NO133763B - - Google Patents

Description

Fremstillingen av metastabil austenit er det vesentlige trekk ved to-trinns overflateherding. Ved denne fremgangsmåte blir i det første trinn et lite område av materialoverflaten austenitisert i løpet av ekstremt kort tid hvorved dette litte,områdets omgivelser forblir kalde. På grunn av den derpå følgende raske varmebortføring fra det austenitiske området til det indre av materialet, blir austeniten avkjølt så hurtig at den i det vesentlige blir bestående, altså ikke omdannes i martensit. Den således oppnådde austenit har seighet-egenskaper som er sammelignbare med de vanlige austeniter, men den skiller seg dog fra disse ved en hårdhet som er høyere enn den martensithårdhet som kan oppnås ved vanlig avkjølingsherd-ing ved like høyt karboninnhold. Årsaken til denne høye auste-nithårdhet er at det ved hårdhetsprøvingen blir dannet et plastisk deformert av det inntrengende prøveleger.e cg dette området omdannes i det minste delvis mens det oppstår til en martensit med ekstrem høy hårdhet. Det dreier seg i henhold til dette om en metastabil austenit som skiller seg prinsippielt fra de vanlige austeni.ter, hvilke ved påkjenninger ved romtemperatur er stabile og derfor ved hårdhetsprøvninger gir lavere hårdhetsverdier. Denne eller den i det minste langtgå-ende omdanning av denne metastabile austenit i det anne-t trinn skjer ikke bare ved hårdhetsprøvingen,. men også ved påkjenninger av en hvilken som helst type ved romtemperatur. Det er derfor ikke nødvendig med ytterligere forholdsregler for å oppnå det ønskede bruksforholdet. I henhold til dette er altså to-trinns overflateherdingen gjennomførbar i én arbeidsgang hvorved det oppstår et herdet bånd eller et herdet område, f.eks. verktøyklinger, ved å føye små austenitiske områder til hverandre uten mellomrom.

Hvis austenitiseringen ved denne arbeidsgang skjer lans-omt oppstår det overflateområder som inneholder meget npye martensitandeler eller som helt ut består av marensit. Slike områder har egenskaper som er sammenlignbare med de til

hvite martensitsjikt, viss sprøhet og tendens til brudd er kjent. Skjer austenitiseringen ved for stor lokal energitil-førsel, kan det opptre forstyrrende påsmeltingsfenomener på materialoverflaten eller på verktøyklingen, noe som må fjernes før gjenstanden tas i bruk.

Ved metallografiske undersøkelser er resultatene av slike overflatebehandlinger kjennelige på tungt etsbare mikroskopiske ikke-oppløslige hvite områder. Det å fastslå om disse hvite områder består av martensit eller av metastabil austenit kan f.eks. skje ved intensiv etsningsbehandling, noe som når det foreligger austenit i overflateområdet av slipen, fører til dannelse av martensitnåler. Slike martensitnåler kan ikke oppstå under etsingen hvis de hvite områder allerede før etsingen er martensitiske. En annen mulighet for å skille dem fra hverandre eller en mulighet til identifisering når det foreligger hvite områder, er røntgenografiske bestemmelser av austenitandelene.

Dannelse av områder av metastabil austenit på mat-erialstykker av jern- og stållegeringer er mulig når tilstrekk-eli<g> øve karr o^in^hcld i ^øoet av ekstremt kort tic kan bringes i oppløsning vea austenitiseringen. Når det foreligger

ikke-løslige eller kun tungt-oppløslige karbider eller når det foreligger grafittutskillelser må karboninnholdet i grunn-massen være tilstrekkelig høyt; karbidene eller grafittene befinner seg da i ikke-oppløst tilstand i det hvite området. Høyden av det nødvendige minste karboninnhold utgjør ved ikke-legerte stål omtrent 0, 6% og kan ligge ennu lavere ved legerte stål.

Som energikilde for gjennomføring av den to-trinns overflateherding er det hittil anvendt gnidningsskiver, plasmabrennere og elektronstråler. Et vesentlig krav til slike energikilder er at de muliggjør en energikonsentrasjon på materialoverflaten slik at det i ekstremt kort tid, etter rik-tignok kun kvalitative beregninger i løpet av mindre enn 10<_2 >sekunder, kan fremtvinge den nødvendige austenitisering.

