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Verfahren und Einrichtung zur Oberflächenhärtung von Stahl Die Erfindung
betrifft ein vortei lhaftes Verfahren und. eine Einrichtung zur Oberflächenhärtung
von Stahl, wie Vergütungsstählen, Stahlguß od..dgl., und die Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Die Härtung von Maschinenteilen und: sonstigen, auf Verschleiß beanspruchten
Werkstücken in der Weise, daß ohne Beeinflussung :des vergütetem Kernes .an der
Oberfläche eine harte, verschleißfeste S,dhidht entsteht, erfolgte bisher mittels
Flammenhärtung oder mittels Hochfrequenzhärtung.
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Bei, der Flammenhärtung wird. zwecks Erzielung .eines Wärmestaues,der
Oberfläche des Werkstückes eine entsprechend große Wärmemenge rasch zugeführt, wozu
eine entsprechend große Menge an Gas und Sauerstoff zur Verfügung stehen muß, deren
Bereitstellung bei größeren Stücken erheblichen Aufwand erfordert. Die Abführung
der bei großen Brennern eine beträchtliche Menge ausmachenden Abgase bereitet Schwierigkeiten.
Dabei ward: die im Gas vorhandene Energie nur in geringem Maße ausgenutzt und die
Überwachung der Oberflächentemperatur des Werkstückes durch die Flammen stark behindert.
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Bei .der Hochfrequenzhärtung ist vor allem der Nachteil, daß die erforderlichen
Apparaturen für dicke Werkstücke äußerst kostspieliig-sind.
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Zum Ausglühen von Werkstücken ist weiter bekannt, Heizwiderstände
über die ganze Länge des Werkstückes in die Wand einer Glühkammer einzubauen
oder
die Glühkammer selbst als Hei-zwiders.tand auszubilden. Infolge der Größe der erforderlichen
Anlage ist dieses Verfahren nicht nur kostspielig, sondern für das Härten großer
Flächen auch ungeeignet, denn es ist hierbei. nicht möglich, das erhitzte Werkstück
.rasch genug der Abkühlung zuzuführen. Ein Versuch, dieses Verfahren mit den bekannten,
die ganze zu vergütende Fläche überdeckenden Widcrstand@§heizlcörpern für den Härtungsprolzeß
anzuwenden, mußte sich daher notgedrungen .auf kleine Oberflächen beschränken.
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Schließlich ist auch ein Verfahren zum Härten von Stahl' an der Oberfläche
,oder nur .an einz:eIneri-Stellen :derselben bekannbgeworden, bei; welchem man an
der jeweils zu: härtenden Stelle durch eine mit ihr iin unvollkommener Berührung
stehende Elektrode Strom während einiger Zeit eintreten und durch eine mit dem Metall'
in inniger Berührung stehende Elektrode austreten läßt. D'e Oberfläche wird dadurch
an dien Stromeintrittsstellen heftig erhitzt und.darauffolgend abgeschreckt. Es
wurde auch vorgeschlagen, die zur stellenweisen Erhitzung des Metalls dienende Elektrode
mittels eines Gehäuses luftdicht abzuschließen. Bei dem erwähnten Verfahren ist
es indessen nicht möglich., eine gl@eichmäßi.ge Erhitzung größerer Flächen zu erreichen;
weil) nur .die Stromeintrittsstellle, nicht aber die weitere umgebende, Fläcihe
erhitzt wird. Längs .des Weges, den der Strom nimmt, erfährt das Metall keine in
Betracht kommende Erwärmung. Es ergeben sich dadurch: unerwünschte thermische Spannungen,
und außerdem kann auch die Temperatur nicht genügend geregelt werden.
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Erfindungsgemäß werden die angeführten Nachteile dadurch behoben,
daß die Beheizung der Oberfläche des Werkstückes :durch einen durch den eigenen
Widerstand auf entsprechende Temperatur gebrachten, stab- oder ringförmig oder sonst
geeignet gestalteten Heizkörper und derart erfolgt, daß die zu härtende Oberfläche
und' der Heizkörper fortlaufend oder in einer der fortlaufenden Bewegung nahekommenden
Bewegung aneinander vorbeigeführt werden.
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Das Ezhitzungsgerät bleibt in diesem Falile klein. Es kann ihn Bedarfsfalle
auch transpartabel ausgeführt und` zur Bearbeitung großer Oberflächen an Oirt und
Stelle herangezogen werden. Für die Größe der zu bearbeitenden Oberflächen ist hierbei
ein weitgehender Spielraum gelassen. Durch Veränderung der Relativgeschwindigkeit,
der Breite des Ringes oder Stabes od. dgl., oder durch Änderung dessen Abstandes
von der Oberfläche kann der Grad der erreichbaren Oberflächenerwärmung bzw. Härtung
an jeder Stellte beliebig geregelt und so an stark beanspruchten Stellen eine weitergehende
Härtung, .an .den anderen eine geringere Härtung erzielt werden.
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Ferner wild, eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt,
da :die Wärmeübertragung rfficht nur, wie: z. B. bei Gas, durch Konvektion, sondern
vor allem durch Strahlung erfolgt.
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Als Material für die ellektrisöh du'rc'h dien eigenen Widerstand erhitzten
Stäbe, Ringe od. dgf. kommt vor :allem Filektirodenkohle in Frage. Sollen aber wiederholt
gleichförmige Stücke in großer Zahl gehärtet werden, werden statt Kohle vorteilhaft
Graphit, Wolfram, Molybdän od. d'gl. verwendet.
