DE19500879C1 - Verfahren und Einrichtung zum Oberflächenhärten von Werkstücken mittels Elektronenstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenhärten metallischer Werkstücke mit Elektronenstrahlen, vorzugsweise für solche Anwendungen, bei denen die Wärmekapazität des Werkstücks eine Durchführung der kompletten Härteaufgabe in mehreren Schritten mit zwischenzeitlicher Werkstückabkühlung erfordert. Ein typisches An­ wendungsgebiet der Erfindung ist das Oberflächenhärten von Teilen des Maschi­ nenbaus, wie z. B. die Mehrseitenhärtung von Führungsleisten.

Die Oberflächenhärtung mittels Elektronenstrahlen ist allgemein bekannt. Es wird in bekannter Weise die Oberfläche mit dem Elektronenstrahl gehärtet. Die eingebrachte Energie wird dabei in Wärme umgewandelt und führt zur Austeniti­ sierung des Werkstoffs in einer an die Oberfläche angrenzenden Randschicht. Durch Wärmeleitung wird die Wärme vom Einstrahlungsort in das Werkstückinne­ re abgeleitet. Die dadurch bewirkte Abkühlung der erwärmten Randschicht führt nach Beendigung des Energieeintrags zur Umwandlung des gebildeten Austenits in Martensit und damit zur Härtung der Randschicht. Diese Art der Abschreckung durch Wärmeleitung wird auch als Selbstabschreckung bezeichnet.

Es ist bekannt, daß nach der Einwirkung des Elektronenstrahls auf die Oberfläche des Werkstückes die dadurch gespeicherte Eigenwärme zu Anlaßeffekten führt, wenn das Werkstückvolumen gering ist (Neue Hütte 32 (1987) 4, S. 127-134). Durch diese Eigenwärme, insbesondere bei höheren Einhärtetiefen, kann eine martensitische Umwandlung nicht mehr erfolgen. Durch verfahrenstechnische und wärmebehandlungstechnische Maßnahmen wurde versucht, diesen Mangel zu beseitigen, indem die Werkstücke gekühlt werden. Diese Kühlung erfordert je­ doch relativ hohe Zeiten. Der Nachteil kommt besonders dann zur Auswirkung, wenn an einem Werkstück mehrere Teilflächen zu härten sind, da jeweils vor dem nächsten Härteschritt die Ausgangstemperatur erreicht sein muß.

Für die Qualität der gehärteten Randschicht spielt sowohl die Abkühlgeschwin­ digkeit, insbesondere bis zum Erreichen einer Temperatur von etwa 500°C, als auch die Temperatur, die sich nach Wärmeausgleich im Werkstück einstellt, eine Rolle. Ist erstere zu gering und/oder letztere zu hoch, kann durch die Bildung von Zwischenstufengefüge und/oder durch Selbstanlaßeffekt die Qualität der Härte­ schicht leiden. Beide Effekte können sich überlagern, da eine zu hohe Aus­ gleichstemperatur des Werkstücks gleichzeitig eine verminderte Abkühlge­ schwindigkeit zur Folge hat. Werden Werkstücke bei Ausführung der Mehrseiten­ härtung überhitzt, so ist es notwendig und üblich, die Werkstücke nach Härtung einer oder mehrerer Flächen aus der Anlage zum Oberflächenhärten mittels Elektronenstrahlen (Elektronenstrahlanlage) zu entnehmen und erst nach hinreichender Abkühlung die Werkstücke erneut in die Elektronenstrahlanlage einzubringen, um die Mehrseitenhärtung, d. h. die Härtung einer weiteren Seite, fort­ zusetzen. Das gleiche gilt für den verfahrensbedingt, erwärmten Werkstückträger. Bei sofortiger Neubestückung mit Werkstücken führt die Erwärmung der Werk­ stücke durch den Werkstückträger zur Verminderung der für die Selbstabschreckung erforderlichen Temperaturdifferenz und damit zur negativen Beeinflussung der Oberflächenhärtung.

Bei der üblichen Abkühlung der Werkstücke von 100°C-300°C auf etwa Raum­ temperatur beträgt die erforderliche Zeitdauer oft ein Mehrfaches der Zykluszeit der Elektronenstrahlanlage, welche sich aus den Zeiten für den Werkstückwechsel, der Evakuierung, der Prozeßdurchführung und des Belüftens ergibt. Insbesondere bei der Härtung von Kleinserienteilen kann durch diese zeitauf­ wendige Verfahrensweise die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens belastet bzw. in Frage gestellt werden.

Der am Beispiel des Oberflächenhärtens erläuterte Stand der Technik kann auch für andere Aufgaben der thermischen Oberflächenmodifikation mit Energiestrah­ len eine Rolle spielen.