Et ytterligere vesentlig krav ligger i at det for

å oppnå austenitområder med samme form og samme egenskaper å være mulig med en homogen energitilførsel til materialet under hele behandlingstiden.

Disse to krav er lettest å oppfylle ved tilstrekk-elige stabile elektronstråler, En vesentlig mangel ved anvendelse av disse er imidlertid at behandlingen av materialene må skje i høyvakuum. De til dette nødvendige høye anleggsomkostninger har i tillegg til følge at anvendelse av elektronstråler for massefremstilling ikke kan komme i betraktning og kun kan forsvares økonomisk i spesielle tilfeller.

Ved anvendelse av skiver som roterer med omkrets-hastigheter på mer enn 100 m/s, hensiktsmessig av herdet hur-tigarbeidsstål med glatt og egnet profilert virkeflate, skjer energitilførslen på grunn av gnidningsvarmen som oppstår når en slik arbeidsflate trykkes mot materialet. Ved denne fremgangsmåte der f.eks. arbeidsstykket føres forbi skiven, for på denne å påføre et spor, oppstår det en materialnedbrytning på opptil 0,2 mm. Ved innbyggning av denne fremgangsmåte ved fremstilling må dette materialtap tas hensyn til ved en til-svarende overdimensjonering og behandlingen må skje før den siste sliping hvis det skal holdes nøyaktige mål. Videre må materialtapet innstilles meget nøye for å oppnå reproduser-bare resultater. Ytterligere mangler ved denne fremgangsmåte er at den kun kan anvendes ved arbeidsstykker med enkel geometri, f.eks. ved sylindriske arbeidsstykker, eller ved slike med glatte flater eller rette klinger eller kanter, og at det til disse arbeidsstykker må stilles høy krav til målenøyaktig-heten. Små lokale målefeil i størrelsesorden 0,01 mm fører allerede til en ujevn energitilførsel på grunn av den ede eller forhøyede materialavhevning, og videre til en for-andring av formen av det oppståtte austenitsjikt. Omkost-ningene for et anlegg til fremstilling av gnidningsaustenit er imidlertid sammenligningsvis de laveste.

Ved anvendelse av plasmabrennere blir den energi-utnyttet som ved rekombinering av ladningsbærerne i plasmaet blir fri på elektrisk ledende overflater henholdsvis på veien dit. Områdene for disse ladningsbærere er ved anvendelse av varmt plasma hvilket oppstår ved dissosiasjon av arbeidsgassen ved hjelp av en elektrisk lysbue, omgitt av en mer eller mindre sterk varm strøm av allerede rekombinerte gasspartikler, noe som fører til en stor og uønsket varmemengde i arbeidsstykket slik at de allerede oppståtte austenitsjikt ved lengere tids behandling kan ødele<g>ges og videre umuliggjøres opprettelse av ytterligere sjikt på grunn av for høy tempera-tur i arbeidsstykket. Av disse grunner er det allerede fore-slått til overflateherding å anvende den kalde flammen til en høyfrekvens plasmabrenner, altså kaldt plasma, idet det ikke settes fri noen rekombineringsvarme, en flamme som er så kald at papir ikke kan bringes til antennelse. På elektrisk ledende overflater, f.eks. på metalliske overflater, oppnås imidlertid med kald plasma spontant den ønskede ladnings rekombinering. Dermed fremtvinges det en ekstremt rask oppvarming uten forstyrrende bivirkning på grunn av varme gasser. Muligheten for arbeid i friluft, de innenfor bærbare grenser liggende anleggsomkostninger samt uavhengigheten hva angår geometri og målenøyaktighet i materialet som. skal behandles taler for anvendelse av kaldt plasma.

Hvis man dog behandler et arbeidsstykke med kaldt plasma uten å ta hensyn til visse forholdsregler, er imidlertid generelt energitilførslen ikke tilstrekkelig til å oppnå austenitsjikt. Ennu mer forstyrrende er det imidlertid at virkr.insen av behandlingen er så uregelmessig st det ikke kan oppnås teknisk brukbare overflateherdinger i områder som er større enn kun få cm . Lignende erfaringer foreligger ogsa fra behandling av verktøyklinger der lokale påsmeltinger kan opptre som følge av overdreven energitilførsel og utilstrekkelig hårdhetsopptak.

