Verfahren zur Oberflächenhärtung von Gusseisen Der Sinn einer Oberflächenhärtung ist grundsätz lich der, ein an sich zähes Werkstück mit einer mög lichst harten Randzone von geringer Tiefe auszustat ten. Auf diese Weise wird die Bruchsicherheit des Werkstückes als Ganzes vereinigt mit einem hohen Verschleisswiderstand seiner Randzone, wie dies für eine grosse Reihe von Verwendungszwecken erwünscht ist. Als Beispiele mögen hier nur Zahnräder, Kurbel wellen, Nockenwellen und Getriebebolzen genannt werden.
Die Oberflächenhärtung von Stahl wird in grossem Umfang angewendet. Es gehört hierher das bekannte Einsatzhärten, bei dem man einen an sich verhältnis mässig kohlenstoffarmen Stahl zunächst in seiner Randzone an Kohlenstoff, den man eindiffundieren lässt, anreichert. Sodann wird das Werkstück durch Erhitzen in das Austenitgebiet gebracht und abge schreckt, wobei die an Kohlenstoff genügend angerei cherte Randzone den harten Martensit gibt, während der kohlenstoffarme Kern nur wenig härter wird und jedenfalls genügend zäh bleibt.
Eine andere Methode der Oberflächenhärtung be steht darin, dass man das Werkstück als Ganzes aus einem Stahl herstellt, dessen C-Gehalt (in Abstim mung mit dem allfälligen Gehalt an Legierungsele menten) von Haus aus hoch genug ist, dass man beim Abschrecken aus dem Austenitgebiet einen harten Martensit bekommt.
Damit sich aber diese Martensit- bildung nur auf die Randzone von gewünschter gerin ger Tiefe erstreckt, wird nur diese allein vor dem Ab schrecken auf Austenittemperatur erhitzt; dies ge schieht durch eine besonders intensive, aber nur kurz zeitige Erhitzung der Randzone, die keine Zeit lässt, dass durch Wärmeleitung auch das Innere des Werk stückes in das Temperaturgebiet der Austenitbildung steigt, sondern es bei einer Wärmestauung in der Randzone verbleibt.
Diese intensive und kurzzeitige Wärmezufuhr in die Randzone erfolgt praktisch ent weder durch die sehr heisse Flamme eines Autogen brenners oder durch Induktionsheizung mit hochfre- quentem Wechselstrom, die bekanntlich, in Abhängig keit von der Frequenz, eine sehr hohe Stromdichte und Erwärmung nur in der Randzone von bestimmter Tiefe liefert, während im Kern die Stromdichte und Erwärmung gering bleibt.
Die Austenitisierungstem- peratur wird somit nur in der Randzone überschritten, und es bekommt beim nachfolgenden Abschrecken nur diese Randzone das Martensitgefüge und die Mar- tensithärte, während der Kern ungefähr auf jener mässigen Härte und daher genügend hohen Zähigkeit verbleibt, die dem Stahl im Normalzustand in Ab hängigkeit von seinem Kohlenstoff- und Legierungs gehalt entspricht.
Wenn man vom Werkstoff Stahl zum Werkstoff Gusseisen übergeht, so ist grundsätzlich von Haus aus immer bereits ein hoher Kohlenstoffgehalt gegeben. Es wäre sinnlos, Kohlenstoff noch zusätzlich in die Randzone eindiffundieren zu lassen, wie dies beim Einsatzhärten von kohlenstoffarmem Stahl geschieht. Hingegen sind die Voraussetzungen für eine autogene oder induktive Oberflächenhärtung an sich gegeben, und man macht von ihr auch tatsächlich Gebrauch.
Die Erfahrung hat allerdings gelehrt, dass auf diese Weise nur dann ein genügend harter Martensit in der Randzone erzielt werden kann, wenn ein genügender Teil des Kohlenstoffes dort in Form von Eisenkarbid (Zementit), neben dem Anteil von Kohlenstoff in Elementarform (Graphit), vorliegt.
Denn nur der kar- bidische Anteil des Kohlenstoffes löst sich bei der autogenen oder induktiven Erhitzung der Randzone wirklich genügend rasch im Austenit auf, so dass die ser genügend kohlenstoffreich ist und beim Ab- schrecken einen harten Martensit liefert. Der elemen tare (graphitische) Anteil des Kohlenstoffes braucht hingegen zu seiner Auflösung im Austenit längere Zeit.
Eine länger dauernde Erhitzung führt aber un vermeidlich dazu, dass durch die Wärmeleitung auch die tieferliegenden Zonen des Werkstückes auf Au stenittemperatur kommen, so dass beim Abschrecken nicht mehr nur eine seichte Randzone erfasst wird und jedenfalls die Zähigkeit des ganzen Werkstückes sehr leidet. Auch führt ein längerdauerndes Halten im Austenitgebiet unmittelbar vor dem Abschrecken an sich zu einem groben, spröden Gefüge im martensi- tisch werdenden Teil.
Es wurde schon versucht, durch eine vorbereitende Glühung den Gehalt an gebunde nem Kohlenstoff so weit zu erhöhen, dass bei nachfol gender Abschreckung eine wesentliche Härtesteige- rung auftritt, doch erwiesen sich die Erhitzungszeiten entweder als zu kurz, so dass noch Ferritreste in der Grundmasse verblieben, oder es war die gehärtete Schicht zu dick.