Es ist bekannt, daß Werkstücke im Rahmen von Wärmebehandlungen zum Errei­ chen einer hohen Härte forciert abgeschreckt werden. Als Kühlmittel werden dazu Fluids und/oder Gase verwendet, die auf das zu härtende Werkstück durch Sprü­ hen oder Spritzen aufgebracht werden (DE-OS 38 09 645 A1). Bei der Verwen­ dung dieses Abschreckverfahrens in der beschriebenen Art und Weise zur Zwi­ schenabkühlung elektronenstrahlgehärteter Werkstücke besteht die Gefahr, daß die Werkstücke nach der Zwischenabkühlung mit Kühlmittelresten behaftet sind.

Weiterhin ist bekannt, daß Werkstücke in Vakuumöfen erwärmt und anschließend in Kühlkammern abgeschreckt werden (DE-OS 33 44 768). Dieses Verfahren besitzt den Nachteil, daß es einen hohen gerätetechnischen Aufwand, z. B. für Kühlkammern, Schleuse und Werkstücktransport erfordert.

Ein weiterer Nachteil bekannter Abschreckverfahren liegt darin, daß sie nicht schnell genug auf den Bereich der Raumtemperatur abschrecken, sondern nur bis in einen Temperaturbereich führen, in dem keine weiteren wesentlichen Gefüge­ änderungen stattfinden. Die Abschreckung wird also nur bis in einen zur Raum­ temperatur deutlich erhöhten Temperaturbereich durchgeführt. Es wird die beim Härten mit Energiestrahlen erforderliche Abkühlung der Werkstücke auf etwa Raumtemperatur nicht erreicht.

Andere Abschreckverfahren, die bis Raumtemperatur geführt werden, haben den Nachteil, daß dazu Fluids verwendet werden, die in Resten auf der Werkstücko­ berfläche verbleiben können, was einer unverzüglichen Weiterbehandlung im Elektronenstrahlprozeß im Wege steht. Desweiteren kann es beim Abschrecken mit Wasser zu Korrosionsschäden kommen, wenn die Werkstücke nach Beenden der Abkühlung eine nasse Oberfläche besitzen. Soll diese Gefahr ausgeschlossen werden, müssen die Werkstücke zusätzliche Trocknungsstationen durchlaufen. Dadurch wird der technologische Aufwand in unerwünschtem Maße weiter erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, die es gestatten, Werkstücke, die einer Oberflächenhärtung mit Elektronenstrahlen, in mehren Schrit­ ten zu unterziehen sind und den Werkstückträger, in kurzer Zeit auf etwa Raum­ temperatur abzukühlen, ohne das den Werkstücken und dem Werkstückträger Kühlmittelrückstände anhaften und ohne daß eine zusätzliche Trocknung der Werkstücke und des Werkstückträgers erforderlich wird. Die Lösung der Aufgabe soll insbesondere auch mit Chargenanlagen zur Oberflächenhärtung mit Elektronenstrahlen kompatibel sein und eine Werkstückabkühlung in­ nerhalb einer Zykluszeit der Elektronenstrahlanlage ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 aufgeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Werkstücke und der Werkstückträger nach der Wärmebehandlung einer oder mehrerer Fläche des Werkstücks mit Elektronenstrahlen, in einer Zeitspanne, die gleich oder kürzer der Zykluszeit ist, für die Weiterführung der Wärmebehandlung der nächsten Flä­ che zur Verfügung stehen. Der Einsatz von gasförmigen und flüssigen Kühlmitteln bedingt ein deutliches Herabsetzen der Kühlzeit gegenüber reiner Gaskühlung. Als Kühlmittel dienen vorzugsweise Luft und Wasser. Das Wasser wird dabei zerstäubt und intervallweise in den Luftstrom eingebracht, mit dem die Werkstücke in der Kühlstation beaufschlagt werden. Durch ein Verlängern der Intervallpau­ sen für die Zuführung des flüssigen Kühlmediums ab einer bestimmten Tempera­ tur wird ein Abtrocknen der Werkstücke und des Werkstückträgers bis zum Ende des Kühlprozesses bewirkt.

Die Art und Weise des Kühlmitteleinsatzes ermöglicht eine schnelle Kühlung oh­ ne Gefügeumwandlungen, bei der Verwendung von Wasser, ohne die oben be­ schriebenen Nachteile.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehöri­ gen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 einen Grundriß einer Anlage zum Härten von Werkstücken, bestehend aus Elektronenstrahlanlage und Kühlstation,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Kühlstation.

