EP0601451A1 - Verfahren zum Aufhärten und ggf. Glätten von Maschinenbauteilen sowie nach diesem Verfahren hergestellten Maschinenbauteilen - Google Patents

Verfahren zum Aufhärten und ggf. Glätten von Maschinenbauteilen sowie nach diesem Verfahren hergestellten Maschinenbauteilen Download PDF

Info

Publication number
EP0601451A1
EP0601451A1 EP93119338A EP93119338A EP0601451A1 EP 0601451 A1 EP0601451 A1 EP 0601451A1 EP 93119338 A EP93119338 A EP 93119338A EP 93119338 A EP93119338 A EP 93119338A EP 0601451 A1 EP0601451 A1 EP 0601451A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
treatment
cementite
laser
temperature
power density
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP93119338A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0601451B1 (de
Inventor
Georg Dr.-Ing. Barton
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Adam Opel GmbH
Stellantis Espana SL
Original Assignee
Adam Opel GmbH
General Motors Espana SL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Adam Opel GmbH, General Motors Espana SL filed Critical Adam Opel GmbH
Publication of EP0601451A1 publication Critical patent/EP0601451A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0601451B1 publication Critical patent/EP0601451B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D5/00—Heat treatments of cast-iron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/007—Ledeburite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/009—Pearlite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/30—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for crankshafts; for camshafts

Definitions

  • the present invention relates to a method for hardening and possibly smoothing machine components by means of a beam causing surface heating of the respective component, such as. B. a laser beam, an electron beam or the beam of an arc lamp.
  • the present invention further relates to machine components which are produced or treated by the method.
  • so-called laser transformation hardening is known. Basically, a laser is used as a high-energy heat source for martensite hardening without melting the surface of the treated components. In other words, an operation similar to induction hardening is carried out. Examples of such processes can be found in US Pat. Nos. 4,304,978, 4,093,842 and 4,686,349 and German Patent 33 43 783.
  • Another category of processes includes laser layer melting.
  • a graphite layer applied to a substrate is melted into the layer.
  • carbides form.
  • carbon is introduced into the layer, which dissolves in the molten state, forms a mixed crystal and forms carbides on cooling with atoms of the substrate Cr, W, V, Mn, Fe, which in the form of granular or dendritic precipitates are present, for example TiC (if the substrate is a Ti material) from the dissolved graphite.
  • An example of this procedure can be found in DE-OS 35 45 128.
  • a high-power laser often a CO2 laser, is used.
  • DE-OS 39 32 328 a method for processing surfaces subjected to friction in internal combustion engines, in particular the cylinder surfaces of piston engines, is known, the surface being honed and additionally subjected to a laser beam treatment.
  • This laser beam treatment after prior honing is preferably carried out by a pulsed excimer laser, this treatment causing a surface evaporation of micro-grooves while maintaining the macro-grooves (oil-promoting honing grooves) without deliberate remelting.
  • DE-OS 39 32 398 mentions a non-deliberately produced "skin" in the nanometer range ( ⁇ 1 ⁇ m), ie in the order of 0.001 ⁇ m. Due to the extreme quenching rates, it is usually oversaturated or already amorphous and therefore possibly hard.
  • the object of the present invention is to provide a method of the type mentioned at the outset which enables the hardening and preferably also the simultaneous micro-smoothing of machine components, which either in the form of a hard cast part with a leather-buried structure or in the form of a steel part with pearlitic structure, the method being carried out in such a way that a new structure is achieved on the surface of the component, which not only offers a hard and preferably also a micro-smooth surface, but also does not require any reworking, but does not require any reworking for special purposes is excluded.
  • the invention provides that the respective component, which is either in the form of a part, such as a hard cast part with a leather-buritic structure or in the form of a steel part with a pearlitic structure, is treated with a high energy density, the surface layer extending into Near the melting temperature is briefly heated either continuously or by repeated pulses, so that a diffusion of the carbon from the cementite lamellae of ledeburite or pearlite into the soft interlamellar ferrite areas takes place in an edge layer.
  • the substrate surface with ledeburitic or pearlitic structure is therefore heated up to the vicinity of the melting point, although the surface can become doughy, but the surface geometry does not change due to melting of the surface.
  • the keeping at this temperature is chosen according to the invention in such a way that there is no complete dissolution of existing phase components or the formation of a homogeneous mixed crystal.
  • the invention produces an almost closed cementite surface instead of the pearlite in steel and pearlite areas in chilled cast iron through targeted selection of the power density and the duration of the local heating.
  • the choice of the power density and duration of the treatment is further made such that after the local warming up of the surface, the surface layer is self-quenched by the ambient temperature and the temperatures prevailing within the component, with a regression to the original phase state either not or only incompletely. This means that with a pearlitic or ledeburitic structure on the surface or on the surface layer, the cementite substance is mixed at the expense of the stoichiometric structure.
  • the structural component that locally becomes dough or melts is usually the areas between the large cementite lamellae and the pearlite.
  • the iron-carbon state diagram plays a crucial role, taking into account the imbalance conditions.
  • the treatment should be carried out in this way, that is, it should last so short that no homogeneities, e.g. austenitic mixed crystals, can form in the surface layer, whereby sufficient cementite germs must always be present in the surface layer and in the substrate, so that during quenching (self-quenching or possibly with the help of a cold jet) cementite and not residual austenite is always formed.
  • no homogeneities e.g. austenitic mixed crystals
  • the treatment can be carried out in this way, for example with a pulsed radiation source of high energy density, e.g. with an excimer laser that a pronounced evaporation (sublimation) and melting of a thin surface skin takes place, which leads to a pronounced micro-smoothing of the surface.
  • a pulsed radiation source of high energy density e.g. with an excimer laser that a pronounced evaporation (sublimation) and melting of a thin surface skin takes place, which leads to a pronounced micro-smoothing of the surface.
  • Typical values for the energy density used are in the range from 2 x 103 to 5 x 105 W / cm2.
  • the invention creates machine components which are either in the form of a hard cast part with a leather-buried structure or in the form of a steel part with a pearlitic structure, with the special characteristic that an almost closed cementite surface is present, the component having a surface hardness above 900 HV, preferably approximately 1100 HV and the cementite precipitation density in the interlamellar areas decreases continuously from the surface towards the matrix.
  • the component can be, for example, a camshaft or a rocker arm, but of course there are also many other conceivable machine components that can be treated according to the invention.
  • the treatment can basically be carried out in the air, at least with a laser beam or with an arc lamp, since there is little or no fear of oxidation processes. It may be useful to carry out the treatment with the selected jet type in a selected gas atmosphere in order to achieve special effects.