En fremgangsmåte ved hjelp av hvilken disse vanskligheter kan unngås, er allerede gjenstand for en tidligere søknad.

Den vesentlige forutsetning for gjennomføring av

to-trinns overflateherding med kaldt plasma på teknisk brukbar måte er at det til arbeidsstykket i løpet av behandlingen til-føres like store energimengder pr. tidsenhet. Por å kunne oppfylle denne forutsetning er det nødvendig at arbeidsstykket

som skal behandles befinner seg i en høyfrekvensstrømkrets med konstant frekvens, hvilken sluttes galvanisk gjennom den kalde

plasmaflamme.

De ovenfor angitte vanskligheter kan ikke unngås hvis det anvendes en høyfrekvensgenerator hvis frekvensen ikke er stabilisert, eller hvis arbeidsstykket på tross av anvendelse av en høyfreksgenerator med stabilisert frekvens under plasmabehandling med elektronene til plasmabrenneren og med høyfrekvensgeneratoren danner en åpen svingekrets, slik at arbeidsstykket tjener som kapasitiv tilbakekobling. Også denne fremgangsmåte er tidligere kjent.

Den til nu mest fordelaktige av alle tidligere kjente anordninger til gjennomføring av fremgangsmåten er angitt i den ledsagende fig. 1. Denne består av en høyfrekvens-generator 1 med stabilisert frekvens og trinnløs regulerbar ytelse, av en brenner 2 til oppnåelse av kaldt plasma 3 med hvilket det ved jordkobling ^ med høyfrekvensgeneratoren for-bunede arbeidsstykke 5 behandles, samt av en mellom høyfre-kvensgeneratoren og brenner anordnet utligningsenhet 6 til innstilling av den optimale energitilførsel til arbeidsstykket, hvilken ved hjelp av ytelsesmåleren 7 for den tii arbeidsstykket løpende ytelse og y telsesmåleren 8 for den ref le * :z erte ytelse er kontrollerbar. Denne reflekterte ytelse utgjør I 2R hvorved I er strømstyrken og R er den fra formen til arbeidsstykket som skal herdes avledbar bølgemotstand.

Frekvensen til denne høyfrekvensstrømkrets må minst utgjøre 10 MHz. Som øvere grense for frekvensen kan etter dagens kunnskaper angis 100 MHz. Man må passe på at det velges en frekvens som er tillatt ifølge foreliggende forskr-ifter. På det nuværende tidspunkt anvendes fortrinnsvis en frekvens på 13,56 MHz.

Den maksimale ytelse for høyfrekvensger.eratcren

må ligge mellom 1 og 5 kW og må være trinnløs regulerbar for å kunne forandre energitilførslen til arbeidsstykket alt etter behov. Ved hjelp av den i tillegg nødvendige utligningsenhet sørges det for at den til arbeidsstykket løpende ytelse eller foroverytelse er mest mulig stor og den reflekterte ytelse eller tapsytelsen er minst mulig. Denne ytelse bør også derfor være målbar fordi den muliggjør en kontroll av energitil-førslen til materialet under behandlingen på en meget enkel måte slik at etterfølgende.omstendlige å tidskrevende kontrol-

ler overflødiggjøres.

Oppbyggningen av plasmabrennere for oppnåelse av kaldt plasma er prinsippielt kjent. Slike brennere består i det vesentlige av et rør der dannelsen av plasmaet enten skjer ved hjelp av et elektrisk høyfrekvens felt ved hjelp av en aks-ialt i røret anordnet elektrode, eller med et magnetisk høy-frekvensfelt som oppnås ved hjelp av en høyfrekvens spole som omgir røret. Ved en tenneinnretning i brenneren blir det ut-løst elektroner i arbeidsgassen og de får en så kraftig aksel-rasjon i høyfrekvensfeltet at de kan dissosiere og ionisere molekylene i arbeidsgassen, altså danne et plasma.

En utførelsesform av plasmabrenneren er angitt i fig. 2. Den består av en stavfarmet elektrode 9 som over en kabel 10 kan være forbundet med høyfrekvensstrømkilden, av et rør 11 som omgir élektroden og som muliggjør tilføring av arbeidsgass via en tilslutningsstuss 12, av en elektrodehold-er 13 som sikrer den aksiale anordning av elektroden i røret, av en dyse 14 for å gi plasmaflammen 15 form. Tenningen av brenneren skjer ved berøring av elektroden med en metall-ener kullstav som er festet i en isolator. Ved avtrekking av staven oppstår det en høyfrekvens lysbue som innleder dannelsen av _den fra elektroden utgående plasmaflamme og som så brenner videre i friluft.

