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Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Tiefe der Härtesdiidit
von im Einsatzverfahren gehärteten Stahlteilen
Im Einsatzverfahren gehärtete Stähle
finden im Maschinenbau und insbesondere Präzisionsmaschinenbau umfangreiche Anwendung
als Werkstoffe, hauptsächlich für solche Teile, die besonders gute mechanisch-technische
Eigenschaften, wie z. B. große Härte, hohe Belastbarkeit, gute Verschleißfestigkeit
aufweisen müssen. Das Einsativerfahren besteht bekanntlich in einer Warmbehandlung
der betreffenden Stähle oder Stahlteile unter gleichzeitiger Anwendung eines kohlenstoffab
gebenden Mittels, wobei Kohlenstoff von außen her in den Stahl eindringt, der Stahl
also oberflächlich mit Kohlenstoff angereichert wird. Aus Gründen verschiedener
Art wird die Kohlenstoftanreicherung des Stahles aber nicht so weit getrieben, daß
im gesamten Querscbmtt des Bauteiles der Kohlenstoffgehalt gleichmäßig erhöht wird.
Nach der Einsatzhärtung befindet sich vielmehr in der Mitte des Werkstückes eine
Zone, die auch nach der Einsatzbehandlung den gleichen Kohlenstoffgehalt aufweist
wie vorher. Diese Kernzone wurde also von der Kohienstoffanreicherung nicht erfaßt
und in ihren mechanisch-technischen Eigenschaften nicht geändert. An diese Kernzone
anschließend folgt dann eine Zone, in welcher der Kohlenstoffgehalt nach außen hin
ansteigt, und zwar vom Kohlen-
stoffgehalt- der Kernzone an bis
zu einer bestimmten oberen Grenze, während in der anschließenden Randzone der Kohlenstoffgehalt
sich auf der erwähnten oberen Grenze konstant hält.
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Denjenigen Teil des Querschnittes, in welchem ein Ansteigen des Kohlenstoffgehaltes
festgestellt werden kann, bezeichnet man in der Praxis mit Übergangszone, während
die Randzone mit gleichbleibendem hohem Kohlenstoffgehalt als harte Zone bezeichnet
wird. Sie ist es, auf die es dem Konstruktur sdes betreffenden Bauteiles in erster
Linie ankommt, und der Konstrukteur schreibt auch die Stärke der harten Zone als
Einsatztiefe vor. Aufgabe des Wer&stoff-, insibesondere des Härtere'im fachmannes
ist es nun, bei den von ihm im Einsatzverfahren zu behandelnden Bauteilen die vom
Konstrukteur vorgeschriebene Dicke oder Tiefe der harten Zone (Einsatztiefe) möglichst
genau einzuhalten. Da die Einsatztiefe nicht nur abhängig ist von der Einsatztemperatur
und der Einsatzzeit, sondern auch von verschiedenen anderen, nicht ohne weiteres
zu erfassenden Einflüssen, wie z. B. Form und Größe der Einsatzkästen und Beschaffenheit
des Einsatzmittels, ist es erforderlich, daß wãhrend der Herstellung eine laufende
Kontrolle der Bauteile in bezug auf ihre Einsatztiefe vorgenommen wird.
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Diese Kontrolle hat man bisher im allgemeinen so durchgeführt, daß
man eines der eingesetizten Stücke oder einen besonderen miteingesetzten Probestab
aus gleichem Werkstoff nach einer bestimmten Einsatzzeit herausgenommen, gehärtet
und durchgebrochen hat, um dann anschließend mit der Meßlupe am Aussehen des Bruchgefüges
die Einsatztiefe festzustellen. Dieses Verfahren ist aber außerordentlich roh und
setzt schon gewisse metallkundliche Kenntnis, insbesondere hinsichtlich des Aussehens
des Bruchgefüges voraus, so daß es schon aus diesem Grunde von den mit dem Härten
beauftragten Arbeitskräften nicht so ohne weiteres und mit Anspruch auf Zuverlässigkeit
durchgeführt werden kann. Bei manchen Werkstoffen ist dieses Verfahren überhaupt
nicht anwendbar, da Unterschiede im Bruchgefüge zwischen der harten Zone und der
Übergangszone kaum vorhanden oder nicht ohne weiteres erkennbar -sind. In jedem
Falle aber ergab dieses Meßverfahren, wenn es von verschiedenen Arbeitskräften durchgeführt
wurde, so unterschiedliche Meßergebnisse, daß man sich bei ihm auch nicht mit einiger
,Sicherbeit auf die Richtigkeit der Meßwerte verlassen konnte.