  • the treatment could be nitrogenous or CO2-containing atmosphere can be carried out when nitriding or carburizing the surface of the workpiece is additionally desired.
  • the invention is concerned with the surface treatment of machine components with a heterogeneous (over-, under- or -eutectic) cast structure, as shown in FIG. 1, or with over-, under- or -eutectoidal steel structure, so as shown in Fig. 3.
  • FIG. 1 shows a TIG-remelted tread of a cast iron camshaft with a hypoeutectic structure made of cementite flakes and fine pearlite.
  • the TIG remelting process represents a possible, but not absolutely necessary, pretreatment.
  • the cementite lamellae are the large-area islands, while the pearlite areas have the filigree structure.
  • a hard shell casting also provides a qualitatively similar structure.
  • a surface structure according to FIG. 2 is formed. From the structural components as in FIG. 1, ie from the cementite flakes and fine pearlite an almost closed layer of non-stoichiometric cementite has formed in the surface layer. It is characteristic of this treatment that the surface layer is briefly heated up to the vicinity of the melting temperature (continuously or by repeated pulses), so that the diffusion of the carbon from the cementite lamellae of ledeburite into the soft, interlamellar ferrite areas takes place in the surface layer.
  • the holding time at this temperature is chosen so that there is no complete dissolution of existing phase components and formation of a homogeneous mixed crystal.
  • a regression to the original phase state cannot take place or can only take place incompletely.
  • the cementite substance "blends", as can clearly be seen in FIG. 2, at the expense of the stoichiometric structure, combined with the effect of hardening the surface layer down to 1100 HV.
  • FIG. 3 shows a scanning electron micrograph of a eutectoidal structure of a steel with approximately 0.8% C.
  • ferrite as dark parts of the matrix
  • cementite as light parts of the matrix in a lamellar arrangement.
  • FIG. 4 After treatment with the excimer laser, as for the cast iron sample of FIG. 1, a microstructure builds up in the surface layer, as shown in FIG. 4.
  • the original cementite lamellae which are still visible as lighter cores, have "mingled" in a surface layer approximately 2 ⁇ m deep. Almost the entire surface layer consists of a cementite which is presumably not balanced and partly granular.
  • the brief heating of the surface layer up to the vicinity of the melting temperature (continuously or by repeated pulses of the laser) in a peripheral layer caused the carbon to diffuse from the cementite lamellae of pearlite into the soft, interlamellar ferrite areas.
  • the temperature reached in the vicinity of the melting temperature must be chosen so that there is no complete dissolution of existing phase components and formation of a homogeneous mixed crystal.
  • the self-quenching of the surface layer following the heat treatment prevents a regression in the original phase state.
  • an imbalance cementite with a higher volume than the original one arises.
  • Both the pearlitic and the ledeburitic structure therefore result in a "blending" of the cementite substance at the expense of the stoichiometric structure, combined with the effect of hardening the surface layer up to 1100 HV.
  • it is treated with both types of metal on the Surface to form an even closed non-stoichiometric cementite layer, which has a considerable improvement in the abrasive and especially the adhesive wear resistance in the run-in phase and in subsequent operation.
  • the invention therefore describes a method for the contactless production of thin wear layers, mainly by "blending" the cementite surface. This also improves the resistance to pitting and fatigue.
  • the invention includes at the same time smoothing the surface. This treatment can successfully replace mechanical microfinishing. Inlet wear is greatly reduced by smoothing.
  • the method also has the particular advantage that it can be easily integrated into existing production lines without great effort.
  • the ground ledeburitic cam surface of a camshaft is treated with a CO2 laser in CW operation (continuous, non-pulsed laser beam) with a rectangular beam cross-section of size 2 x 10 or 1 x 20 mm2 by rotating the camshaft under the laser beam.
  • the width of approx. 10 or 20 mm corresponds to the cam width of an NW with 4 or 2 valve technology.
  • the surface temperature in the area of liquidus solidus from 1150 to 1250 ° C (pasty state of the surface layer) is monitored with known "on line" temperature measuring systems.
  • the power density is 5 x 103 to 105 W / cm2. With the beam cross-section size mentioned, a laser power of 5 to 8 kW is required.
  • the speed of rotation of the camshaft is determined from the dwell time of the laser beam on the cam surface.
  • a dwell time (exposure time) of 0.3 to 10 s is required for a carbide layer thickness of 3 to 10 ⁇ m. If the treatment in pulse mode is carried out with a CO2 or Nd: YAG laser, at least 20% lower average power densities are required.
  • the ledeburitic cam tread of a die cast shell or edge layer remelted (TIG; laser, electron beam) rocker arm is treated with the electron beam to form a thin, but almost dense carbide wear layer.
  • TOG die cast shell or edge layer remelted
  • the e-beam with a beam diameter of 0.1 to 0.5 mm scans the entire cam running surface one or more times in a known manner. If the surface is scanned several times, an almost constant, average temperature of the surface, which does not exceed the liquidus, will also be maintained.
  • a deflection frequency of the e-beam of 100 to 500 Hz in the y-axis and a feed speed of the rocker arm in the x-axis of 5 to 60 mm / s are used, depending on whether preheating of the rocker arm has taken place beforehand or not.
  • the power of the electron beam gun required in the example was 3 kW (60 V, 50 A).
  • the advantage of the electron beam in this case is the high level of guidance and deflectability as well as the local repeatability of the treatment.
  • carbide layers of different thicknesses can be produced on a surface as required (customized layer thicknesses) without any special effort.
  • the laser power density is in the range 2 x 104 to 5 x 105 W / cm2 and in pulse operation with an average power density is at least 20% lower.
  • the radiation exposure time is comparable to that required for a ledeburitic structure (example 1). Although the liquidus solidus temperature is higher here, the diffusion rate is also higher depending on the temperature.
  • the carbide layer of the present invention It is characteristic of the carbide layer of the present invention that it is produced on existing wear-resistant ledeburite or pearlite, the wear resistance is improved and that the cementite precipitation density in the interlamellar regions always decreases from the surface in the direction of the matrix.
  • the exposure times of 0.017 to 0.026 S mentioned in the US patent are also not comparable with the values of 0.1 to 10 s mentioned in the present application.
  • the average power density for example in the case of an Nd: YAG laser with a beam cross section of 0.5 x 0.5 cm2 and an average power of 500 W, is of the order of 20,000 W / cm2 and therefore in a completely different range than in U.S. Patent No. 4,304,978.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zum Aufhärten und ggf. Glätten von Maschinenbauteilen mittels eines eine Oberflächenaufwärmung des jeweiligen Bauteils bewirkenden Strahls wie z.B. eines Laserstrahls, eines Elektronenstrahls oder eines Lichtbogens, zeichnet sich dadurch aus, daß das jeweilige Bauteil, welches entweder in Form eines Hartgußteils mit ledeburitischem Gefüge oder in Form eines Stahlteils mit perlitischem Gefüge vorliegt mit einer hohen Energiedichte behandelt wird, wobei die Oberflächenschicht bis in die Nähe der Schmelztemperatur kurzzeitig entweder kontinuierlich oder durch mehrmalige Pulse erwärmt wird, so daß in einer Randschicht eine Diffusion des Kohlenstoffs aus den Zementitlamellen des Ledeburits bzw. des Perlits in die weichen zwischenlamellaren Ferritbereiche stattfindet. <IMAGE>

