HU220658B1 - Eljárás felületek átolvasztására töltéshordozó sugarakkal - Google Patents

Abstract

Az eljárás során a töltéshordozó sugárral, elsősorban elektronsugárral(ES), amelyet két dimenzióban nagyfrekvenciásan eltérítenek, akezelendő felületen egymás melletti sávokat (S) olvasztanak meg, amelysávok (S) alakját a kezelendő felületrész geometriájához igazítják. Akezelendő felületen a töltéshordozó sugárral már megolvasztott sávok(S) hőmérsékletét a mellettük levő sáv (S) megolvasztásáig egykritikus hőmérséklet felett tartják. Az eljárás munkadarabok,elsősorban vezérműtengelyek csúszófelületeinek edzésére alkalmazható. ŕ

Description

A találmány tárgya eljárás munkadarabok felületének vagy felületrészeinek átolvasztására töltéshordozó sugarakkal, elsősorban elektronsugarakkal, a besugárzott felület edzése céljából. Ezt a módszert csúszópályák, például gépjárműmotorok vezérműtengelyén a bütykök csúszófelületének edzésére, kemény, kopásálló felület kialakítására alkalmazzák, és ezzel növelik az így kezelt alkatrészek élettartamát.

Mivel az elektronsugár egyszerre csak a beesési helyen olvasztja meg a munkadarab felületét, az egész kezelendő felület átolvasztásához az elektronsugarat végig kell vezetni a felületen, azaz a munkadarabot és az elektronsugarat egymáshoz képest mozgatni kell. Ez megvalósítható álló munkadarab felületén mozgatott elektronsugárral, álló elektronsugár előtt mozgatott - például tengelyek esetén forgatott - munkadarabbal, vagy a munkadarab és az elektronsugár egyidejű mozgatásával.

A görbült felületek átolvasztásos edzésére szolgáló egyik ismert eljárásnál egy két dimenzióban, nagyfrekvenciásán eltérített elektronsugarat nagyfrekvenciás, periodikus váltakozásban úgy irányítanak a kezelt felületre, hogy a felület elöl levő része szilárd fázisban marad, az azt követő rész pedig megolvad. A munkadarab és az elektronsugár relatív sebességét és az elektronsugárral felületegységenként átvitt energiát a szükséges átolvasztási mélységnek megfelelően állítják be (DE 41 30 462 Cl).

A bütykös felületű vezérműtengelyeket és hasonló munkadarabokat a felületkezelés folyamán saját tengelyük körül forgatják az elektronsugár-forrás előtt. A hengerestől eltérő felület miatt egy-egy körülfordulás folyamán az elektronsugár-forrás és a munkadarab felülete közötti távolság állandóan változik; ezért gondoskodni kell a felületegységre eső energia állandóságáról. Ennek egyik lehetséges módja az, hogy a felületet a felületi geometriának megfelelően felosztják, és ehhez igazítják a forgási sebességet (DE 42 25 002 C2).

Egy további ismert eljárásnál az elektronsugárral előállított energiamező és a kezelendő felület között állandó sebességű relatív mozgást állítanak be. Az energiaátviteli mező eltérítését úgy változtatják, hogy az elektronsugár a görbült felület minden pontját az adott pont érintőjére merőlegesen éri. Az energiaátviteli mezőt úgy vezetik, hogy a munkadarab mozgásirányára keresztben elhelyezkedő pálya mentén az elöl levő oldalon nagyobb az energiabevitel, mint az átellenes oldalon (PA 198 11 216.5-24).

Az ismert eljárásoknak lényegében az a hátrányuk, hogy görbült felületek átolvasztásos edzésénél az előírt állandó átolvasztási mélységet csak bonyolult berendezéssel és/vagy vezérléstechnikával lehet biztosítani.

