Verfahren zur Oberflächenhärtung von Werkstücken aus härtbarem Stahl Es ist bekannt, dass man den Verschleisswider stand der Oberfläche von Werkstücken aus härt- baren, nichtaustenitischen Stählen durch Wärme behandlungen, wie Flammhärten, Induktionshärten und Tauchhärten, erhöhen kann. An die mit Hilf solcher Verfahren erzielten Härteschichten werden eine Reihe von Anforderungen gestellt, die oft schwie rig oder überhaupt nicht gleichzeitig erfüllbar sind, wie z.
B. die Forderung nach hoher Härte bei gleich zeitiger hoher Zähigkeit bzw. geringer Sprödigkeit sowie die Forderung, dass vor allem im übergangs- gebiet zwischen der gehärteten Zone und dem rela tiv weichen Kern der Werkstücke weder durch die Härtungsbehandlung noch bei späterer Beanspru chung Risse auftreten dürfen, weil diese die Ursache für ein Absplittern der gehärteten Schicht sein kön nen.
Die Erfindung bezweckt, ein einfach durchführ bares Härtungsverfahren anzugeben, mit welchem die Nachteile der bekannten Verfahren weitgehend vermieden werden können.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Werkstücken aus härtbarem Stahl durch Erhitzung der zu härtenden Werkstück oberfläche über den Umwandlungspunkt, bei dem u- bzw. /3-Eisen in ;-Eisen übergeht, und unmittelbar darauffolgende Abschreckung.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die un mittelbar auf die Erhitzung folgende Abschreckung in so kurzer Zeitdauer durchgeführt wird, dass eine Oberflächenschicht mit einer bei Zimmertemperatur metastabilen austenitischen Struktur erhalten wird, die durch äussere Einwirkung in ein martensitisches Härtungsgefüge übergeführt wird.
Die Erhitzung, die vorzugsweise bis zum Schmelz punkt des Stahles oder darüber hinaus erfolgen kann, wird vorzugsweise sehr rasch durchgeführt, z. B. innerhalb von wenigen Zehntelssekunden. Durch die auf die Erhitzung unmittelbar folgende Ab schreckung kann der oberhalb des Umwandlungs^ Punktes gebildete Austenit, der sonst nur bei höheren Temperaturen beständig ist, in grossen Mengen (z. B. bis zu 98"/o,) auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Anschliessend erfolgt durch äussere Einwirkung, z. B.
durch Energiezufuhr in der Form eines mechani schen, elektrischen oder thermischen Schocks oder durch Ultraschall, eine Umwandlung in ein fein körniges, martensitisches Härtungsgefüge, welches dem bisher bekannten Martensitgefüge, sogar dem Hardenit, durch bedeutend höhere Härte, grössere Verschleissfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit überlegen ist.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich gehärtete Oberflächenschichten erzeugen, die ohne zusätzliche Wärmebehandlung geringere innere Spannungen aufweisen als nach bekannten Ver fahren gehärtete Schichten. Die Oberflächenschichten sind daher zäher und weisen praktisch keine Riss- gefahr und keine Gefahr des Absplitterns auf. Es kann also auf eine Anlassbehandlung zum Abbau von Spannungen verzichtet werden.
Das Werkstückmaterial kann in beliebigem Zu stand vorliegen, z. B. geglüht, gehärtet oder vergütet, und wird im Kern des Werkstückes nicht verändert.
Die für die Erhitzung notwendige Energie kann beispielsweise durch Reibung zwischen dem Werk stück und einem metallischen oder nichtmetallischen Werkzeug mit glatter Oberfläche aufgebracht werden, indem Werkstück und Werkzeug mit einer ausrei chend hohen Relativgeschwindigkeit gegeneinander bewegt werden. Als Werkzeug kann z. B. eine mit einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 80 m/s rotierende Scheibe aus härtbarem Stahl verwendet werden.