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein verfahren zum Aufhärten und ggf. Glätten von Maschinenbauteilen mittels eines eine Oberflächenaufwärmung des jeweiligen Bauteils bewirkenden Strahls, wie z. B. eines Laserstrahls, eines Elektronenstrahls oder des Strahles einer Lichtbogenlampe. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Maschinenbauteile, welche nach dem Verfahren hergestellt bzw. behandelt werden.
  • Es sind im Stand der Technik verschiedene Verfahren mit Maschinenbauteilen, die mit Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen behandelt werden, bekannt, um bestimmte Eigenschaften an den Oberflächen der Bauteile zu erreichen.
  • Beispielsweise ist das sogenannte Laserumwandlungshärten bekannt. Hier wird im Grunde genommen ein Laser als energiereiche Wärmequelle zum Martensithärten verwendet, ohne dabei die Oberfläche der behandelten Bauteile zu schmelzen. Mit anderen Worten wird ein dem Induktionshärten ähnlicher Vorgang durchgeführt. Beispiele für solche Verfahren sind den US-PS'en 4 304 978, 4 093 842 und 4 686 349 sowie der deutschen Patentschrift 33 43 783 zu entnehmen.
  • Weiterhin gibt es das Verfahren des sogenannten Laserumschmelzhärtens. Hier wird mittels des Laserstrahls eine geschmolzene Schicht an der Oberfläche des Bauteils erzeugt, welche durch rasche Erstarrung zu einem harten leduburitischen Gefüge führt. Beispiele für diese Verfahrensweise sind aus den deutschen Patentschriften 34 18 555 und 36 29 799 bekannt.
  • Eine weitere Verfahrenskategorie umfaßt das Laserschichteinschmelzen. Bei diesem Verfahren wird eine auf einem Substrat aufgetragene Graphitschicht in die Schicht eingeschmolzen. Beim Erstarren bzw. Abkühlen des Substrats bilden sich Karbide. Mit anderen Worten wird durch Einschmelzen des Graphits Kohlenstoff in die Schicht eingebracht, der im schmelzflüssigen Zustand sich auflöst, ein Mischkristall bildet und beim Abkühlen mit Atomen des Substrats Cr, W, V, Mn, Fe Karbide bildet, die in Form von körniger bzw. dendritischer Ausscheidungen vorliegen, beispielsweise TiC (wenn das Substrat ein Ti-Werkstoff ist) aus dem gelösten Graphit. Ein Beispiel für diese Verfahrensweise ist der DE-OS 35 45 128 zu entnehmen.
  • In allen diesen Fällen wird ein Hochleistungslaser, häufig ein CO₂-Laser benutzt.
  • Aus der DE-OS 39 32 328 ist im übrigen ein Verfahren zur Bearbeitung von durch Reibung beanspruchten Flächen in Brennkraftmaschinen, insbesondere der Zylinderlaufflächen von Kolbenmotoren bekannt, wobei die Fläche gehont und zusätzlich einer Laserstrahlbehandlung unterzogen wird. Diese Laserstrahlbehandlung nach vorherigem Honen wird vorzugsweise durch einen gepulsten sogenannten Excimer-Laser durchgeführt, wobei diese Behandlung eine Oberflächenabdampfung von Mikroriefen bei Erhaltung der Makroriefen (ölfördernde Honriefen) ohne gewollte Umschmelzerscheinungen verursacht. Die DE-OS 39 32 398 erwähnt eine nicht gezielt erzeugte "Haut" im Nanometerbereich (< 1µm), d.h. in der Größenordnung von 0,001µm. Durch die extremen Abschreckraten ist sie meist übersättigt oder bereits schon amorph und deshalb eventuell hart.
  • Im Vergleich zu den bekannten Verfahren liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzusehen, das das Aufhärten und vorzugsweise auch das gleichzeitige Mikroglätten von Maschinenbauteilen, ermöglicht, welche entweder in Form eines Hartgußteils mit ledeburitischem Gefüge oder in Form eines Stahlteils mit perlitischem Gefüge vorliegen, wobei das Verfahren so durchgeführt wird, daß eine neuartige Gefügestruktur an der Oberfläche des Bauteiles erreicht wird, das nicht nur eine harte und vorzugsweise auch mikroglatte Oberfläche bietet, sondern auch keinerlei Nachbearbeitung erfordert, wobei aber eine eventuelle Nachbearbeitung für Sonderzwecke nicht ausgeschlossen ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß das jeweilige Bauteil, das entweder in Form eines Teils, wie z.B. ein Hartgußteil mit ledeburitischem Gefüge oder in Form eines Stahlteils mit perlitischem Gefüge vorliegt, mit einer hohen Energiedichte behandelt wird, wobei die Oberflächenschicht bis in die Nähe der Schmelztemperatur kurzzeitig entweder kontinuierlich oder durch mehrmalige Pulse erwärmt wird, so daß in einer Randschicht eine Diffusion des Kohlenstoffs aus den Zementitlamellen des Ledeburits bzw. des Perlits in die weichen zwischenlamellaren Ferritbereiche stattfindet. Es erfolgt daher eine Erwärmung der Substratoberfläche mit ledeburitischem bzw. perlitischem Gefüge bis in die Nähe des Schmelzpunktes, wobei die Oberfläche zwar teigig werden kann, eine Veränderung der Oberflächengeometrie durch Schmelzen der Oberfläche jedoch nicht eintritt. Das Halten auf dieser Temperatur wird erfindungsgemäß so gewählt, daß es nicht zu einer vollständigen Auflösung vorhandener Phasenbestandteile bzw. zur Bildung eines homogenen Mischkristalls kommt.
  • Im Gegensatz zu den bekannten Laserumwandlungshärten, das eine martensitische Struktur an der Oberfläche des Maschinenbauteils erzeugt, wird durch die Erfindung durch gezielte Wahl der Leistungsdichte sowie der Zeitdauer der lokalen Aufwärmung eine nahezu geschlossene Zementitoberfläche anstelle des Perlits in Stahl und Perlitbereiche im Hartguß erzeugt. Die Wahl der Leistungsdichte und Zeitdauer der Behandlung wird weiterhin so getroffen, daß nach der lokalen Aufwärmung der Oberfläche eine Selbstabschreckung der Oberflächenschicht durch die Umgebungstemperatur und die innerhalb des Bauteils herrschenden Temperaturen eintritt, wobei eine Rückbildung in den ursprünglichen Phasenzustand nicht oder nur unvollständig erfolgt. Dies bedeutet, daß es bei einem perlitischen oder ledeburitischem Gefüge an der Oberfläche bzw. an der Oberflächenschicht zu einem Vermengen der Zementitsubstanz auf Kosten des stöchiometrischen Gefügeaufbaus kommt. Durch die Behandlung mit dem jeweiligen Arbeitsstrahl (Laser, Elektronenstrahl bzw. Lichtbogenlampe) wird das eine Gefügebestandteil lokal teigig bzw. es schmilzt, während die anderen Gefügebestandteile im festen Zustand verbleiben. Üblicherweise handelt es sich bei dem Gefügebestandteil, der lokal teigig wird bzw. schmilzt, um die Bereiche zwischen den großen Zementitlamellen und dem Perlit. Hier spielt das Eisen-Kohlenstoffzustandsdiagramm unter Berücksichtigung der Ungleichgewichtsverhältnisse eine entscheidende Rolle.
  • Die Behandlung soll so durchgeführt werden, d.h. vor allem so kurz dauern, daß sich in der Randschicht keine Homogene, z.B. austenitische Mischkristalle ausbilden können, wobei stets genügend Zementitkeime in der Randschicht und im Substrat vorhanden sein müssen, so daß beim Abschrecken (Selbstabschreckung oder evtl. mit Hilfe eines Kältestrahls) stets Zementit und nicht Restaustenit gebildet wird.
  • Die Behandlung läßt sich so durchführen, beispielsweise mit einer gepulsten Strahlenquelle hoher Energiedichte, wie z.B. mit einem Excimer-Laser, daß ein ausgeprägtes Abdampfen (Sublimation) und Schmelzen einer dünnen Oberflächenhaut erfolgt, was zu einem ausgeprägten Mikroglätten der Oberfläche führt.
