DE19919611C2 - Verfahren zum Umschmelzen von Oberflächen mittels Ladungsträgerstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschmelzen von Oberflächen von Werkstücken oder Bereichen der Oberfläche mittels Ladungsträgerstrahlen, vorzugsweise Elektronenstrahlen. Das Umschmelzen, auch Randschicht - Umschmelzen genannt, dient der Härtung der vom Elektronenstrahl beaufschlagten Oberfläche. Es wird zum Härten von Gleitbahnen verwendet, jedoch vorzugsweise zur Härtung der Laufflächen der Nocken von Nockenwellen für Kraftfahrzeugmotoren. Dadurch wird die Verschleißfestigkeit verbessert und damit auch die Lebensdauer.

Eines der bekanntesten Verfahren zum Umschmelzhärten von derart gekrümmten Oberflächen besteht darin, dass ein zweidimensional hochfrequent abgelenkter Elektronenstrahl im hochfrequenten periodischen Wechsel auf der Oberfläche derart zur Einwirkung gebracht wird, dass der in Front liegende Oberflächenbereich in Festphase verbleibt und der nachfolgende Bereich aufgeschmolzen wird. Zwischen dem Werkstück und dem Elektronenstrahl erfogt eine Relativbewegung. Um die erforderliche Umschmelztiefe zu erreichen, werden die Relativgeschwindigkeit und die zu übertragene Flächenenergie des Elektronenstrahls angepaßt (DE 41 30 462 C1).

Wenn es sich um gekrümmte Oberflächen, wie z. b. bei Nocken, handelt, sind Maßnahmen zur Einhaltung einer konstanten Flächenenergie notwendig, da sich der Abstand zwischen dem Elektronenstrahlerzeuger und der Werkstückoberfläche ständig ändert. Eine solche Maßnahme ist die Aufteilung der Oberflächen in der Geometrie angepaßte Bereiche und die Rotation anzupassen (DE 42 25 002 C2).

Ein weiteres bekanntes Verfahren wurde vorgeschlagen, welches darin besteht, zwischen dem vom Elektronenstrahl erzeugten Energiefeld und der umzuschmelzenden Oberfläche eine Relativbewegung mit konstanter Geschwindigkeit auszuführen.

Die Ablenkung des Energieübertragungsfeldes zur Drehbewegung ist variabel und der Elektronenstrahl trifft auf jeden Punkt der gekrümmten Oberfläche senkrecht auf der in diesem Punkt gebildeten Tangente auf. Das Energieübertragungsfeld wird derart geführt, dass in einer quer zur Bewegungsrichtung des Werkstückes verlaufenden Bahn auf der in Front liegenden Seite der Energieeintrag höher ist als auf der Gegenseite (PA 198 11 216.5-24).

Die bekannten Verfahren haben im wesentlichen den Nachteil, dass beim Umschmelzhärten von gekrümmten Oberflächen die geforderte konstante Umschmelztiefe mit relativ hohen steuerungstechnischen und/oder apperativen Aufwand erzielt wird.

Bei diesem Randschicht - Umschmelzen mittels Ladungsträgerstrahl, vorzugsweise Elektronenstrahl, wird in einem Bereich des Werkstückes - der Lauffläche des Nockens - das aus Gußeisen besteht, eine Ledeburitschicht erzeugt. Diese hat eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit. Die Qualität der erzeugten Umschmelzschicht wird durch die Reinheit des Ledeburits bestimmt, d. h. wie hoch der Grafitanteil in dieser Schicht noch ist. Es entsteht unter bestimmten Bedingungen sog. Sekundärgrafit, der die Verschleißfestigkeit des Gußeisens, d. h. der Verschleißschutzschicht vermindert. In der Praxis wirkt sich das dadurch aus, dass sich bei hoher Belastung, d. h. Pressung Pittings bilden. Das sind Grübschen, die Kennzeichen für Ermüdungsverschleiß sind und im ungünstigsten Fall zum Totalausfall des Bauteils führen. Der Sekundärgrafit ist in der harten Schicht aus Ledeburit eine Schwachstelle.