Som materiale for elektroden kan det velges torert wolfram. Som arbeidsgass har det for to-trinns overflateherding vist seg gunstigst å benytte handels/vanlig sveiseargon.

Por brennerrøret er det ikke nødvendig med noe spesielt materialutvalg. Det kan bestå av elektrisk ikke-ledende materiale eller også av metall, f.eks. av kobber, hvis hastigheten for den strømmende arbeidsgass er stor nok til å forhindre overslag mellom elektroden og metallrører. For elektrodeholderen må derimot velges et elektrisk ikke-ledende materiale. Her er å beakte at brennerrøret kan påkjen-nes sterkt på grunn av den fra arbeidsstykket avstrålende varme. I slike tilfeller er det nødvendig å beskytte røret på egnet måte. Dette kan skje både ved en kjøling eller ved at røret gis en dyse for formgivning av plasmaflammen. Dysen må bestå av elektrisk ikke-ledende materiale og være tilstrekkelig motstandsdyktig overfor strålingsvarme. Praktisk for dette formål er ildfast kjeramisk masse.

De ved hjelp av denne fremgangsmåte på ulegerte eller legerte stål fremstiIvare sjikt eller områder av metastabil austenit har hva angår utstrekningen, spesielt med hen-blikk på de oppnålige sjiktdybder, visse grenser som ikke kan kan overskrides uten uønskede overflateskader ved påsmeltnings-fenomener. De optimalt oppnålige sjiktdybder er avhengige både av stålsammensetningen og av arbeidsstykkets geometriske form, noe som igjen kan være av betydning for den maksimale energimengde som kan innføres.

Ønske om fremstilling av større sjiktdybder er dog ofte tilstede i praksis. Årsaken til dette kan være at større materialmengder må fjernes ved sliping til de ønskede mål, hvorved de oppnådde sjikt av metastabil austenit helt eller delvis fjernes, eller fordi levetiden for de slitasje-utsatte deler ytterligere skal forlenges ved hj"elp av større sj ikttykkelser.

Foreliggende oppfinnelse har derfor til oppgave å angi i en vei som under ellers like arbeidsbetingelser muliggjør en økning av de oppnålige sjikttykkelser av metastabil austenit.

Forsøk har vist at dette relativt enkelt og som oftest tilstrekkelig kan oppnås ved at arbeidsstykket før behandling anordnes i en elektrisk isolerende væske på en slik måte at overflateområdene som skal behandles før behandlingen dekkes med jevnt tykt væskesjikt som fortrenges av plasmaflammen fra det overflateområde av arbeidsstykket som omfattes av denne.

I tegningen blir denne arbeidsmåte forklart nærmere. Fig. 3 viser skjematisk fremstillingen av et meta-stabilt austenitsjikt i området langs kanten 16 til det stav-eller båndformede antydede arbeisstykke 5 som kontinuerlig føres forbi under den faststående plasmabrenner 2 gjennom plasmaflammen 3 med jevn hastighet. Slik det antydes i fig. 3 omfatter herved plasmaet et langt større område av arbeidsstykket enn det som ville være nødvendig til behandling av kanten.

Fig. H viser anordningen for behandling ifølge oppfinnelsen. Arbeidsstykket 5 er anordnet i en elektrisk isolerende væske 17 som over kanten av arbeidsstykket som skal behandles danner et væskesjikt. Tykkelsen av dette sjikt til-svarer avstanden 18 mellom pilspissene. Den derover foreliggende plasmabrenner 2 er driftsklar. Når nå brenneren tennes slik at det dannes kaldt plasma, ville dette fortrenge væske-sjiktet i området der kanten som skal behandles befinner seg,

slik dette antydes i fig. 5« Herved treffer plasmaet praktisk talt utelukkende kantområdet. Konsentrasjonen av den tilførte energi blir derfor forhøyet i dette området. Jo tykkere olje-sjikt det er jo finere er fokuseringen (innsnevringen) av pla-småstrålen. En grense nåes når oljesjiktet er så tykt at

plasmastrålen med sin kinetiske energi ikke lenger kan gjenn-omtrenge dette sjiktet til overflaten av arbeidsstykket. Føl-gen av denne behandling er at det ved ellers like arbeids-forhold oppnås betydelige forstørrede områder for de metastabile austenitsjikt og spesielt at det oppnås større sjikttykkelser .

