EP0617134B1 - Verfahren zum Umschmelzen von Oberflächenbereichen von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschmelzen von Oberflächenbereichen von Werkstücken aus Eisenwerkstoffen, insbesondere Gußeisen mit lamellaren, kugeligen oder anderen Graphitausscheidungen, deren Oberfläche eine beliebige Form und Geometrie aufeist. Durch den Umschmelzprozeß mittels Energiestrahl, vorzugsweise Elektronenstrahl, werden die Oberflächeneigenschaften wie Verschleißfestigkeit verbessert. Eine bevorzugte Anvendung ist das Härten der Laufflächen von Nockenwellen.

Es sind verschiedene Verfahren der Umschmelzbehandlung bekannt, bei welchen als Energiequelle ein Plasmastrahl, Laserstrahl oder Elektronenstrahl verwendet wird (DE 36 26 799 A1). Die Oberflächen sind besonders bei Nockenwellen geometrisch kompliziert ausgebildet, d. h. sie sind lokal unterschiedlich gekrümmt und geneigt; sie setzen sich mitunter aus gerundeten und abgeschrägten Kanten zusammen. Beispiele für derartige Ausbildungen der Oberfläche sind Nockenwellen, Schlepp- oder Kipphebel, Kurvenscheiben, Kulissen usw.

Es ist auch bekannt, einen zweidimensional hochfrequent abgelenkten Elektronenstrahl entsprechend programmiert auf der Oberfläche zur Einwirkung zu bringen. DD-A-130 115 beschreibt z.B. das Umschmelzen von Oberflächenbereichen, insbesondere von Aluminium-Gußwerkstoffen, mittels eines zweidimensional abgelenklen Elektronenstrahls unter Bildung einer Zeilförmigen Schmelzzone mit darin angeordneter Dampfkapillare, wobei die Umschmelzzone tiefer als breit ist. Es kann auch der Prozeß in zwei Phasen unterteilt werden; einer Festphase und einer nachgeordneten Schmelzphase (DD 270 090). Dieses Verfahren gewährleistet aber nicht, selbst bei hohem apparativen Aufwand, eine porenfreie, gleichmäßige und gezielt einstellbare Härtetiefe bei Eisenwerkstoffen.

Es ist weiterhin bekannt, die gesamte zu behandelnde Oberfläche entsprechend ihrer Geometrie in Einzelbereiche mit annähernd gleicher Geometrie aufzuteilen. An die Einzelbereiche wird jeweils die Bahngeschwindigkeit des Elektronenstrahls und/oder die vom Elektronenstrahl auf das Werkstück übertragene Flächenenergie in Abhängigkeit vom Auftreffwinkel des Elektronenstrahls und der zu erstellenden Umschmelztiefe angepaßt (DE 41 30 462 A3). Diese Lösung hat den Nachteil, daß ebenfalls Qualitätsmängel durch häufig auftretende Poren nicht verhindert werden. Es treten neben den qualitativen Mängeln auch wirtschaftliche Nachteile ein.

Auch alle Versuche mit den in oben genannten Verfahren ergänzenden Verfahrensschritten, wie Vorwärmen der zu schmelzenden Werkstückbereiche, geschwindigkeitsgeregelter Energiezufuhr, Mehrfachüberlappen von Einzelschmelzbahnen, oszillierende Zusatzbewegung der Energiequelle. Energiedosierung durch hochfrequentes Ablenken der Energiestrahlen und die Verwendung von Zusatzwerkstoffen schließen die Porenbildung nicht aus. Damit sind auch die mechanischen Eigenschaften der Werkstücke nach wie vor negativ beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Umschmelzen von Oberflächenbereichen von Werkstücken, insbesondere aus Gußeisen mit lamellaren, kugeligen oder anderen Graphitausscheidungen, mit beliebig ausgebildeter Oberfläche zu schaffen. Mit einem Energiestrahl, vorzugsweise Elektronenstrahl, soll die Oberfläche partiell durch Erzeugen von Schmelzbahnen in ihren Eigenschaften definiert verändert werden. Oberflächendeformationen größer 0,4 mm sollen nicht auftreten. Die Oberfläche muß porenfrei sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Erzeugung von Schmelzzonen auf der Oberfläche des Werkstückes, besonders von Gußeisen mit hohem Kohlenstoffgehalt, verhindert die Bildung von gaseinschließenden Poren aufgrund der die Schmelze "öffnenden" Wirkung der Metalldampfkapillaren in der Längsachse des in die Oberfläche des Werkstückes eindringenden Energiestrahles. Zur Sicherung der öffnenden Wirkung der Metalldampfkapillaren hat sich gezeigt, daß sich bei einer Temperaturführung auf die Randbereiche der erzeugten Schmelzbahn die Kapillaren dauerhaft stabilisieren lassen.

Die Energieübertragungsparameter werden werkstoffbezogen in Verbindung mit der Vorwärmtemperatur und/oder der Vorschubgeschwindigkeit so gewählt, daß im Einwirkbereich bevorzugt des Elektronenstrahls unter Ausbildung einer Dampfkapillare eine Umschmelzzone mit einem Tiefen(h)-Kopfbreiten(b)-Verhältnis von mindestens h:b = 1:1 mit ds < b ≤ 2,5 mm entsteht.

In der Umgebung der Umschmelzzone, insbesondere an der Oberfläche bis zu einem bestimmten Absand a zu ihr, in der Größe von 0 < a ≤ b/2 vom Rand der Umschmelzzone wird dadurch ein kritischer Wert der Temperatur nicht überschritten. Diese kritische Temperatur ist durch die Schmelztemperatur der am niedrigsten schmelzenden Bestandteile des Werkstoffes bestimmt. (Es bedeuten a die Breite des nicht umgeschmolzenen Randbereiches zu beiden Seiten der Schmelzbahn und d_s der Durchmesser des gesamten Energiestrahles.)