  • Im allgemeinen ist es sinnvoll, vor der Behandlung mit dem Strahl hoher Energiedichte, das jeweilige Bauteil wenigstens an der zu behandelnden Oberfläche zu schleifen, wobei aber auch schalenhart gegossene Oberflächen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden können. Typische Anwendungsbeispiele für das vorliegende Verfahren sind die Erzeugung von harten und ggf. mikroglatten Oberflächen an Nockenwellen oder Schlepphebel von Verbrennungsmotoren.
  • Typische Werte für die verwendete Energiedichte liegen im Bereich von 2 x 10³ bis 5 x 10⁵ W/cm².
  • Angaben zu typischen Belichtungszeiten bzw. Behandlungszeiten für die einzelnen Stellen der Oberfläche sind den weiteren Unteransprüchen bzw. den Beispielen zu entnehmen. Die Erfindung schafft daher eine berührungslose, sehr schnelle Methode zum gleichzeitigen Glätten und Aufhärten von heterogenen Verschleißoberflächen metallischer Werkstoffe. Weiterhin ermöglicht es die Erfindung das Mikroglätten geschliffener Verschleißoberflächen mit dem Aufhärten durch Zementitvermengung an gegossenen Hartgußteilen mit ledeburitischem bzw. Stahl mit perlitischem Gefüge in einer Operation zu vereinigen. Durch die Bildung von nahezu kompakten geschlossenen Zementitoberflächen anstelle des Perlits im Stahl und Perlitbereichen im Hartguß, wird besonders die adhäsive Verschleißbeständigkeit stark verbessert. Die Erfindung weist auch folgende Vorteile auf:
    • sie ersetzt das mechanische Mikroglätten (Mikrofinishen) von Verschleißoberflächen auf Nockenwellen und Schlepphebeln,
    • sie verringert den Einlaufverschleiß,
    • die Behandlung dauert sehr kurz, typischerweise bis zu einer halben Minute pro Nockenwelle,
    • die Methode läßt sich sehr gut in die Produktionslinie einfügen.
  • Durch die Erfindung werden Maschinenbauteile, die entweder in Form eines Hartgußteils mit ledeburitischem Gefüge oder in Form eines Stahlteils mit perlitischem Gefüge vorliegen, geschaffen mit dem besonderen Kennzeichen, daß eine nahezu geschlossene Zementitoberfläche vorliegt, wobei das Bauteil eine Oberflächenhärte oberhalb von 900 HV, vorzugsweise etwa 1100 HV aufweist und die Zementitausscheidungsdichte in den zwischenlamellaren Bereichen von der Oberfläche in Richtung Matrix kontinuierlich abnimmt. Das Bauteil kann beispielsweise eine Nockenwelle oder ein Schlepphebel sein, es sind aber natürlich auch viele andere denkbare Maschinenbauteile, welche erfindungsgemäß behandelt werden können.
  • Schließlich soll zum Ausdruck gebracht werden, daß die Behandlung grundsätzlich in der Luft durchführbar ist, wenigstens mit einem Laserstrahl oder mit einer Lichtbogenlampe, da Oxidationsvorgänge nicht oder nicht im ausgeprägten Maße zu befürchten sind. Es kann unter Umständen nützlich sein, die Behandlung mit der gewählten Strahlart in einer ausgewählten Gasatmosphäre durchzuführen, um spezielle Effekte zu erreichen. Beispielsweise könnte die Behandlung in einer stickstoffhaltigen oder CO₂-haltigen Atmosphäre durchgeführt werden, wenn ein Nitrieren oder Aufkohlen der Oberfläche des Werkstücks zusätzlich erwünscht ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert, anhand von vier elektronenmikroskopischen Abbildungen und drei Ausführungsbeispielen.
  • Die rasterelektronenmikroskopischen Abbildungen zeigen:
    • Fig. 1
    eine Draufsicht auf eine umgeschmolzene Lauffläche einer Gußeisennockenwelle vor Anwendung der erfindungsgemäßen Behandlung (2580 mal vergrößert),
    Fig. 2
    die Oberfläche nach Fig. 1, jedoch nach zusätzlicher erfindungsgemäßer Behandlung mit einem Excimer-Laser (2040 mal vergrößert),
    Fig. 3
    eine Draufsicht auf ein eutektoidales Gefüge eines unbehandelten Stahls mit 0,8%C (1010 mal vergrößert und geätzt),
    Fig. 4
    das Gefüge aus Fig. 3 nach erfindungsgemäßer Laserbehandlung mit Schliff senkrecht zur behandelten Oberfläche bei 40000-facher Vergrößerung und geätzt.
  • Wie bereits oben erläutert, befaßt sich die Erfindung mit der Oberflächenbehandlung von Maschinenbauteilen mit heterogenem (über-, unter- oder -eutektischem) Gußgefüge, so wie in Fig. 1 dargestellt, bzw. mit über-, unter- oder -eutektoidalem Stahlgefüge, so wie in Fig. 3 dargestellt.
  • Die rasterelektronenmikroskopische Draufsicht der Fig. 1 zeigt eine WIG-umgeschmolzene Lauffläche einer Gußeisennockenwelle mit einem untereutektischem Gefüge aus Zementitlamellen und feinem Perlit. Das WIG-Umschmelzverfahren stellt eine mögliche, jedoch nicht zwingend erforderliche Vorbehandlung dar. In Fig. 1 sind die Zementitlamellen die großflächigen Inseln, während die Perlitbereiche die filigrane Struktur aufweisen. Ein qualitativ ähnliches Gefüge liefert auch Schalenhartguß.
  • Nach zusätzlicher Behandlung der Oberfläche mit einem Excimer-Laser mit einer Pulsleistungsdichte von beispielsweise 40 mJ/mm², 2 Pulse, Pulsdauer 40 ns entsteht eine Oberflächenstruktur nach Fig. 2. Aus den Gefügebestandteilen wie im Fig. 1, d.h. aus den Zementitlamellen und feinem Perlit hat sich eine nahezu geschlossene Schicht eines nichtstöchiometrischen Zementits in der Randschicht gebildet. Charakteristisch für diese Behandlung ist, daß die Oberflächenschicht bis in die Nähe der Schmelztemperatur kurzzeitig (kontinuierlich oder durch mehrmalige Pulse) erwärmt wird, so daß in der Randschicht eine Diffusion des Kohlenstoffs aus den Zementitlamellen des Ledeburits in die weichen zwischenlamellaren Ferritbereiche stattfindet. Die Haltezeit auf dieser Temperatur wird so gewählt, daß es nicht zu einer vollständigen Auflösung vorhandener Phasenbestandteile und Bildung eines homogenen Mischkristalls kommt. Durch die darauffolgende Selbstabschreckung der Oberflächenschicht kann eine Rückbildung in den ursprünglichen Phasenzustand nicht oder nur unvollständig erfolgen. Es entsteht daher ein Ungleichgewichtzementit mit einem höheren Volumen als das ursprüngliche. Bei einem perlitischen Gefüge kommt es zu einem "Vermengen" der Zementitsubstanz, wie aus Fig. 2 klar ersichtlich, auf Kosten des stöchiometrischen Gefügeaufbaus, verbunden mit dem Effekt einer Aufhärtung der Oberflächenschicht bis auf 1100 HV.
  • Die Fig. 3 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines eutektoidalen Gefüges eines Stahls mit ungefähr 0,8%C. Man sieht Ferrit als dunkle Teile der Matrix und Zementit als helle Teile der Matrix in lamellarer Anordnung. Nach Behandlung mit dem Excimer-Laser, wie für die Gußeisenprobe der Fig. 1, entsteht ein Gefügeaufbau in der Randschicht, wie in Fig. 4 dargestellt. Die ursprünglichen Zementitlamellen, welche als hellere Kerne weiterhin sichtbar sind, haben sich in einer Randschicht von ungefähr 2 µm Tiefe "vermengt". Nahezu die ganze Randschicht besteht aus einem vermutlich nicht gleichgewichtigen, teils körnig ausgeschiedenem Zementit. Auch hier hat die kurzzeitige Erwärmung der Oberflächenschicht bis in die Nähe der Schmelztemperatur (kontinuierlich oder durch mehrmalige Pulse des Lasers) in einer Randschicht eine Diffusion des Kohlenstoffs aus den Zementitlamellen des Perlits in die weichen zwischenlamellaren Ferritbereiche bewirkt.
  • Die erreichte Temperatur in der Nähe der Schmelztemperatur muß so gewählt werden, daß es nicht zu einer vollständigen Auflösung vorhandener Phasenbestandteile und Bildung eines homogenen Mischkristalls kommt. Auch hier verhindert die der Wärmebehandlung folgende Selbstabschreckung der Oberflächenschicht eine Rückbildung in den ursprünglichen Phasenzustand. Ebenso entsteht in diesem Beispiel ein Ungleichgewicht Zementit mit einem höheren Volumen als das ursprüngliche.