Es ist auch bekannt, die Oberfläche durch WIG-Umschmelzen zu härten. Dabei wird der WIG-Brenner über die Oberfläche mäanderförmig bewegt. Diese zyklische Behandlung hat aufgrund ihrer begrenzten Geschwindigkeit für die Führung des Brenners den Nachteil, dass ein ständiges Aufheizen und Abkühlen der Oberfläche erfolgt. Die Schmelzbahn als Schleife der Mäander ist abgekühlt, ehe die nächste Schmelzbahn daneben entsteht. Dadurch wird die bereits abgekühlte Schmelzbahn im kritischen Temperaturbereich wieder erwärmt, indem der Grafit ausgeschieden wird.

In der Regel enthält Gußeisen einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 2%, meist 2-4%. Bei der Absenkung der Temperatur nach dem Umschmelzprozeß erstarrt das Werkstück je nach den Abkühlbedingungen und der chemischen Zusammensetzung des Werkstückes "grau" oder "weiß". "Graue" Erstarrung ist die Erstarrung zugunsten des Grafits. Die Bruchfläche ist durch Grafit bedingt "grau". "Weiße" Erstarrung ist eine metastabile Erstarrung in Richtung zur Bildung des Ledeburits, welches eine silberglänzende Bruchfläche zeigt.

Es wurde festgestellt, daß der Zerfall des Gußeisen und die Ausscheidung von Sekundärgrafit beim wiederholten Erwärmen und Abkühlen in bestimmten kritischen Temperaturbereichen auftritt. Besonders stark tritt der Zerfall, wenn die Abkühlgeschwindigkeit niedrig ist und die chemische Zusammensetzung des Gußeisens die normale Grafitausscheidung begünstigt. Das bedeutet, Sekundärgrafit scheidet besonders bei wiederholten Umschmelzprozessen oder zyklischen Behandlungen, die eine Haltetemperatur in einem kritischen Bereich aufweisen, wie es die eingangs bekannten Verfahren bedingen, aus.

Die Nachteile der bekannten Verfahren werden in den Diagrammen - Fig. 1 und 2 - und den zugehörigen Schnittdarstellungen - Fig. 3a und 3b - beschrieben.

Die verwendeten Zeichen bedeuten:
T Temperatur des Verfahrensablaufes
t Zeit des Verfahrensablaufes
A Aufheizvorgang
H Haltezeit
Ts Schmelztemperatur
Tko; Tku obere/untere kritische Temperatur
tk; tk' Haltezeit
Vab; Vab' Abkühlgeschwindigkeit
I Verfahrensablauf bei kompletter Ledeburitbildung
II Verfahrensablauf mit Grafitbildung
III Verfahrensablauf bei mehrmaligen Umlauf
ES; ES' Elektronenstrahl
S; S' Umschmelzbahn

Beim 1. Umlauf des Elektronenstrahls ES - Fig. 3a - werden die Schmelzbahnen S aneinander erzeugt. Bei langsamer Abkühlung verläuft die Temperatur nach Kurve II und der Bereich der kritischen Temperatur Tko - Tku wird langsam durchlaufen, d. h. die Haltezeit im kritischen Bereich tk ist sehr lang. Es ist der Verlauf der Kurve I mit einer kurzen Haltezeit tk' anzustreben, was Aufgabe der Erfindung ist.

Da es zur Erzeugung einer gleichmäßigen Tiefe der aufgeschmolzenen Fläche erforderlich ist, in einem 2. Umlauf zwischen den im 1. Umlauf erzeugten Schmelzbahnen S eine weitere Schmelzbahn S' durch den Elektronenstrahl ES' zu erzeugen, tritt der Nachteil ein, dass das bereits umgeschmolzene Material nach der Abkühlung bis zum kritischen Bereich erneut erwärmt wird.

Durch das erneute Erwärmen und Abkühlen im kritischen Bereich wird Grafit ausgeschieden. Der Temperaturverlauf erfolgt dann nach Kurve III im Bereich der 1. Schmelzbahn S.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Umschmelzen von Oberflächen mittels Ladungsträgerstrahlen, insbesondere Elektronenstrahlen, zum Randschichthärten von Oberflächenbereichen, insbesondere der Laufflächen von Nockenwellen zu schaffen, welches verhindert, dass aus der erzeugten Ledeburitschicht Sekundärgrafit ausgeschieden wird. Dadurch soll die Qualität der Umschmelzschicht, besonders in ihrer Verschleißfestigkeit, wesentlich erhöht werden. Das Verfahren soll mit den bekannten Elektronenstrahlanlagen ohne wesentlich höheren apperativen Aufwand ausführbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 3 bis 5 beschrieben.