A felületi réteg töltéshordozó sugárral, előnyösen elektronsugárral végzett átolvasztásakor az öntöttvasból készült munkadarab egy részén - a bütykök csúszófelületén - ledeburitréteg keletkezik, amely nagyon kemény és kopásálló. Az átolvasztott réteg minőségét a ledeburit tisztasága határozza meg, azaz az, hogy mennyi grafit van még ebben a rétegben. Bizonyos körülmények között úgynevezett szekunder grafit keletkezik, amely csökkenti az öntöttvas, pontosabban a kialakított védőréteg kopásállóságát. A gyakorlatban ez abban nyilvánul meg, hogy nagy terhelés, azaz nagy nyomás esetén kipattogzás, gödrösödés lép fel. A gödröcskék a kifáradásos kopás jellemző tünetei, és kedvezőtlen esetben használhatatlanná tehetik az alkatrészt. A kemény ledeburitrétegben tehát a szekunder grafit potenciális hibahelyet jelent.

Ismeretes továbbá a WIG-átolvasztással történő felületkeményítés. Ennek során a WIG-égót meander alakban mozgatják a felület felett. Az így végzett ciklikus kezelésnek - az égő korlátozott sebességű vezetése miatt - az a hátránya, hogy a felület állandóan felmelegszik és lehűl. A meanderező vonal mentén megolvasztott felületsáv még az előtt lehűl, hogy a mellette következő sáv megolvadna. Ezáltal a már lehűlt sáv ismét felmelegszik abba a kritikus hőmérsékleti tartományba, amelyben a grafit kiválik.

Az öntöttvas általában 2%-nál több, jellemzően 2-4% szenet tartalmaz. Az átolvasztás után a hőmérséklet csökkenésekor a munkadarab dermedése a kémiai összetételtől és a hűtés körülményeitől függően lehet „szürke” vagy „fehér”. A „szürke” dermedésnél grafit válik ki, és ezért a törési felület szürke. A „fehér” dermedésnél metastabilis átalakulás megy végbe a ledeburitképződés irányában, aminek következtében a törési felület ezüstösen csillogó lesz.

Megállapítható, hogy az öntöttvas átalakulása és a szekunder grafit kiválása ismételt felmelegítéskor és lehűtéskor bizonyos kritikus hőmérséklet-tartományokban lép fel, különösen erősen akkor, ha alacsony a hűtési sebesség, és az öntöttvas kémiai összetétele kedvez a normál grafitkiválásnak. Ez azt jelenti, hogy a szekunder grafit elsősorban azoknál az ismételt átolvasztásoknál vagy ciklikus kezeléseknél válik ki, amelyeknél a hőntartás hőmérséklete egy kritikus tartományba esik, ahogy a bevezetőben említett ismert eljárásoknál történik.

Az ismert eljárások hátrányait az 1. és 2. ábra szerinti diagramok, és a 3a. és 3b. ábrán látható metszetek alapján ismertetjük.

Az alkalmazott jelölések a következők:

T (°C) hőmérséklet az eljárás folyamán t (s) idő

A hevítés

H hőntartás

T_s (°C) olvadási hőmérséklet

T_ko; T_ku (°C) felső/alsó kritikus hőmérséklet t_k; V (^s) tartózkodási idő

I hűtési görbe teljes ledeburitképződéskor

II hűtési görbe grafitképződéskor

III hűtési görbe többszörös hevítésnél

ES; ES’ elektronsugár

S; S’ olvasztási sáv

Az ES elektronsugár végigvezetésének első ciklusában (3a. ábra) egymás mellett olvadnak meg az S sávok. Lassú lehűtésnél a hőmérséklet a II görbe (1. ábra) szerint alakul, azaz a felső és alsó T_ko és T_ku kritikus hőmérsékletek közötti tartományban lassan csökken, tehát túlságosan hosszú a t_k tartózkodási idő a kritikus tar2

HU 220 658 BI tományban. A találmánnyal az I görbe szerinti lefutást kívánjuk megvalósítani, amelynél rövid a t_k’ tartózkodási idő.

Mivel a felület egyenletes mélységű megolvasztásához egy második menetben az ES’ elektronsugárral további S’ sávokat kell megolvasztani az első menetben megolvasztott S sávok között (3b. ábra), az egyszer már megolvasztott anyag a lehűlés után ismét felmelegszik a kritikus tartományba. Ez hátrányos, mivel a kritikus tartományban végbemenő újabb felmelegedés és lehűlés következtében grafit válik ki. Az először megolvasztott S sávok környezetében a hőmérséklet a III görbe szerint alakul (2. ábra).