  • Sowohl bei dem perlitischen als auch bei dem ledeburitischem Gefüge kommt es daher zu einem "Vermengen" der Zementitsubstanz auf Kosten des stöchiometrischen Gefügeaufbaus, verbunden mit dem Effekt einer Aufhärtung der Oberflächenschicht bis auf 1100 HV. Im günstigsten Fall wird es bei beiden Metallsorten auf der behandelten Oberfläche zur Ausbildung einer sogar geschlossenen nichtstöchiometrischen Zementitschicht kommen, die eine erhebliche Verbesserung der abrasiven und besonders der adhäsiven Verschleißbeständigkeit in der Einlaufphase und im weiteren Betrieb zur Folge hat.
  • Von Bedeutung bei beiden Metallsorten ist auch, daß das lokale Teigigwerden bzw. Schmelzen der einen, bei gleichzeitigem Verbleiben der anderen Gefügebestandteile im festen Zustand möglich ist, so daß die primären Werkstückoberflächen auch nach der Behandlung formtreu erhalten bleiben, wenn von geringer Oberflächenglättung infolge Abdampfen einer Oberflächenschicht abgesehen wird. Da die Behandlung nur so kurz dauert, daß sich in der Randschicht kein homogener, z.B. austenitischer Mischkristall ausbilden kann, sind stets genügend Zementitkeime in der Randschicht und im Substrat vorhanden, das beim Abschrecken abermals stets Zementit und nicht Restaustenit gebildet wird. Wird die Randschicht mit einer gepulsten Strahlenquelle, vorzugsweise mit einem Excimer-Laser behandelt, so wird zusätzlich ein starkes Abdampfen (Sublimation) und Schmelzen einer dünnen Oberflächenhaut stattfinden. Infolge des Verdampfens sowie der Oberflächenspannung der geschmolzenen Oberflächenhaut wird in diesem Fall ein zusätzliches Mikroglätten (Entfernen der Schleifriefen, Verschuppungen und des Blechmantels) stattfinden. Bei entsprechender Einstellung der Laserparameter wird ein gleichzeitiges Glätten der Oberfläche und "Vermengen" des Zementits bis zur Ausbildung einer geschlossenen Schicht stattfinden.
  • Die Erfindung beschreibt daher eine Methode der berührungslosen Erzeugung von dünnen Verschleißschichten, hauptsächlich durch "Vermengung" der Zementitoberfläche. Dabei wird auch eine Verbesserung der Pitting- und Ermündungsbeständigkeit erreicht. Die Erfindung beinhaltet gleichzeitig eine Glättung der Oberfläche. Diese Behandlung kann das mechanische Mikrofinishen erfolgreich ersetzen. Der Einlaufverschleiß wird durch das Glätten stark reduziert. Das Verfahren hat auch den besonderen Vorteil, daß es sich ohne weiteres in bestehenden Produktionslinien ohne großen Aufwand integrieren läßt.
  • Um die praktische Ausübung der Erfindung näher darzustellen, werden nun einige konkrete Ausführungsbeispiele beschrieben:
    • Beispiel 1
  • Die geschliffene ledeburitische Nockenoberfläche einer Nockenwelle (NW) wird mit einem CO₂-Laser im CW-Betrieb (Kontinuierlicher, nicht gepulster Laserstrahl) mit einem rechteckigen Strahlquerschnitt der Größe 2 x 10 bzw. 1 x 20 mm² durch Rotation der Nockenwelle unter dem Laserstrahl behandelt. Die Breite von ca. 10 bzw. 20 mm entspricht der Nockenbreite einer NW mit 4- bzw. 2-Ventiltechnik. Die Oberflächentemperatur im Bereich Liquidus-Solidus von 1150 bis 1250°C (teigiger Zustand der Oberflächenschicht) wird mit bekannten "on line" Temperaturmeßsystemen überwacht.
  • Die Leistungsdichte beträgt 5 x 10³ bis 10⁵ W/cm². Bei genannter Strahlquerschnittgröße wird eine Laserleistung von 5 bis 8 kW benötigt. Die Rotationsgeschwindigkeit der Nockenwelle wird aus der Verweilzeit des Laserstrahls auf der Nockenoberfläche bestimmt. Für eine Karbidschichtdicke von 3 bis 10 µm wird eine Verweilzeit (Belichtungszeit) von 0,3 bis 10 s benötigt. Wird die Behandlung im Pulsbetrieb mit einem CO₂- bzw. Nd: YAG-Laser durchgeführt, so werden mindestens um 20% geringere mittlere Leistungsdichten benötigt.
    • Beispiel 2
  • Die ledeburitische Nockenlauffläche eines schalenhartguß- bzw. randschichtumschmolzenen (WIG; Laser, Elektronenstrahl) Schlepphebels wird zwecks Ausbildung einer dünnen, jedoch nahezu dichten karbidischen Verschleißschicht mit dem Elektronenstrahl behandelt. Der E-Strahl mit 0,1 bis 0,5 mm Strahldurchmesser rastert die gesamte Nockenlauffläche auf bekannter Weise ein oder mehrmals ab. Bei mehrmaligen Abrastern der Oberfläche wird ebenfalls eine nahezu konstante, mittlere Temperatur der Oberfläche, die über den Liquidus nicht hinaussteigt, erhalten bleiben. Beispielsweise wird eine Ablenkungsfrequenz des E-Strahles von 100 bis 500 Hz in der Y-Achse und eine Vorschubgeschwindigkeit des Schlepphebels in X-Achse von 5 bis 60 mm/s angewandt, abhängig davon, ob eine Vorwärmung des Schlepphebels vorher stattgefunden hat oder nicht. Die im Beispiel benötigte Leistung der Elektronenstrahlkanone betrug 3 kW (60 V, 50 A).
  • Der Vorteil des Elektronenstrahls liegt in diesem Fall in der hohen Führungsgenauigkeit und Ablenkbarkeit sowie in der lokalen Wiederholbarkeit der Behandlung. Dadurch können ohne speziellen Aufwand je nach Bedarf auf einer Oberfläche Karbidschichten unterschiedlicher Dicke erzeugt werden (maßgeschneiderte Schichtdicken).
    • Beispiel 3
  • Zur Erzeugung einer dünnen Karbidschicht auf Stahloberflächen mit perlitisch bzw. perlitisch-ferritischem Gefüge werden Oberflächentemperaturen von 1250 bis 1450°C benötigt. Bei einem CO₂-Laser im CW-Betrieb (Kontinuierlicher Strahl) wird mit einer Laserleistungsdichte im Bereich 2 x 10⁴ bis 5 x 10⁵ W/cm² und im Pulsbetrieb mit einer mittleren Leistungsdichte die mindestens 20% geringer ist, gearbeitet.
  • Die Strahleinwirkungszeit ist vergleichbar mit der, die für ein ledeburitisches Gefüge benötigt wird (Beispiel 1). Zwar liegt hier die Liquidus-Solidus-Temperatur höher, jedoch ist auch die Diffusionsgeschwindigkeit entsprechend der Temperatur höher.
  • Charakteristisch für die Karbidschicht der vorliegenden Erfindung ist, daß diese auf vorhandenen verschleißfesten Ledeburit bzw. Perlit erzeugt wird, die Verschleißbeständigkeit verbessert wird und daß die Zementitausscheidungsdichte in den zwischenlamellaren Bereichen stets von der Oberfläche in Richtung Matrix abnimmt.
  • Durch die oben gemachten Beispiele und die dort genannten Parameterwerte werden die Unterschiede zu den in der US-PS 4 304 978 verwendeten Parameterwerten klar, d.h. es liegt nicht nur ein unterschiedliches Bestreben vor (wie eingangs genannt, befaßt sich die US-PS mit Umwandlungshärten, das durch Martensitbildung erreicht werden), sondern führen auch die in der US-PS 4 304 978 genannten Parameterwerte nicht zufällig zu der in der vorliegenden Anmeldung angestrebten Zementitvermengung.
  • Die in der US-PS 4 304 978 beschriebene Leistungsdichte von 1550 bis 2480 W/cm² steht dem Wert von 5000 bis 500 000 W/cm² nach der vorliegenden Erfindung gegenüber. Auch die in der US-PS genannten Belichtungszeiten von 0,017 bis 0,026 S sind mit den in der vorliegenden Anmeldung genannten Werten von 0,1 bis 10 s nicht vergleichbar.
  • Werden die Parameter des gepulsten Excimer-Lasers in Betracht gezogen, liegen bei der vorliegenden Erfindung wesentlich kürzere Belichtungszeiten von

