Gasstromes. ist der Hilfspol 25 mit einer in axialer Richtung verlaufenden
Bohrung 28 versehen. Innerhalb des Innenraumes des Hauptpols 22 sind im Hilfspol
Schrägbohrungen 29 vorgesehen, die gleichmäßig auf den Umfang des. Hilfspols verteilt
sind, so daß das zugeführte Gas gleichmäßig der Zündstelle zuströmt. Der Hiljfspo125
ist bei 30 gasdicht in den Hauptpol eingepaßt. Zur Isolation zwischen Haupt-
und Hilfspol dient der Isolierstoffring 3i. Der Anschluß des Gerätes an den Heiztransformator
erfolgt über die Kabel 32 und 33.
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An Stelle der Blasung mittels, eines Gases kann auch eine magnetische
Blasung .dazu vorgesehen werden, um den Lichtbogen haarnadelförmig auf die Werkstückoberfläche
zu richten. Das magnetische Feld kann dabei durch eine Magnetspule oder durch einen
geeignet ausgebildeten Dauermagneten erzeugt werden.