Es wurde festgestellt, dass alle bekannten Verfahren deshalb nicht die gewünschte Qualität, d. h. Verschleißfestigkeit der umgeschmolzenen Schicht erreichen, weil in der Ledeburitschicht stets Grafit, sog. Sekundärgrafit enthalten war. Dieser Grafitanteil beeinflußt wesentlich die Verschleißfestigkeit. Überraschenderweise wurde gefunden, daß dieser Sekundärgrafit dadurch entsteht, daß beim Aneinandererzeugen von Schmelzbahnen die vorher erzeugte Schmelzbahn bis in den Bereich der kritischen Temperatur abkühlt und bei der darauf folgend erzeugten Schmelzbahn erneut erwärmt wird. Dabei bildet sich der störende Grafit.

Das Wesen der Erfindung besteht nunmehr darin, dass der Verfahrensablauf des Umschmelzens der Oberfläche von Werkstücken aus Guß, vorzugsweise der Laufflächen der Nocken, so gesteuert wird, dass mehrere Schmelzbahnen durch die Einwirkung des Ladungsträgerstrahles über die zu härtende Oberfläche quasi gleichzeitig erzeugt werden, so dass ein Abkühlen benachbarter Schmelzbahnen in den kritischen Bereich, indem Grafit ausgeschieden wird, nicht erfolgt.

Die Temperatur für den kritischen Bereich Tko; Tku, ebenso die Schmelztemperatur Ts sind vom Werkstoff abhängig und sind vor der Durchführung der Verfahren errechenbar bzw. durch Versuche zu ermitteln.

Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht darin, dass bei der Erzeugung mehrerer Schmelzbahnen in Folge nebeneinander die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück und dem Ladungsträgerstrahl in Abhängigkeit vom Energieeintrag so gewählt wird, dass der bereits umgeschmolzene Bereich, d. h. die Schmelzbahn, bis zur Erzeugung der darauf folgenden Schmelzbahn nicht bis zum kritischen Bereich gekühlt wird, damit kein Sekundärgrafit beim Wiedererwärmen aus diesem Bereich heraus und beim anschließenden Abkühlen ausgeschieden wird, d. h. daß kein zyklisches Abkühlen und Erwärmen im kritischen Bereich erfolgt. So ist es auch möglich, die Schmelzbahnen in mehreren Umläufen nebeneinander zu erzeugen, nur muß die Geschwindigkeit der Umläufe, in denen mindestens eine Schmelzbahn erzeugt wird, so gewählt werden, dass die in einem Umlauf erzeugte oder erzeugten Schmelzbahnen bis zu der Zeit, in der die benachbarte Schmelzbahn erzeugt wird, so kurz ist, dass die vorher erzeugte Schmelzbahn nur bis zur Obergrenze des Temperaturbereiches Tko der Kritischen Temperatur in dem sich Sekundärgrafit bilden kann, abkühlt.

Eine weitere vorteilhafte Variante des Verfahrens besteht darin, die Schmelzbahnen bei gekrümmten Oberflächen, wie Laufflächen der Nocken, nicht rechtwinklig zur Drehachse in einem oder mehreren Umläufen zu erzeugen, sondern die Schmelzbahnen mäanderförmig zu erzeugen. Die einzelnen Schleifen der Mäander verlaufen dabei in Richtung der Drehachse. Dabei darf die jeweils vorher erzeugte Schleife in ihrer Abkühltemperatur nicht in den Bereich der kritischen Temperatur gelangen, ehe die nächste Schleife entsteht.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Schmelzbahnen mit einem Elektronenstrahl erzeugt werden.

Es ist auch möglich, unter gleichen Temperaturbedingungen quasi gleichzeitig mehrere Schmelzbahnen mäanderförmig zu erzeugen.

An zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung beschrieben.

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 die Temperaturverläufe bei einem Umlauf mit verschiedenen Abkühlgeschwindigkeiten,

Fig. 2 den Temperaturverlauf bei mehreren Umläufen,

Fig. 3a Schmelzbahnen bei einem Umlauf im Schnitt,

Fig. 3b Schmelzbahnen bei mehreren Umläufen im Schnitt,

Fig. 4 Schmelzbahnen quasi gleichzeitig in einem Umlauf im Schnitt,

Fig. 5 den Temperaturverlauf beim gleichzeitigen Erzeugen aller Schmelzbahnen,

Fig. 6 ein Ausschnitt als Draufsicht auf der Lauffläche eines Nockens,

Fig. 7 den Temperaturverlauf bei mäanderförmiger Schmelzbahn.