Dabei kann die für das Abschrecken erfor- derliche Wärmeabfuhr durch die bei der örtlichen Erhitzung kalt bleibende Masse des Werkstückes und des Werkzeuges und durch eine durch die Re lativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug bewirkte Luftströmung erfolgen. Die Relativgeschwin digkeit, der Arbeitsdruck zwischen Werkzeug und Werkstück und die Bearbeitungszeit bzw. die Vor schubgeschwindigkeit können je nach den Material eigenschaften so gewählt werden, dass sich eine be stimmte gewünschte Dicke der gehärteten Ober flächenschicht ergibt.
Weiter können die genannten Faktoren so gewählt werden, dass das Werkstück gleichzeitig noch plastisch verformt wird oder eine Bearbeitung durch Abtragen von Materialteilchen erfährt. Es ergibt sich damit die Möglichkeit, in einem einzigen einfachen Arbeitsgang eine form gebende Bearbeitung und eine Oberflächenhärtung durchzuführen.
Ein in dieser Weise verwendetes Werkzeug soll, wie erwähnt, eine glatte Arbeitsfläche haben, welche z. B. durch Schleifen, Polieren oder Honen erzeugt werden kann. Wenn das Werkzeug aus härtbarem Stahl besteht, kann seine Arbeitsfläche ihrerseits nach dem vorstehend definierten erfindungsgemässen Ver fahren gehärtet sein. Insbesondere kann man eine glatte, geschliffene, gehärtete Arbeitsfläche des Werkzeuges durch Anpressen eines relativ zum Werkzeug bewegten Stahlkörpers, z. B. eines Stabes oder einer Rolle, erzeugen. Auf diese Weise kann ein solches Werkzeug auch instand gehalten, das heisst, wenn es abgenützt ist, abgezogen werden.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens näher erläutert.
Bei allen Beispielen wurde eine Oberfläche eines Werkstückes aus härtbarem Stahl durch Reibung an einer glatten Oberfläche eines Werkzeuges über
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<I>Blauband <SEP> geschliffen,</I> <SEP> Stärke <SEP> 0,6 <SEP> mm
<tb> Eigengeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkzeuges <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 120 <SEP> m/sec
<tb> Vorschubgeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkzeuges <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0
<tb> Druck <SEP> zwischen <SEP> Werkzeug <SEP> und <SEP> Werkstück <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> etwa <SEP> 20 <SEP> g,'mm Eigengeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkstückes <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> .
<SEP> etwa <SEP> 2 <SEP> mmsec
<tb> Vorhärte <SEP> des <SEP> Werkstückes <SEP> 475 <SEP> kgimm2 <SEP> Mikro härte <SEP> Belastung <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 25 <SEP> g\mm2
<tb> Kohlenstoffgehalt <SEP> 0,84-0,9 <SEP> O/a, <SEP> Mikrohärte <SEP> nach
<tb> Bearbeitung <SEP> (Belastung <SEP> 25 <SEP> g) <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 1100-1200 <SEP> kg11mm'2
<tb> Schichtstärke <SEP> 0,08-0,1 <SEP> mm 2. Zähne, in schmalen, flachen Bändern durch Räumung erzeugt, erhielten gleichzeitig eine Härte schicht von 0,08 mm Stärke, die auf der Zahnbrust, Zahnspitze und Zahnrücken gleichmässig entstand.
Diese Schicht ist unlöslich mit dem übrigen Material verbunden, splittert nicht und löst sich nicht ab, korrodiert nicht, ist ausserordentlich verschleissfest den Umwandlungspunkt des Stahles, bei dem a-Eisen bzw. ss-Eisen in ;
-Eisen übergeht, erhitzt und un mittelbar darauf durch Wärmeabfuhr durch die unter den Oberflächen liegenden Teile von Werkzeug und Werkstück und durch den Luftstrom, der durch die Relativbewegung zwischen Werkstück und Werk zeug erzeugt wurde, so rasch abgeschreckt, dass auf dem Werkstück eine Oberflächenschicht mit einer bei Raumtemperatur metastabilen austenitischen Struktur erhalten wurde. Durch äussere Einwirkung in der Form einer Erschütterung, eines Schlages, einer weiteren Bearbeitung oder bei einer Verwen dung des Werkstückes wurde dann diese austenitische Struktur in eine feinkörnige martensitische Struktur übergeführt.