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Zwecks. Verhinderung :des Abstrahlens der Wärme in den Raum ist .des
widerstandserhitzte Ring, Stab od. dgl. von einem wärmeisolierenden Teil geeigneter
Form umgeben. Durch entsprechende Formgebung dieses Teiles, :der sich z.. B. in
-Vo:rsdhubrichtung über das Heizelement hinaus erstrecken kann, ist die Möglichkeit
einer Vorwärmung und dadurch besseren Ausnutzung der zugeführten Energie gegeben.
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Ringförmige Heizkörper können .aus einem Stück tiergestellt oder auch
zweckmäßig aus mehreren Segmenten zusammengesetzt werden. Kohleringsegmente können
durch Pressen, Sintern od. dgl. hergestellt werden.
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Bei Verwendung von Stäben, Ringen bzw. Ringsegmenten od.:d@"gl. aus
Graphit, Wolfram oder Molybdän od. dgl. muß zusätzlich eine Leitung für Wasserstoff-
oder Stickstoffzuführung verlegt werden, welche z. B. zwischen einer das Werkstück
umgebenden, als Brause ausgebildeten Wasserringleitung und dem Heizring montiert
wird, so daß der denseiliben @b:ibdendie Werkstoff, z. B. Graphit, Wolfram oder
Molybdän od. dgl., in einer Wassergtoff- o.derStickstoffatmosphäreglüht. Die Segmente
aus Graphit, Wolfram oder Molybdän sind dann praktisch unverwüstlich. Auch bei Kohlekörpern
ist die Anwendung von Schutzgas günstig.
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Für die Umwandliung :des .elektrlsdhen Stromes auf eine geeignete
Spannung ist lediglich ein Transformator entsprechender Größe no:twendiig. Es entfällt
also gegenüber der 4#lektroindülctiven Erhitzung die Anschaffung eines teuren Hochfrequenzumformezs.
Di,e Ringsegmente werden vorteilhaft so gewählt, daß eine gleichförnuge Belastung
aller drei Phasen des Stromnetzes, gewährleistet wiird. Da bei dieser neuen Art
der Beheizung keine :oder ke'ünerhei wesentliche Flammen auftreten, ist es außerdlem
möglich, die Oberflächentemperatur des Werkstückes zu überwachen. Durch geeignete
Wahl der Höhe und Dicke der R.ingsegmente und des Vorschubes kann jede gewünschte
Einhärtung erzielt werden. Selbstverständlich läßt sich. die erfindungsgemäße Beheizung
auch mit geraden Heizstäben ohne weiteres für das Mantelverfahren od. dgl,. anwenden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur
Ausübung :des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Es zeig t Eilg.
r einen Schnitt entlang .der Achse des Heizringes, Fig. 2 einen Querschnitt durch
denselben.
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Die Heizvorrichtung besteht aus einem aus drei Segmenten a, 3, q.
mit je eigener Stromzuführung zusammengesetzten Ring, einem denselben umgebenden
und mit ,ihm fest verbundenen wärmeisöVierenden Ring 5 und einer durch Anordnung
von Spritzöffnungen als Brause ausgebildeten Wasserringleitung 6, durch welche die
über die
Umwandlungstemperatur :erhitzte Oberfläche des Werkstückes
abgeschreckt wird. Der Ring bzw. die Segmente können aus Kahle, Graphit, Wolfram,
Molybdän .od. @d:gl-. bestehen. Im Falleder Ve.rwendun:g eines Ringes aus Graphit,
Wolfram oder Molybdän od. d@gl. wird zusätzlich eine Ringleitung 7 mit Austrittsöffnungen
8 (strichliert in F,ig. i) für Wasserstoff- oder Stickstoffzuführung vorgesehen,
so daß der Ring in Wasser- oder Stickstoffatmosphäre glüht und ein Verbrennen des
Ringmaterials verhindert wird. Der beschriebene Heizring wird. mittels einer Haltevorrichtung
über das Werkstück i geschoben und mit den drei Phasen eines Transformators verbunden.
Der mit dem Heizring fest verbundene wärmeiso:lierendie Ring 5 verhindert die Abstrahlung
der Hitze in den Raum und ermöglicht, wenn er sich in Vorschubrichtung über das
Heizelement hinaus erstreckt, eine Vorwärmung in Richtung des noch zu härtenden
Teiles. Das Werkstück wird langsam um seine Achse gedreht, der wärmeisolierende
Ring mit den Heizkörpern und der Abschreckbrause über die Walze od. dlgl. in Pfeilrichtung
hinweggezogen oder die Walze od. dgl. 'hindurchgeführt, wobei sie fortlaufend an
ihrer Oberfläche gehärtet wird.
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Der Vorteil der beschriebenen Erwärmung mit Kohle- bzw. Graphit-,
Wolfram- oder Molybdänringen liegt vor allem in de,r günstigen Ausnutzung der zugeführten
Energie, in der einfachen Art der Anwendung, in .der Möglichkeit einer genauen Temperaturkontrolle
der Werkstückoberfläche sowie in der verhältnismäßig billigen Möglichkeit, die Energie
in die benötigte Form umzuwandeln und in der nicht ortsgebundenen Zuführung der
Energie gegenüber der Flammenhärtung (Herstellung von Koksgas, Sauerstoff, Acetylen
usw. in großen Mengen) und in der Vermeidung der Schwierigkeiten, die mit der Abführung
der dabei entstehenden Abgase verbunden sind. Gegenüber der Hochfrequenzoberflächen:härtung
ist außerdem der große Vorteil gegeben, daß .die Temperatur des erhitzenden Mediums
infolge seiner Wärmeträgheit in geringem Maße voll Netz- und Frequenzsc hwankungen
abhängig ist.