Die Oberfläche eines Werkstückes 1 wird erfindungsgemäß im Bereich B über eine bestimmte Breite durch Umschmelzen mittels eines Elektronenstrahl ES gehärtet.

Es werden mit dem Elektronenstrahl ES wie in Fig. 4 gezeigt, mehrere Schmelzbahnen S nebeneinander, sich überlappend quasi gleichzeitig erzeugt. Mittels bekannter Ablenksteuerungen wird die hochfrequente Ablenkung realisiert.

Die schraffierten Bereiche zwischen den Schmelzbahnen gelangen nicht in den Bereich der kritischen Temperatur, d. h. unter Tko, weil sie quasi gleichzeitig entstehen.

Durch diese Verfahrensvariante erfolgt ein Temperaturverlauf nach Kurve IV in Fig. 5, in dem die Temperatur durch die quasi gleichzeitige Erzeugung aller Schmelzbahnen S oberhalb der Schmelztemperatur Ts erreicht wird, und die umgeschmolzenen Bereiche (auch die von 2 Bahnen gleichzeitig überlappend) von dieser Temperatur kontinuierlich über den kritischen Bereich (ohne Wiedererwärmung) mit einer Abkühlgeschwindigkeit < kritische Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt werden.

Auf der Lauffläche 2 eines Nockens ist in Fig. 6 gezeigt, wie diese Lauffläche durch mäanderförmig erzeugte Schmelzbahnen S umschmelzgehärtet wird. Dabei muß erfindungsgemäß die Geschwindigkeit des Elektronenstrahles so hoch gewählt werden, daß die Temperatur einer Schleife der Mäander beim Erzeugen der nächsten Schleife nicht in den Bereich der kritischen Temperatur Tk abkühlt und wieder aufheizt. Den Temperaturverlauf zeigt Fig. 7.

Claims (5)

1. Verfahren zum Umschmelzen von Oberflächen mittels Ladungsträgerstrahlen zur Randschichthärtung von Werkstücken, indem mit dem Ladungsträgerstrahl, der zweidimensional hochfrequent abgelenkt wird, auf der umschmelzzuhärtenden Oberfläche nebeneinander Schmelzbahnen erzeugt werden und der Verlauf der Schmelzbahnen der Geometrie des zu härtenden Oberflächenbereiches angepaßt wird, dadurch gekennzeichnet, dass alle Schmelzbahnen über den Bereich der zu härtenden Oberfläche mit dem Ladungsträgerstrahl quasi gleichzeitig erzeugt werden.

2. Verfahren zum Umschmelzen von Oberflächen mittels Ladungsträgerstrahlen zur Randschichthärtung von Werkstücken, indem mit dem Ladungsträgerstrahl, der zweidimensional hochfrequent abgelenkt wird, auf der umschmelzzuhärtenden Oberfläche nebeneinander Schmelzbahnen erzeugt werden und der Verlauf der Schmelzbahnen der Geometrie des zu härtenden Oberflächenbereiches angepaßt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in mehreren Umläufen mindestens eine Schmelzbahn erzeugt wird und dabei die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Energiestrahl und dem Werkstück so gewählt werden, dass die ein einem vorangegangenen Umlauf erzeugte Schmelzbahn beim Erzeugen der sich daran anschließenden nächsten Schmelzbahn im folgenden Umlauf nicht so weit abkühlt, dass die kritische Temperatur, unter der sich Sekundärgrafit ausbilden kann, erreicht wird und von dort wieder erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzbahnen mäanderförmig erzeugt werden und dabei die Geschwindigkeit für die Erzeugung der Schmelzbahn so gewählt wird, daß die Temperatur einer erzeugten Schleife bis zur sich anschließenden nächsten Schleife nicht in den kritischen Bereich gelangt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass quasi gleichzeitig mehrere Schmelzbahnen nebeneinander mäanderförmig erzeugt werden und in einem Durchlauf erzeugte Schleifen beim Erzeugen der nächsten Schleifen zwischenzeitlich nicht so weit abgekühlt sind, dass deren Temperatur im kritischen Bereich ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzbahnen mit einem Elektronenstrahl erzeugt werden.