    4 Pulse x 40ns = 160 ns = 0,00000016 s
    Figure imgb0001

    vor. Auch die mittlere Leistungsdichte, beispielsweise bei einem Nd:YAG-Laser liegt bei einem Strahlquerschnitt von 0,5 x 0,5 cm² und einer mittleren Leistung von 500 W in der Größenordnung von 20000 W/cm² und daher in einem gänzlich anderen Bereich als in der US-PS 4 304 978 angegeben.

Claims (25)

  1. Verfahren zum Aufhärten und ggf. Glätten von Maschinenbauteilen mittels eines eine Oberflächenaufwärmung des jeweiligen Bauteils bewirkenden Strahls wie z.B. eines Laserstrahls, eines Elektronenstrahls oder eines Lichtbogens, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Bauteil, welches entweder in Form eines Hartgußteils mit ledeburitischem Gefüge oder in Form eines Stahlteils mit perlitischem Gefüge vorliegt mit einer hohen Energiedichte behandelt wird, wobei die Oberflächenschicht bis in die Nähe der Schmelztemperatur kurzzeitig entweder kontinuierlich oder durch mehrmalige Pulse erwärmt wird, so daß in einer Randschicht eine Diffusion des Kohlenstoffs aus den Zementitlamellen des Ledeburits bzw. des Perlits in die weichen zwischenlamellaren Ferritbereiche stattfindet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltezeit auf der Temperatur in der Nähe der Schmelztemperatur so gewählt wird, daß es nicht zu einer vollständigen Auflösung vorhandener Phasenbestandteile bzw. zur Bildung eines homogenen Mischkristalls kommt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte sowie die Zeitdauer der lokalen Aufwärmung so gewählt wird, daß eine nahezu geschlossene Zementitoberfläche anstelle des Perlits im Stahl und Perlitbereiche im Hartguß entsteht.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte und Zeitdauer der Behandlung so gewählt sind, daß nach der lokalen Aufwärmung der Oberfläche durch die Umgebungstemperatur und die innerhalb des Bauteils herrschende Temperatur eine Selbstabschreckung der Oberflächenschicht eintritt, wobei eine Rückbildung in den ursprünglichen Phasenzustand nicht oder nur unvollständig erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte und Zeitdauer der Behandlung so gewählt wird, daß es bei perlitischen und ledeburitischen Gefügen an der Oberfläche bzw. in der oberflächennahen Schicht zu einem Vermengen der Zementitsubstanz auf Kosten des stöchiometrischen Gefügeaufbaus kommt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Behandlung das eine Gefügebestandteil lokal teigig wird bzw. schmilzt, während die anderen Gefügebestandteile im festen Zustand verbleiben.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Behandlung so kurz gewählt wird, daß in der Randschicht kein homogener, z.B. austenitischer Mischkristall ausgebildet werden kann, wobei stets genügend Zementitkeime in der Randschicht und im Substrat vorhanden sind, so daß beim Abschrecken abermals stets Zementit und nicht Restaustenit gebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit einer gepulsten Strahlenquelle hoher Energiedichte wie z.B. mit einem Excimerlaser erfolgt, um zusätzlich ein ausgeprägtes Abdampfen (Sublimation) und Schmelzen einer dünnen Oberflächenhaut zu verursachen.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Behandlung mit dem Strahl hoher Leistungsdichte das jeweilige Bauteil wenigstens an der zu behandelnden Oberfläche geschliffen oder schalenhart gegossen wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es an Nockenwellen oder Schlepphebeln durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte vorzugsweise im Bereich 5 x 10³ bis 5 x 10⁵ W/cm² liegt.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Behandlung einer Nockenwelle mit einer ledeburitischen Nockenoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit einem CO₂-Laser im CW-Betrieb (kontinuierlicher, nicht gepulster Laserstrahl) mit einem rechteckigen Strahlquerschnitt mit einer Größe im Bereich 3 mm x 5 mm bis 25 mm x 10 mm, vorzugsweise 2 mm x 10 mm bis 1 mm x 20 mm durchgeführt wird, wobei die Nockenwelle während der Behandlung gedreht wird, wobei die Verweilzeit (Belichtungszeit) an jeder Stelle der behandelten Oberfläche im Bereich zwischen 0,3 bis 10 Sek. liegt, um eine Karbidschichtdicke von 3 bis 10 µm zu erreichen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserleistung im Bereich von 4 bis 12 kW liegt.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur im Bereich des Liquidus-Solidus von 1150 bis 1250°C (teilweise teigiger Zustand der Oberflächenstruktur) gehalten und vorzugsweise mittels eines Temperaturmeßsystems überwacht wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 bzw. nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung anstatt im CW-Betrieb im Pulsbetrieb durchgeführt wird, wobei entweder ein CO₂-Laser oder ein Nd:YAG-Laser verwendet wird, wobei die mittlere Leistungsdichte um mindestens 20% niedriger liegt als beim CW-Betrieb.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 zur Behandlung einer ledeburitischen Nockenlauffläche eines schalenhartguß- bzw. randschichtumschmolzenen Schlepphebels mittels eines Elektronenstrahls, wobei der Elektronenstrahl einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,8 mm aufweist, der die gesamte Nockenlauffläche rasterförmig einmal oder mehrmals abtastet und eine nahezu konstante mittlere Temperatur der Oberfläche erzeugt, die nicht über den Liquidus hinaussteigt.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Behandlung einer ledeburitischen Nockenlauffläche eines schalenhartguß- bzw. eines randschichtumschmolzenen Schlepphebels mittels eines Elektronenstrahls, wobei der Elektronenstrahl einen nahezu rechteckigen Querschnitt aufweist, der die gesamte Nockenlaufflächenbreite bzw. Gleitlagerflächenbreite umfaßt und in Umfangsrichtung die Oberfläche kontinuierlich bzw. mehrfach schwenkend belichtet und so eine nahezu konstante mittlere Temperatur der Oberfläche erzeugt, die nicht über den Liquidus hinausgeht bzw. ihn nur in Teilbereichen örtlich begrenzt oder unwesentlich übersteigt.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlkanone eine Leistung von etwa 3 kW aufweist, beispielsweise 50 A bei 60 V.
  19. Verfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausrichtung des Elektronenstrahls in der Z-Achse der Strahl in einer hierzu im wesentlichen senkrechten Richtung, bspw. in Richtung der Y- oder X-Achse mit einer Ablenkungsfrequenz von 100 bis 500 Hz über die Breite oder Länge der Nockenlauffläche des Schlepphebels abgelenkt wird, wobei die Nockenlaufrichtung in der jeweils anderen X- oder Y-Achsrichtung oder schräg hierzu mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 5 bis 60 mm/sec vorgeschoben wird, je nachdem, ob eine Vorwärmung des Schlepphebels vorher stattgefunden hat.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von dünnen Karbidschichten auf Stahloberflächen mit perlitisch bzw. perlitisch-ferritischem Gefüge die Oberfläche zu einer Temperatur im Bereich von 1250° bis 1450°C erwärmt wird, welche bei einem Co₂-Laser im CW-Betrieb (kontinuierlicher Strahl) eine Laserleistungsdichte im Bereich von 5 x 10³ bis 5 x 10⁵ W/cm² und im Pulsbetrieb eine mittlere Leistungsdichte, die um etwa 20% geringer ist, erzeugt wird, wobei die Strahleinwirkungszeit, d.h. Verweilzeit jeder Stelle der behandelten Oberfläche 0,1 bis 10 s beträgt.
  21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zementitausscheidungsdichte in den zwischenlamellaren Bereichen kontinuierlich von der Oberfläche in Richtung Matrix abnimmt.
  22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit dem Strahl in einer Gasatmosphäre durchgeführt wird, bspw. in einer Gasatmosphäre, welche Stickstoff oder CO₂ enthält.
  23. Maschinenbauteil, das entweder in Form eines Hartgußteils mit ledeburitischem Gefüge oder in Form eines Stahlteils mit perlitischem Gefüge vorliegt, insbesondere nach einem der vorgehenden Verfahren behandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem Oberflächenbereich eine nahezu geschlossene Zementitoberfläche, anstelle des Perlits im Stahl und Perlitbereiche im Hartguß vorliegt und eine Oberflächenhärte oberhalb von 900 HV, vorzugsweise etwa 1100 HV aufweist, wobei die Zementitausscheidungsdichte in den zwischenlamellaren Bereichen von der Oberfläche in Richtung Matrix vorzugsweise kontinuierlich abnimmt.
  24. Maschinenbauteil nach Anspruch 23 in Form einer Nockenwelle.
  25. Maschinenbauteil nach Anspruch 23 in Form eines Schlepphebels.
EP93119338A 1992-12-10 1993-12-01 Verfahren zum Aufhärten und ggf. Glätten von Maschinenbauteilen sowie nach diesem Verfahren hergestellten Maschinenbauteilen Expired - Lifetime EP0601451B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4241527A DE4241527A1 (de) 1992-12-10 1992-12-10 Verfahren zum Aufhärten und ggf. Glätten von Maschinenbauteilen sowie nach diesem Verfahren hergestellten Maschinenbauteilen
DE4241527 1992-12-10