Célunk a találmánnyal olyan eljárás létrehozása felületek átolvasztására töltéshordozó sugarakkal, elsősorban elektronsugarakkal, munkadarabok felületének vagy felületrészeinek, főként bütykös tengelyek csúszófelületeinek edzésére, amellyel megakadályozható, hogy a ledeburitrétegben szekunder grafit váljon ki. Ezáltal lényegesen javítható az átolvasztott réteg minősége, elsősorban kopásállósága. Az eljárást úgy alakítjuk ki, hogy lényegesebb változtatások nélkül az ismert elektronsugaras berendezésekkel végrehajtható legyen.

Mint már említettük, az ismert eljárásokkal azért nem biztosítható az átolvasztott réteg kívánt minősége, azaz kopásállósága, mert a ledeburitréteg mindig tartalmaz grafitot, mégpedig úgynevezett szekunder grafitot, amely nagymértékben befolyásolja a kopásállóságot. Arra a meglepő felismerésre jutottunk, hogy ez a szekunder grafit úgy keletkezik, hogy a sávok egymás utáni megolvasztásakor a korábban megolvasztott sáv a kritikus hőmérsékleti tartományba hűl le, majd a következő sáv megolvasztásakor ismét felmelegszik. Eközben képződik a zavaró grafit.

A kritikus tartományt határoló T_ko, T_ku kritikus hőmérsékletek, valamint a T_s olvadási hőmérséklet anyagfüggő, és az eljárás végrehajtása előtt számítható vagy kísérletekkel meghatározható.

A találmány lényege az, hogy a kezelendő felületen a töltéshordozó sugárral már megolvasztott sávok hőmérsékletét a mellettük levő sáv megolvasztásáig a kritikus hőmérséklet felett tartjuk. Ez megvalósítható az összes sáv egyidejű megolvasztásával, vagy több egymás melletti sáv folyamatos megolvasztásával, miközben a munkadarab és a töltéshordozó sugár relatív sebességét az energiabeviteltől függően úgy választjuk meg, hogy a már megolvasztott sáv a következő sáv megolvasztásáig ne hűljön le a kritikus tartományba, és ezért ne váljon ki szekunder grafit az ebből a tartományból történő felmelegedéskor, és az ezt követő lehűléskor, azaz a kritikus tartományban ne legyen ciklikus lehűlés és felmelegedés. Az is lehetséges, hogy az olvadt sávokat több menetben egymás mellett állítjuk elő, csak eközben az egyes menetek sebességét, amelyekben legalább egy sávot olvasztunk meg, úgy választjuk meg, hogy az egyik menetben megolvasztott sáv vagy sávok a szomszédos sáv megolvadásáig legfeljebb csak a grafitkiválás szempontjából kritikus tartományt felülről határoló kritikus hőmérsékletig hűlhessenek le.

A találmány szerinti eljárás egy másik előnyös változatánál görbült felületeken, például bütykök csúszófelületein, a sávokat nem a munkadarab forgástengelyére merőlegesen olvasztjuk meg egy vagy több menetben, hanem meander alakban. Ebben az esetben a meandert alkotó hurkok a forgástengely irányában helyezkednek el. A korábban előállított hurok itt sem hűlhet le a kritikus tartományba a következő hurok megolvasztásáig. Ezért a sáv olvasztásának sebességét úgy választjuk meg, hogy egy már előállított hurok hőmérséklete a szomszédos hurok előállításáig a kritikus tartomány felett maradjon.

Az eljárás úgy is végrehajtható, hogy egyidejűleg több egymás melletti sávot meander alakban olvasztunk meg, és a meander egy menetben előállított hurkainak hőmérsékletét a következő hurkok előállításáig a kritikus tartomány felett tartjuk.

A találmányt a továbbiakban kiviteli példák és rajzok alapján részletesen ismertetjük. A rajzokon az

1. ábra: a hőmérséklet alakulása különböző lehűtési sebességek mellett, a

2. ábra: a hőmérséklet alakulása több olvasztási ciklus esetén, a

3a. ábra: az olvadt sávok metszete egy olvasztási ciklus esetén, a

3b. ábra: az olvadt sávok metszete több olvasztási ciklus esetén, a

4. ábra: az olvadt sávok metszete egy közel egyidejű olvasztási ciklus esetén, az

5. ábra: a hőmérséklet alakulása az összes olvadt sáv egyidejű kialakításakor, a

6. ábra: egy bütyök csúszófelületének részlete felülnézetben, és a

7. ábra: a hőmérséklet alakulása meander alakú olvadt sáv esetén.