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Es gibt zwar Verfahren, ,durch, welche man mit verhältnismäßig hoher
Genauigkeit die Einsatztiefe bestimmen kann. Eines dieser Verfahren besteht ,darin,
daß man einen zylindrischen Probestab herstellt und von ihm nacheinander, d. h.
in einzelnen Schichten, dünne Späne abdreht, die Späne jeder Schicht einer Analyse
unterzieht und aus dem dabei festgestellten Kohlenstoffgehalt unter Zuhilfenahm
von Kurven, welche die Abhängigkeit der Härte von,dem Kohlenstoffgehalt darstellen,
auf die Härte schließt. ;Dieses Verfahren ist aber so umständlich und zeitraubend,
daß es für eine laufende Untersuchung im Rahmen einer bietriebsmäßigen Fertigung
nicht anwendbar ist.
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Ein weiteres Verfahren besteht Idarin, ,daß man von einem zylinrdrischen
Probestab einen schrägen Schliff herstellt, d. h. daß man den Zylinder so anschleift,
daß die Schliffebene in einem spitzen Winkel zur Zylinderachse hin geneigt ist.
In dieser Schliffebene nimmt man dann in geringen Abständen entlang der Symmetrielinie
Härtemessungen mit einem der bekannten Härteprüfgeräte vor.
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Auch dieses Verfahren erfordert, wenn es Anspruch auf Zuverlässigkeit
des Ergebnisses erheben will, einen großen Aufwand an Arbeit und Zeit, und es ist
daher ebenfalls für die laufende Überwachung im Rahmen einer betriebsmäßigen Fertigung
nicht anwendbar.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zu schaffen,
durch welches auf einfachem Wege und in kürzester Zeit auch durch nicht besonders
geschulte Arbeitskräfte mit großer Zuverlässigkeit der tatsächliche Wert der Einsatztiefe
festgestellt werden kann. Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, daß man
von dem zu untersuchenden Bauteil oder einem Probestab einen Querschl'iff herstellt
und über diesen eine mit gleich bleibender Belastung gegen ihn .driickendle harte
Spitze, vorzugsweise einen Diamanten oder ein Hartzmetallwerkzeug, das z. B. als
Hartmetallspitze, als Drehmeißel ,oder winklig geschliffene Hartmetallrolle ausgebildet
sein kann, hinwegführt und dann an der entstandenen Riitz- oder Eindruckform unter
Anwendung einer geeigneten optischen Vergrößerung die Einsatztiefe mißt. Die Anritzung
oder Eindrückung Ider Schliiffläche, welche im übrigen keinen besonders hohen Feinheitsgrad
aufweisen muß und die beispielsweise unter Anwendung eines gewöhnlichen Schleifsteines
hergestellt werden kann, erfolgt zweckmäßig von der Mitte des Querschnittes ausgehend
nach außen, so daß zuerst eine Anritzung oder Eindrückung der weicheren Kernzone,
dann ruder Übergangszone und schließlich der harten Randzone erfolgt. Da die Hartspitze
oder Rolle mit praktisch gleichlbleibender Belastung über die Schlifffläche hinweggeführt
wird, ergibt sich eine Ritz- oder Eindruckform, wie in Fig. I in Draufsicht dargestellt.
Man erkennt in dieser Figur, daß die Ritz- oder Eindruckform aus drei voneinander
deutlich zu unterscheidenden Teilen besteht, nämlich einem der inneren weichen Kernzone
K entsprechenden Teil I von gleichbleibender, verhältnismäßig großer Breite, einem
der Übergangszone Ü angehörenden Teil 2, der sich entsprechend der von innen nach
außen zunehmenden Härte dieser Zone nach außen verjüngt und einem dritten Teil 3,
welcher der harten Randzone R entspricht und infolge der großen gleichbleibenden
Härte dieser Zone nur eine geringe und gleichbleibende'Breite aufweist. Genau !die
gleichen Verhältnisse liegen vor in bezug auf die Tiefe des Ritzes oder Eindruckes.