Neben der in Fig. 1 dargestellten Elektronenstrahlanlage 1 befindet sich eine Kühl­ station 2, welche über eine Transporteinrichtung 3 verbunden sind. An der Trans­ porteinrichtung 3 ist eine Beschickungsstation 4 angeschlossen.

Die in der Elektronenstrahlanlage 1 in bekannter Weise mit dem Elektronenstrahl gehärteten Werkstücke 5 werden, nachdem sie auf einer Fläche gehärtet wurden, auf einem Werkstückträger 6 über die Transporteinrichtung 3 in die Kühlstation 2 eingebracht. Gleichzeitig werden in der Elektronenstrahlanlage 1 die nächsten Werkstücke 5 gehärtet. Nach erfolgter Abkühlung auf Temperaturen 40°C wer­ den die Werkstücke 5 wieder über die Transporteinrichtung 3 in die Elektronen­ strahlanlage 1 zum Härten der nächsten Flächen eingebracht, nachdem die gera­ de gehärteten Werkstücke 5 auf einem Werkstückträger 6 aus der Elektronenstrahl­ anlage 1 zur Kühlstation 2 gebracht wurden. Die Beschickungsstation 4 dient dem Bestücken der Werkstückträger 6 nach erfolgter Wärmebehandlung und zur Be­ reitstellung der nächsten Werkstücke 5.

In Fig. 2 ist die Kühlstation 2 dargestellt. Ein Gebläse 7 ist darin so angeordnet, daß der von ihm erzeugte Kühlgasstrom 8 (Luft) das Werkstück 5 und den Werk­ stückträger 6 beaufschlagt. Die Kühlluft kann durch eine Öffnung 9 entweichen.

Desweiteren ist eine Zuführung 10 für zerstäubtes Wasser so angebracht, daß es das Werkstück 5 und den Werkstückträger 6 beaufschlagt. Die an der Öffnung 9 für den Austritt der Kühlluft und der Eintrittsöffnung 11 für die Kühlluft angeordne­ ten Sensoren 12 und 13 dienen der Ermittlung des Dampfdrucks. Die intervallweise Zufuhr des zerstäubten Wassers erfolgt nach Maßgabe der Dampfdruckdifferenz der der Kühlstation 2 zu- und abgeführten Luft. Die Zufuhr des zerstäubten Wassers wird mittels der Steuereinrichtung 14 geregelt. Die Wasserzuführung wird ganz unterbrochen, wenn die Abkühlung auf eine bestimm­ te Temperatur, z. B. 60°C, fortgeschritten ist. Als Maß für die Abkühlung wird dabei auf die Temperaturdifferenz zwischen Zu- und Abführung der Luft zurückgegriffen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Oberflächenhärten von Werkstücken mittels Elektronen­ strahlen, bei denen mindestens zwei Teilflächen gehärtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke nach dem Erwärmen und Selbstab­ schrecken innerhalb der erforderlichen Härtezeit einer Teilfläche dem Re­ zipienten entnommen werden, zunächst durch die Kombination eines Kühl­ gasstromes mit einem zerstäubten Fluid abgekühlt, danach mit Hilfe des Kühlgasstromes getrocknet und schließlich zur Härtung der nächsten Teilfläche in den Rezipienten zurückgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlgas Luft verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid Was­ ser verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Men­ ge der Fluidzufuhr und/oder die Länge der Zeitintervalle der Fluidzufuhr nach Maßgabe der Dampfdruckdifferenz des Fluids zwischen Kühlgaszu- und -abfuhrstrom der Kühlstation geregelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die In­ tervallpausen mit zunehmender Temperaturabnahme der Werkstücke ver­ größert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die In­ tensität von Kühlgasstrom und Fluidzufuhr nach Maßgabe der abzuführen­ den Wärmemenge und verfügbaren Kühlzeit gewählt wird.

7. Einrichtung zum Oberflächenhärten von Werkstücken mittels Elektronenstrahlen, bestehend aus einer Elektronenstrahlanlage, die über eine Transporteinrichtung mit einer Kühlstation verbunden ist, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlstation (2) ein Gebläse (7) und eine Zuführung (10) zur Zerstäubung und Beimischung eines Fluids in den auf die Werkstücke (5) gerichteten Kühlgasstrom (8) angeordnet sind und daß die Kühlstation (2) bis auf die Eintrittsöffnung (11) für das Kühlgas und die Öffnung (9) für den Austritt des Kühlgases geschlossen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ein­ trittsöffnung (11) und der Öffnung (9) Sensoren (12; 13) zur Bestimmung des Dampfdrucks des Kühlgases angeordnet sind, die ihrerseits mit einer Steuereinrichtung (14) für das Gebläse (8) und die Zuführung (10) verbun­ den sind.