1. Ein besonders einfacher Versuch besteht darin, dass eine schmale, zylinderförmige Stahlscheibe mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 120 m'sec in der Längsrichtung, z. B. mit 10 mm. 'sec, bei geringem Druck, beispielsweise 50 g, über ein eingespanntes und vorgehärtetes Stahlband geführt wird. Dabei wird das Stahlband gleichzeitig geschliffen, mit ganz geringer Rauhtiefe von z. B. 0,2,u, und gehärtet, wobei die Schichtoberfläche blank und korrosions beständig wird.
Wegen der kleinen, wandernden Ar beitsfläche und der hierzu verhältnismässig grossen Masse des Werkstückes sowie der durch das hoch tourige Werkzeug mitgerissenen Luft erübrigt sich z. B. ein zusätzliches Kühlmittel. Blaubandstähle mit etwa 0,81/9 C-Gehalt, geschliffen und oberflä chenbehandelt, erreichten bei einer Mikrohärte des Kerns von 450-500 kg\mm2 eine Mikrohärte der Oberfläche von 1100-1200 kb'mm2, gemessen bei einer Belastung von 25 g, Schlifftiefe bei 500 g, Ar beitsdruck 0,1 mm, Schichtstärke 0,05 mm.
und erreichte eine Mikrohärte von 1150-1250 kg;mm2 bei einer Belastung von 25 g. Die Mikrohärte des übrigen Materials betrug etwa 600-650 kg/mm2 bei gleicher Belastung. Solche Sägen schneiden ohne weiteres gehärteten Stahl, wobei die Zahnspitzen auch nach längerem Gebrauch intakt bleiben.
EMI0003.0001
<I>Sägebänder:</I>
<tb> Eigengeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkzeuges <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 120 <SEP> m/sec
<tb> Vorschubgeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkzeuges, <SEP> drei mal <SEP> Richtungswechsel <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 9,2 <SEP> cm/sec
<tb> Druck <SEP> zwischen <SEP> Werkzeug <SEP> und <SEP> Werkstück <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> etwa <SEP> 500 <SEP> g
<tb> Eigengeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkstückes <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> etwa <SEP> 1,7 <SEP> mm
<tb> Vorhärte <SEP> des <SEP> Bandes <SEP> 700 <SEP> kg/mm2, <SEP> Mikrohärte,
<tb> Belastung <SEP> 25 <SEP> g, <SEP> Kohlenstoffgehalt <SEP> 0,9 <SEP> %,
<tb> Mikrohärte <SEP> nach <SEP> Bearbeitung <SEP> (Bel. <SEP> 25 <SEP> g) <SEP> .
<SEP> . <SEP> 1100-1150 <SEP> kg/mm2
<tb> Schichtstärke <SEP> 0,05-0,1 <SEP> mm 3. Mit Abstechstählen, die in der angegebenen Art geschliffen und gleichzeitig gehärtet waren, konn ten 1350-1450 Ringe von Stahlrohren abgestochen
EMI0003.0003
<I>Schleifen <SEP> eines <SEP> Abstechmessers:
</I>
<tb> Eigengeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkzeuges <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 120 <SEP> m/sec
<tb> Druck <SEP> zwischen <SEP> Werkzeug <SEP> und <SEP> Werkstück <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> etwa <SEP> 5-10 <SEP> gImm2
<tb> Vorhärte <SEP> des <SEP> Werkstückes <SEP> 700 <SEP> kg/mm2 <SEP> Mikro härte <SEP> Belastung <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 25 <SEP> g/mm2
<tb> Kohlenstoffgehalt <SEP> 0,7'%, <SEP> Mikrohärte <SEP> nach <SEP> Bear beitung <SEP> (Bel. <SEP> 25 <SEP> g) <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 1050 <SEP> kg/mm2
<tb> Schichtstärke <SEP> 0,01-0,02 <SEP> mm 4.