Som elektrisk isolerende væske kan det anvendes en mineralolje, f.eks. en herdeolje, eller en silikonolje.

Ved drift over lengere tid, f.eks. ved kontinuerlig behandling av en skjærende kant på båndformede værktøyer, skal man være klar over at væsken kan oppvarmes til over flammepunktet og således begynne å brenne. I slike tilfeller er det nødvendig med en tilstrekkelig kjøling. Videre er det hensiktsmessig å anvende olje med flammepunkter som ligger ved høyest mulig temperaturer. Flammepunktene for de vanlige herdeoljer ligger f.eks. ved omtrent l60°C og kan ved drift over lengere tid og ved utilstrekkelig kjøling føre til van-skeligheter. Det finnes' dog spesialoljer med vesentlige høyere fiamroet>unkter,f. eks. med slike t>å omtrent 280°C, viss anvendelse er å foretrekke ved drift over lengere tid. I et hvert tilfelle bør flammepunktet for oljen ikke ligge under l60°C.

En ytterligere fordel ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ligger i at overdreven oppvarming av arbeidsstykket og derved forsinkelser for varmeleding til det indre av arbeidsstykket kan unngås, noe som ville føre til mindre an-deler av metastabil austenit.

Utførelseseksempel:

For å utprøve fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved drift over lengere tid ble 300 m av et valset og til en fasthet på 135 kp/ram 2 seigherdet bånd av et C-stål med omtrent 0,8% C og med én til fremstilling av skikanter egnet tverr-snittsform utprøvet. Dette materiale forelå i opprullet form og ble etter gjennomført behandling rullet sammen til en bunt igjen.

Hensikten ved behandlingen var i området som ville bli utsatt for slitasjepåkjenning å oppnå et område av metastabil austenit.

Som elektrisk isolerende væske ble det anvendt

en olje med et flammepunkt på omtrent 2 80°C og denne ble i oljepannen gjennom hvilken båndet som skulle behandles ble trukket kjølt med kobberrør med vanngjennomstrømning. Videre ble oljen stadig ompumpet, noe som også er vanlig ved vanlige oljebad i herderier.

Plasmabehandlingen skjedde med en fremmatnings-hastighet på 830 mm pr. minutt og med en foroverytelse på 400 W. Tykkelsen av oljesjiktet og kanten som skulle behandles utgjorde omtrent 1 mm. For behandlingen av det 300 m lange bånd var anlegget i drift omtrent 6 timer.

Resultatet av behandlingen var et jevnt område

av metastabil austenit med en tykkelse på 1 mm i diagonal retning. Den med 100 p belastnings fastslåtte mikrohårdhet for dette sjikt utgjorde 930 til 940 kp/mm<2.>

Behandlingen av det samme bad uten olje under ellers like betingelser ga som resultat metastabile austenitsjikt med en tykkelse på kun 0,4 mm, dog med tilnærmet samme mikrohårdhet.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte til to-trinns overflateherding av arbeidsstykker av herdbare jern- og stållegeringer, hvorved det for å oppnå overflateområder av metastabil austenit med uforandrede tverrsnittsformer og uforandrede egenskaper i arbeidsstykket, under behandlingstiden innføres like store energimengder pr. tidsenhet ved hjelp av kaldt plasma, gjennom hvilket det galvanisk sluttes en høyfrekvensstrømkrets med konstant frekvens, karakterisert ved at arbeidsstykket for å øke energikonsentrasjonen ved plasmabe-

handlingen anbringes i en elektrisk isolerende væske på en slik måte at overflateområdene som skal behandles,før behandlingen er dekket, med et jevnt tykt væskesjikt som av plasmaflammen fortrenges fra det av behandlingen omfattende overflateområde av arbeidsstykket.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at det som elektrisk isolerende væske anvendes en mineralolje eller silikonolje.

3. Fremgangsmåte ifølge kravene log2,karakterisert ved at den elektriske isolerende væske kjøles under behandlingen av arbeidsstykket.