Die diesbezüglichen Verhältnisse sind in Fig. 2 dargestellt. Man erkennt in ihr,
daß der der weichen Kernzone angehörende
Teil I des Ritzes oder
Eindruckes die größte Tiefe, der nach außen anschließende, der Übergangszone angehörende
Teil 2 eine mit nach außen steigendem Kohlenstoffgehalt und damit steigender Härte
allmählich abnehmende Tiefe und schließlich der der harten Randzone angehörende
Teil 3 eine geringe gleichbleibende Tiefe aufweist.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung kann ohne weiteres Idie Länge
desjenigen Teiles eines von innen nach außen über eine Querschnittsfläche des Werkstückes
geführten Ritzes oder Eindruckes bestimmt werden, die der harten Randzone angehört
(Teil 3 in Fig. I und 2). Ferner ist es möglich, das Verfahren nach der Erfindung
zur Bestimmung der Diffusionsfähigkeit eines Werkstoffes auf Grund des schroffen
oder langgestreckten Verlaufs der tM)ergangszon,e (Teil 2 in Fig. 1 und 2) zu verwenden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, an Stelle
der einen als Ritz- oder Druckwerkzeug dienenden Hartspitze oder Rolle ein mit zwei
Spitzen oder Rollen verschiedener Höhenlage versehenes Werkzeug zu verwenden.
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Dabei wird das mit der höheren Spitze versehene Ritzwerkzeug (Diamant,
Hartmetall) in die weiche Kernzone des zu prüfenden Werkstückes tiefer eindringen
als in Idie harte Randzone, und somit muß die zweite, weniger hohe Spitze -des Werkzeuges
der Last entsprechend in der weichen Kernzone nur einen weniger breiten und weniger
tiefen Ritz erzeugen. Da die Härte des Werkstoffes in der Übergangszone nach außen
zu ansteigt, werden die beiden Ritze, wie schon beschrieben, immer weniger tief.
Zweckmäßigerweise wählt man nun den Höhenunterschied der beiden Hartspitzen so,
daß der Ritz der zweiten Hartspitze dort endet, wo die harte Randzone beginnt. Das
gleiche gilt sinngemäß für ein mit zwei Rollen versehenes Druckwerkzeug.
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Bei dieser Durchführung des Verfahrens wild die Einsatztiefe festgestellt
durch Messen des Abstandes des Ritz- bzw. Eindruckendes vom Umfang des Prüfkörpers.
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In der weiteren Ausgestaltung betrifft die Erfindung eine Einrichtung
zur Durchführung indes beschriebenen Verfahrens. Sie besteht im wesentlichen aus
einer Einspannvorrichtung für den Probiekörper und einem Träger für das Ritz- oder
Druclcwerkzeug (Diamant, Hartstahlspitze oder Rolle) der in einer Führung parallel
zur Schlifffläche des Probekörpers verschieblich sitzt und mit einer Vorrichtung
zur wählbaren Einstellung der Belastung, mit welcher das Ritzwerkzeug auf die Prüffläche
drückt, versehen ist.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung nach der Erfindung ist
in der Fig. 3 der Zeichnung dargestellt.
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Sie besteht wesentlich aus einem festen Grundkörper 10 und dem relativ
zu diesem verschiebbaren Träger II des Ritzwerkzeuges. Am Grundkörper 10 ist eine
schwallbenschwanzartige Führung I2 vorgesehen, in die der Ritzwerkzeugträger II
mit einer entsprechenden Ausnehmung eingreift.
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Der Werkzeugträger ii weist einen mittels eines Gelenkes 15 an ihm
schwenkbar angeordneten Teil I6 auf, an dem das Ritzwerkzeug 13 (Diamant, Hartstahlspitze)
mittels einer Klemmschraube 14 befestigt ist. Die Anpreßkraft des Ritzwerkzeuges
I3 auf jeder Oberfläche des Prüflings 20 kann eingestellt und regelbar verändert
werden mit Hilfe einer im Ritzwerkzeugträger 11 eingreifenden Stellschraube I7,
gegen sdie sich das eine Ende einer Belastungsfeder I8 abstützt, während deren anderes
Ende auf dem schwenkbaren TeilIG ruht. Die Festlegung des Prüflings 20 im Grundkörper
IO erfolgt mit Hilfe einer Klemmbacke 2I, die durch eine in einem Ansatz 22 des
Grundkörpers IO angeordnete Feststellschraube 23 festgezogen werden kann. Der Ritzwerkzeugträger
II kann gegenüber dem Grundkörper IO parallel zur Schlifffläche des Prüflings 20
mit Hilfe der Führung 12 verschoben werden. Zur Durchführung dieser Bewegung ist
an einem Auge 25 des Grundkörpers IO ein Hebel 26 angelenkt, der mit einem Langloch
27 einen Mitnehmerbolzen 28 in einem Auge 29 des Ritzwerkzeugträgers I I erfaßt.
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Eine Vorrichtung der beschriebenen Art kann unmittelbar mit einer
Einrichtung zum Ablesen der Einsatztiefe, z. B. einer Ableslupe ausgerüstet sein.
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Es kann auch an ein solches Gerät eine Einrichtung zum Registrieren
der bei jedem Meßvorgang festgestellten Einsatztiefe angebaut sein.