Analog dem Versuch nach Beispiel 1 ist eine Welle zwischen Körner drehbar gelagert. Sie erhält durch die Scheibe je nach ihrem Durchmesser eine geringere, gleiche oder grössere Geschwindigkeit als
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<I>Oberflächenbearbeitung</I> <SEP> einer <SEP> runden <SEP> Achse <SEP> 5 <SEP> mm <SEP> 0:
<tb> Eigengeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkzeuges <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 120 <SEP> m/sec
<tb> Druck <SEP> zwischen <SEP> Werkzeug <SEP> und <SEP> Werkstück <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> leichte <SEP> Berührung
<tb> Eigengeschwindigkeit <SEP> des <SEP> Werkstückes <SEP> durch
<tb> Werkzeug <SEP> mitgenommen <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 100 <SEP> 000 <SEP> U.
<tb> Vorhärte <SEP> des <SEP> Werkstückes <SEP> 800 <SEP> kg/mm2, <SEP> Mikro härte <SEP> Belastung <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> <B>...</B> <SEP> . <SEP> . <SEP> 25 <SEP> g/mm2
<tb> Kohlenstoffgehalt <SEP> 0,9-1,10/0, <SEP> Mikrohärte <SEP> nach
<tb> Bearbeitung <SEP> (Bel. <SEP> 25 <SEP> g) <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> .
<SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> <B>1100</B> <SEP> kg/mm2
<tb> Schichtstärke <SEP> 0,01 <SEP> mm 5. Eine Stahlscheibe mit einer Arbeitskante, die dem gewünschten Profil eines Gewindes entspricht, schneidet bei einem Bolzen, der rotierend vorgescho ben wird, ein Gewinde heraus, dessen Flanken gleichzeitig geformt, vergütet und gehärtet wird.
6. Wird beim Beispiel 5 der Arbeitsdruck zwi schen Werkzeug und Werkstück wesentlich erhöht, so entsteht eine plastische Verformung.
7. Werden zwei oder mehrere Drähte oder Bleche durch eine z. B. mit 120 m/sec rotierende Scheibe beispielsweise in ihrer Längsrichtung be- werden, während mit gewöhnlich vergüteten Abstech- stählen höchstens 950 Ringe abgestochen werden konnten. jene von 120 m/sec der Scheibe. Die Stärke der sich bildenden harten Oberflächenschicht hängt vom Arbeitsdruck zwischen Werkzeug und Werkstück ab, wobei die Rauhtiefe 0,2 ,u nicht übersteigt. strichen, so entsteht bei entsprechendem Arbeits druck ein sehr gleichmässiges und dauerhaftes Ver schweissen.
Bemerkenswert ist, dass alle Ausführungsbeispiele durch ein einfaches, mit hoher Geschwindigkeit ro tierendes Werkzeug erreicht wurden.
Gemäss den obigen Beispielen ist es mit ein fachen Mitteln und auf einfache Weise möglich, eine Werkstückoberfläche gleichzeitig formgebend zu be arbeiten und zu härten. Die Bearbeitung kann dabei verschiedene Formen annehmen, die etwa mit dem Schleifen, dem Drehen, dem Fräsen, dem Räumen oder dem Polieren vergleichbar sein können. Dazu sind nur relativ billige und einfach zu unterhaltende Werkzeuge erforderlich. Ein wichtiger Vorzug ist auch die erreichbare Oberflächengüte, indem nicht verzunderte, also blanke Oberflächen mit sehr ge ringen Rauhtiefen erzeugt werden können.