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0601451A1 true EP0601451A1 (de) 1994-06-15
EP0601451B1 EP0601451B1 (de) 2000-08-23

Family

ID=6474825

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP93119338A Expired - Lifetime EP0601451B1 (de) 1992-12-10 1993-12-01 Verfahren zum Aufhärten und ggf. Glätten von Maschinenbauteilen sowie nach diesem Verfahren hergestellten Maschinenbauteilen

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP0601451B1 (de)
DE (2) DE4241527A1 (de)
ES (1) ES2151496T3 (de)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0789084A1 (de) * 1996-02-06 1997-08-13 Aisin Aw Co., Ltd. Verfahren zum Endbearbeiten eines metallischen Gegenständes und hergestellter Gegenstand
GB2316097A (en) * 1996-08-13 1998-02-18 Tochigi Fuji Sangyo Kk Hardened structural steel containing cementite
WO1998011262A1 (de) * 1996-09-13 1998-03-19 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verschleissbeständige nockenwelle und verfahren zu ihrer herstellung
WO2000063890A1 (en) * 1999-04-16 2000-10-26 International Business Machines Corporation Load/unload lift tab for disk drive
WO2004003239A1 (de) * 2002-06-27 2004-01-08 Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum glätten und polieren von oberflächen durch bearbeitung mit energetischer strahlung
DE102007059299A1 (de) 2007-05-16 2008-11-20 Entex Rust & Mitschke Gmbh Vorrichtung zur Verarbeitung von zu entgasenden Produkten
DE102009009775A1 (de) 2008-02-22 2010-01-28 Entex Rust & Mitschke Gmbh Planetenspindel
DE102009013839A1 (de) 2009-02-20 2010-09-23 Entex Rust & Mitschke Gmbh Planetenspindeln
EP2335898A2 (de) 2009-12-20 2011-06-22 Entex Rust & Mitschke GmbH Planetwalzenextruder und Verfahren zu seiner Herstellung
CN104736290A (zh) * 2012-08-24 2015-06-24 山特维克材料科技山特维克表面解决方案部德国有限公司 用于在压模上制造光泽效应的方法
US11414718B2 (en) * 2017-06-01 2022-08-16 Andritz Ag Method for the surface treatment of a steel Yankee

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19959608B4 (de) * 1999-12-10 2008-07-03 Volkswagen Ag Vorrichtung zur Laserbehandlung von zylindrischen Innenflächen, vorzugsweise von Zylinderlaufflächen für Verbrennungsmotoren
DE10257165B4 (de) * 2002-12-02 2004-09-23 Cis Solartechnik Gmbh Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen mit einer CuInSe2-Schicht auf einem metallischen, bandförmigen Substrat
DE102018108145A1 (de) 2018-04-06 2019-10-10 Volkswagen Ag Verfahren zur Bearbeitung von Oberflächen von mittels 3D-Druck gefertigten Bauteilen sowie ein solches bearbeitetes Bauteil

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4093842A (en) * 1976-01-19 1978-06-06 General Motors Corporation Ported engine cylinder with selectively hardened bore
DE2940127A1 (de) * 1978-10-05 1980-04-17 Coherent Inc Verfahren und vorrichtung zur waermebehandlung
DE3343783C1 (de) * 1983-12-03 1984-07-05 M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg AG, 8900 Augsburg Verfahren zur Herstellung verschleissfester Zylinderlaufflaechen von Brennkraftmaschinen
DE3418555C1 (de) * 1984-05-18 1985-07-25 Audi AG, 8070 Ingolstadt Verfahren zum Umschmelzhaerten der Oberflaeche von Zylindern aus kohlenstoffhaltigem Gusseisen
DE3545128A1 (de) * 1985-01-04 1986-07-10 Rolls-Royce Ltd., London Verfahren zur haertung einer metalloberflaeche
DE3635751A1 (de) * 1985-10-21 1987-04-23 Honda Motor Co Ltd Abriebfestes gleitelement
US4686349A (en) * 1984-06-22 1987-08-11 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Apparatus for improving surface quality of rotary machine parts
DD204106B1 (de) * 1982-03-31 1988-02-03 Adw Ddr Verfahren zur oberflaechenhaertung von eisen-kohlenstoff-legierungen
DE3932328A1 (de) * 1989-09-28 1991-04-11 Opel Adam Ag Verfahren zur bearbeitung von durch reibung hochbeanspruchten flaechen in brennkraftmaschinen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
DE3626799C2 (de) * 1985-08-08 1992-01-09 Toyota Jidosha K.K., Toyota, Aichi, Jp
WO1992018653A1 (de) * 1991-04-12 1992-10-29 Mli Lasers Verfahren zum laserumschmelzen metallischer oberflächen

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4093842A (en) * 1976-01-19 1978-06-06 General Motors Corporation Ported engine cylinder with selectively hardened bore
DE2940127A1 (de) * 1978-10-05 1980-04-17 Coherent Inc Verfahren und vorrichtung zur waermebehandlung
US4304978A (en) * 1978-10-05 1981-12-08 Coherent, Inc. Heat treating using a laser
DD204106B1 (de) * 1982-03-31 1988-02-03 Adw Ddr Verfahren zur oberflaechenhaertung von eisen-kohlenstoff-legierungen
DE3343783C1 (de) * 1983-12-03 1984-07-05 M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg AG, 8900 Augsburg Verfahren zur Herstellung verschleissfester Zylinderlaufflaechen von Brennkraftmaschinen
DE3418555C1 (de) * 1984-05-18 1985-07-25 Audi AG, 8070 Ingolstadt Verfahren zum Umschmelzhaerten der Oberflaeche von Zylindern aus kohlenstoffhaltigem Gusseisen
US4686349A (en) * 1984-06-22 1987-08-11 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Apparatus for improving surface quality of rotary machine parts
DE3545128A1 (de) * 1985-01-04 1986-07-10 Rolls-Royce Ltd., London Verfahren zur haertung einer metalloberflaeche
DE3626799C2 (de) * 1985-08-08 1992-01-09 Toyota Jidosha K.K., Toyota, Aichi, Jp
DE3635751A1 (de) * 1985-10-21 1987-04-23 Honda Motor Co Ltd Abriebfestes gleitelement
DE3932328A1 (de) * 1989-09-28 1991-04-11 Opel Adam Ag Verfahren zur bearbeitung von durch reibung hochbeanspruchten flaechen in brennkraftmaschinen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
WO1992018653A1 (de) * 1991-04-12 1992-10-29 Mli Lasers Verfahren zum laserumschmelzen metallischer oberflächen