Egy 1 munkadarab felületét a találmány szerint egy B szélességű területen az ES elektronsugárral végzett átolvasztással eddzük. Az elektronsugár nagyfrekvenciás eltérítését ismert vezérléssel valósítjuk meg. Amint a 4. ábrán látható, az ES elektronsugárral több, egymást átfedő S sávot olvasztunk meg egymás mellett, mégpedig egyidejűleg, vagy olyan gyors egymásutánban, hogy a sávok gyakorlatilag egyidejűleg olvadnak meg és hűlnek le. Két szomszédos S sáv megolvasztása között tehát az utóbbi esetben is csak olyan rövid idő telik el, hogy a sávok egymást átfedő, vonalkázott területei nem hűlnek le a kritikus tartományba, azaz a felső T_ko kritikus hőmérséklet alá.

A fenti eljárás során a hőmérséklet az 5. ábra IV görbéje szerint alakul, azaz az egyes S sávok hőmérséklete a T_s olvadási hőmérséklet fölé emelkedik, és a megolvasztott területek (azok is, amelyeken két sáv átlapolódík) erről a hőmérsékletről folyamatosan (azaz újabb felmelegedés nélkül) a kritikus lehűlési sebességnél nagyobb sebességgel hűlnek le a kritikus tartományban.

A 6. ábrán egy bütyök 2 csúszófelülete látható, amelynek edzését meander alakú S sávokban végezzük. A meandert alkotó hurkok a munkadarab forgástengelyének irányában helyezkednek el. Az S sávok ki3

HU 220 658 Β1 alakításakor a találmány szerint az elektronsugár sebességét olyan nagyra kell választani, hogy a meandert alkotó egyik hurok hőmérséklete a következő hurok előállítása folyamán ne hűljön le a kritikus tartományba, és ne melegedjen fel újra. A hőmérséklet menetét - a szomszédos sávok megolvasztásakor fellépő, de mindig a kritikus tartomány felett maradó hőingadozásokkal - a 7. ábra mutatja.

Claims (5)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás felületek átolvasztására töltéshordozó sugarakkal munkadarabok felületi edzéséhez, amelynek során a töltéshordozó sugárral, elsősorban elektronsugárral, amelyet két dimenzióban nagyfrekvenciásán eltérítünk, a kezelendő felületen egymás melletti sávokat olvasztunk meg, amely sávok alakját a kezelendő felületrész geometriájához igazítjuk, azzal jellemezve, hogy a kezelendő felületen a töltéshordozó sugárral már megolvasztott sávok (S) hőmérsékletét a mellettük levő sáv (S) megolvasztásáig egy kritikus hőmérséklet (T_ko) felett tartjuk.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kezelendő felületen a töltéshordozó sugárral az összes sávot (S) egyidejűleg olvasztjuk meg.
3. 3. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy több menetben legalább egy sávot (S) olvasztunk meg, és közben a töltéshordozó sugár és a munkadarab (1) közötti relatív sebességet úgy választjuk meg, hogy egy előző menetben megolvasztott sáv (S) hőmérséklete a mellette levő sáv (S) következő menetben végrehajtott megolvasztásáig a kritikus hőmérséklet (T_ko) felett marad.
4. 4. A 3. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a sávokat (S) meander alakban olvasztjuk meg, és közben a sávok (S) olvasztásának sebességét úgy választjuk meg, hogy egy már előállított hurok hőmérséklete a szomszédos hurok előállításáig a kritikus hőmérséklet (T_ko) felett marad.
5. 5. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy egyidejűleg több egymás melletti sávot (S) meander alakban olvasztunk meg, és a meander egy menetben előállított hurkainak hőmérsékletét a következő hurkok előállításáig a kritikus hőmérséklet (T_ko) felett tartjuk.