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich entsprehend den in den Unteransprüchen beschriebenen Ausgestaltungen die Möglichkeit, durch Einflußnahme auf die Rahmenbedingungen des Werkstoffes größere Schmelzgeschwindigkeit und damit eine größere Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bei gleicher Porenfreiheit zu erreichen. Durch Mikroschliffe quer und längst zur Schmelzbahn konnte die Porenfreiheit nachgewiesen werden.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläuter. In der zugehörigen Zeichnung zeigt.

Fig. 1:

einen Schnitt durch eine in einem Werkstück eingebrachte Schmelzbahn.

In Fig. 1 ist auf der Oberfläche eines Werkstückes 1 aus Grauguß mit lamellarem Graphit ein bestimmter Bereich umzuschmelzen, ohne daß Poren entstehen. Ehe der erfindungsgemäße Prozeß durchgeführt wird, wird das Werkstück 1 in üblicher Weise auf eine Temperatur von ca. 450°C erwärmt.

Anschließend wird das Werkstück 1 im Vakuum von einem abgelenkten Elektronenstrahl 2 mit einem Gesamtdurchmesser d_s = 0,5 mm beaufschlagt und dabei mit einer Vorschubgeschwindigkeit V von 17 mm/s bewegt. Die Energiedichte ED des Elektronenstrahls 2 wird auf 45 Ws/mm² und die Leistungsflußdichte P mit 2 x 10³ W/mm² eingestellt. Dadurch wird eine keilförmige Schmelzbahn 3 erzeugt, in deren Mitte sich die Dampfkapillare 4 bildet. Die Schmelzbahn 3 hat eine Tiefe (h) von 2 mm und eine Kopfbreite b von 1,5 mm, das heißt, das Tiefen-Kopfbreiten-Verhältnis beträgt 1,3:1.

Zu beiden Seiten der Schmelzbahn 3 bildet sich eine erwärmte Zone, in der eine Temperatur von ca. 1080°C herrscht, mit einer Breite von ca. 0,5 mm aus.

Nach der ledeburitischen Erstarrung und der nachfolgenden Fertigbearbeitung des Werkstückes 1 bzw. dessen Oberfläche konnte festgestellt werden, daß das Volumen der Schmelzbahn 3 in der gesamten Tiefe b des ursprünglichen Schmelzvolumens porenfrei ist.

Ist aufgrund der Größe der zu behandelnden Oberfläche des Werkstückes 1 die Breite b einer Schmelzbahn 3 nicht ausreichend, so werden mehrere Schmelzbahnen nebeneinander eingebracht. Dabei ist der Abstand dieser voneinander so zu wählen, daß wiederum ein Abstand a als erwärmte Zone zwischen beiden Schmelzbahnen bestehen bleibt.

Bei den verwendeten Werkstoffen wurde darauf geachtet, daß zur Erzielung größerer Umschmelzgeschindigkeit bei der angestrebten Porenfreiheit Graphitausscheidungen von < 100 µm bei lamellarem Grauguß bzw. < 40 µm Kugeldurchmesser bei sphärolithischem Gußeisen verwendet wurde.

Claims (8)

1. Verfahren zum Umschmelzen von Oberflächenbereichen von Werkstücken aus Eisenwerkstoffen, insbesondere Gußeisen, indem Schmelzzonen in definierter Breite b, vorzugsweise 2,5 mm mit einem zweidimensional abgelenkten Energiestrahl, vorzugsweise Elektronenstrahl, dessen Strahldurchmesser kleiner als die Breite b der Schmelzzone ist, erzeugt wird, wobei eine keilförmige Schmelzzone, die eine durch die Einwirkung des Elektronenstrahls sich bildende Dampfkapillare umgibt, erzeugt wird, wobei die Parameter des Energiestrahls und die Vorschubgeschwindigkeit derart gewählt werden, daß ein kritischer Wert der Temperatur in der in der Umgebung der erzeugten Schmelzzone entstehenden schmalen thermisch beeinflußten Zone, der durch die Schmelztemperatur der am niedrigsten schmelzenden Gefügebestandteile bestimmt ist, insbesondere der Oberflächentemperatur, in einem Abstand a vom Rand der erzeugten Schmelzbahn von 0 < a ≤ b/2 nicht überschritten wird, und daß dabei die Energiedichte (ED) 35 bis 200 Ws/mm² des Energiestrahls, die Umschmelzvorschubgeschwindigkeit (V) > 10 mm/s und das Tiefen-Breiten-Verhältnis (h:b) der Schmelzzone ≥ 1:1 gewählt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzbahn mitten in die Werkstückoberfläche in den Bereich, dessen spezielle Eigenschaften verändert werden sollen, eingebracht wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzbahn über der Werkstückoberfläche mit ihrem Anfang und Ende sich überlappend eingebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzbahn in ihrem Verlauf auf der Oberläche des Werkstückes mäander- oder wellenförmig verlaufend eingebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Schmelzbahn erzeugende Energiestrahl in einem Winkel α bis 45° zur Werkstückoberfläche zur Einwirkung gebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Werkstückes mehrere Schmelzbahnen nebeneinander eingebracht werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück vor dem Erzeugen der Schmelzbahn auf eine Temperatur von > 400°C erwärmt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erschmelzung von Grauguß mit lamellarem Graphit ein Werkstoff mit einer maximalen Größe der Graphitausscheidungen von 100 µm und von Gußeisen mit Kugelgraphit ein Werkstoff mit maximalem Kugeldurchmesser von 40 µm verwendet wird.

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