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
G. M. LONCHIN ET AL.: "Effect of Electron Irradiation .........", METAL SCIENCE AND HEAT TREATMENT, vol. 20, no. 7/8, 1978, NEW YORK US, pages 544 - 546 *

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0789084A1 (de) * 1996-02-06 1997-08-13 Aisin Aw Co., Ltd. Verfahren zum Endbearbeiten eines metallischen Gegenständes und hergestellter Gegenstand
GB2316097A (en) * 1996-08-13 1998-02-18 Tochigi Fuji Sangyo Kk Hardened structural steel containing cementite
GB2316097B (en) * 1996-08-13 1999-06-23 Tochigi Fuji Sangyo Kk Structural steel and structural steel member used under high surface pressure
WO1998011262A1 (de) * 1996-09-13 1998-03-19 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verschleissbeständige nockenwelle und verfahren zu ihrer herstellung
US6398881B1 (en) 1996-09-13 2002-06-04 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Wear-resistant camshaft and method of producing the same
WO2000063890A1 (en) * 1999-04-16 2000-10-26 International Business Machines Corporation Load/unload lift tab for disk drive
WO2004003239A1 (de) * 2002-06-27 2004-01-08 Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum glätten und polieren von oberflächen durch bearbeitung mit energetischer strahlung
US7592563B2 (en) 2002-06-27 2009-09-22 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Method for smoothing and polishing surfaces by treating them with energetic radiation
DE102007059299A1 (de) 2007-05-16 2008-11-20 Entex Rust & Mitschke Gmbh Vorrichtung zur Verarbeitung von zu entgasenden Produkten
DE102009009775A1 (de) 2008-02-22 2010-01-28 Entex Rust & Mitschke Gmbh Planetenspindel
DE102009013839A1 (de) 2009-02-20 2010-09-23 Entex Rust & Mitschke Gmbh Planetenspindeln
EP2335898A2 (de) 2009-12-20 2011-06-22 Entex Rust & Mitschke GmbH Planetwalzenextruder und Verfahren zu seiner Herstellung
CN104736290A (zh) * 2012-08-24 2015-06-24 山特维克材料科技山特维克表面解决方案部德国有限公司 用于在压模上制造光泽效应的方法
US11414718B2 (en) * 2017-06-01 2022-08-16 Andritz Ag Method for the surface treatment of a steel Yankee

Also Published As

Publication number Publication date
DE59310090D1 (de) 2000-09-28
EP0601451B1 (de) 2000-08-23
DE4241527A1 (de) 1994-06-16
ES2151496T3 (es) 2001-01-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0601451B1 (de) Verfahren zum Aufhärten und ggf. Glätten von Maschinenbauteilen sowie nach diesem Verfahren hergestellten Maschinenbauteilen
EP0419999B1 (de) Verfahren zur Bearbeitung von durch Reibung hochbeanspruchten Flächen in Brennkraftmaschinen
EP1041173B1 (de) Leichtmetallzylinderblock, Verfahren zu seiner Herstellung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
EP1769099A1 (de) Verfahren zur herstellung von verschleissbeständigen und ermüdungsresistenten randschichten in titan-legierungen und damit hergestellte bauteile
DE2940127A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur waermebehandlung
DE2458856C2 (de) Verfahren zum Oberflächenlegieren von Metall wie Stahl oder Gußeisen
EP2160267B1 (de) Schmelzbehandelter muldenrand einer kolben-brennraummulde
EP0925377B1 (de) Verschleissbeständige nockenwelle und verfahren zu ihrer herstellung
DE2651946A1 (de) Verfahren zum aufbringen eines abriebbestaendigen zusammengesetzten ueberzugs auf einen gegenstand
DE3635751A1 (de) Abriebfestes gleitelement
WO2006013055A1 (de) Verfahren zur wärmebehandlung von werkstücken aus stahl
DE19611929C1 (de) Schichtverbundwerkstoff und Verfahren zur Verbesserung der Oberflächenhärte von Schichtverbundwerkstoffen
DE2263174A1 (de) Verfahren zur ausbildung einer gehaerteten schicht auf einem kohlenstoffenthaltendem gusstueck auf eisen-basis
EP0511274B1 (de) Vorrichtung zur oberflächenbehandlung von werkstücken mittels lichtstrahlen
DE102004037074B3 (de) Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl
Fouquet et al. Laser surface melting of a pearlitic grey cast iron
EP0161408B1 (de) Verfahren zum Umschmelzhärten der Oberflächen von Zylindern aus kohlenstoffhaltigem Gusseisen
DE10306063A1 (de) Verfahren zum Bearbeiten von Panzerstahl
GB2160227A (en) Heat treatment process
DE836358C (de) Oberflaechenhaerteverfahren
EP0604836B1 (de) Verfahren zur Erzeugung von verschleissbeständigen Randschichten auf Stahlbauteilen sowie Stahlbauteile mit verschleissbeständigen Randschichten
DE10163970A1 (de) Verschleißarme Werkstückfläche und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE3442130A1 (de) Verfahren zur randschichthaertung in die bainitstufe von gussstuecken aus duktilen eisen-kohlenstoff-gusswerkstoffen
DD140761A1 (de) Verfahren zum lokalen schutz von eisen-und stahlteilen bei waermebehandlungen
DE102021213888A1 (de) Verfahren und Einrichtung zum örtlich begrenzten Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche eines Bauteils

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): DE ES FR GB SE

17P Request for examination filed

Effective date: 19940709

17Q First examination report despatched

Effective date: 19970616

GRAG Despatch of communication of intention to grant

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS AGRA

GRAG Despatch of communication of intention to grant

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS AGRA

GRAG Despatch of communication of intention to grant

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS AGRA

GRAH Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS IGRA

17Q First examination report despatched

Effective date: 19970616

GRAG Despatch of communication of intention to grant

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS AGRA

GRAH Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS IGRA

GRAH Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS IGRA

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): DE ES FR GB SE

ET Fr: translation filed
REF Corresponds to:

Ref document number: 59310090

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20000928

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GB

Payment date: 20001002

Year of fee payment: 8

GBT Gb: translation of ep patent filed (gb section 77(6)(a)/1977)

Effective date: 20000925

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: ES

Payment date: 20001127

Year of fee payment: 8

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: SE

Payment date: 20001204

Year of fee payment: 8

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Payment date: 20001206

Year of fee payment: 8

REG Reference to a national code

Ref country code: ES

Ref legal event code: FG2A

Ref document number: 2151496

Country of ref document: ES

Kind code of ref document: T3

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Payment date: 20010222

Year of fee payment: 8

PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

26N No opposition filed
PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GB

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20011201

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: SE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20011202

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: IF02

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20020702

GBPC Gb: european patent ceased through non-payment of renewal fee

Effective date: 20011201

EUG Se: european patent has lapsed

Ref document number: 93119338.7

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20020830

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: ST

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: ES

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20021202

REG Reference to a national code

Ref country code: ES

Ref legal event code: FD2A

Effective date: 20030113