Besonders praktische Bedeutung kommt den ge- schilderten Verhältnissen bei Gusseisen mit Kugelgra phit zu. Wenn dieses mit ferritischer oder halbferri- tischer Grundmasse erzeugt wird, besitzt es eine hohe, dem Stahl nahe kommende Zähigkeit und ist daher (unter Berücksichtigung seiner form- und giesstech nisch überlegenen Eigenschaften) ein Werkstoff, der den Stahl mit Vorteil zu ersetzen vermag.
Für hochbeanspruchte Teile, wofür eingangs Zahnräder, Kurbelwellen, Nockenwellen und Ge triebebolzen als Beispiele aufgezählt wurden, ergibt sich bei Anwendung der autogenen oder induktiven Oberflächenhärtung die Schwierigkeit, dass das ferri- tische oder halbferritische Gusseisen, insbesondere Sphäro-Guss, fast keinen oder jedenfalls zu wenig Kohlenstoff in Form von Karbid enthält und es daher erfahrungsgemäss äusserst schwierig ist, eine ausrei chend harte Martensitrandzone beim Autogen- oder Induktionshärten zu erzielen.
Hingegen ist es be kannt, dass ein Gusseisen mit perlitischer Grundmasse, insbesonders wieder solches mit Kugelgraphit, sehr gut durch autogene oder Induktionshärtung auf eine hochharte martensitische Randzone gebracht werden kann. Der praktischen Verwertung steht aber die Tat sache entgegen, dass Gusseisen mit perlitischer Grund masse, auch wenn der Kohlenstoff in Form von Ku gelgraphit vorliegt, eine nur geringe Zähigkeit auf weist, die jener von Stahl stark unterlegen ist.
Werk stücke aus Gusseisen mit perlitischer Grundmasse und Kugelgraphit würden daher zwar nach Autogen- oder Induktionshärtung eine erwünscht harte Martensit- randzone bekommen, ihr Kern aber und damit das Werkstück als Ganzes, würden so wenig zähe sein, dass ihre Anwendung für Zahnräder usf. in der Regel nicht möglich wäre.
Man hat versucht, dieses Problem durch eine kurzzeitige Überhitzung beim Brennhärten zu lösen, welche sich beim Härten von Gusseisen mit Kugelgraphit im Gegensatz zum Härten von gewöhn lichem Gusseisen durchführen lässt. Hiedurch konnte zwar die Härte wesentlich gesteigert werden, jedoch infolge der Unmöglichkeit, mit diesem Verfahren den gesamten Ferrit durch Aufkohlen in Perlit überzufüh ren, lässt sich der Höchstwert an Härte nicht erreichen.
Abgesehen davon wird durch die verbleibenden Fer- ritanteile das Gefüge und damit die Härte ungleich mässig.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Verfahren zur autogenen oder induktiven Oberflächenhärtung von Gusseisen, insbesondere Gusseisen mit Kugelgra phit, mit ferritischer oder halbferritischer Grund masse, wobei durch eine Oberflächenerwärmung in der zu härtenden Zone durch Auflösung von freiem Kohlenstoff, z.
B. von Graphit, zunächst ein wenig stens annähernd perlitisches Gefüge hergestellt und alsdann oberflächlich auf Härtetemperatur gebracht und abgeschreckt wird, zu schaffen, und die Erfin dung besteht hiebei darin, dass die oberflächliche Er wärmung zwecks Auflösung von Graphit mehrmals durchgeführt und dazwischen langsam abgekühlt wird. Hierauf kann dann in bekannter Weise die autogene oder induktive Oberflächenhärtung erfolgen.
Man kann auf diese Weise Werkstücke aus Gusseisen, ins besondere aus Kugelgraphit-Gusseisen herstellen, deren Grundmasse ferritisch oder halbferritisch ist und die daher ausreichend zähe sind, die aber zugleich in ihrer Randzone genau an den gewünschten Stellen und genau auf die gewünschte Tiefe die Vorausset zung besitzen, dass sie bei der kurzzeitigen Erhitzung in das Austenitgebiet, wie diese bei der Autogen- oder Induktionshärtung nur möglich ist, bereits einen so kohlenstoffreichen Austenit ergeben, dass beim Ab schrecken die gewünschte hochharte martensitische Randzone entsteht.
Das Werkstück hat somit, als Ganzes gesehen, ferritische oder halbferritische Grundmasse, während in der Randzone an den zu härtenden Stellen und un gefähr in der zu härtenden Tiefe eine völlig oder prak tisch reinperlitische Grundmasse geschaffen wird, wel che eine Härtung ermöglicht.
Bei einer beispielsweisen praktischen Durchfüh rung des Verfahrens geht man somit von einem Werk stück aus Gusseisen, insbesondere aus Kugelgraphit- Gusseisen, mit ferritischer oder halbferritischer Grund masse aus, das in seinen Zähigkeitseigenschaften den Ansprüchen des Verwendungszweckes vollkommen genügt.
Nun wird durch kurzzeitige Autogen- oder Induktionserhitzung nur eine seichte Randzone, die nicht tiefer oder nicht nennenswert tiefer ist als die später im gehärteten Endzustand gewünschte marten- sitische Randzone, in Austenit übergeführt und dann zunächst verhältnismässig langsam abgekühlt (nicht abgeschreckt).
Hierbei wird wegen der kurzen Erhit- zungsdauer zunächst nur ein gewisser Anteil des gra- phitischen Kohlenstoffes im Austenit gelöst werden, der beim Abkühlen zwar Perlit liefert, aber noch nicht eine rein perlitische Grundmasse sichert. Nun wird nach Bedarf der Vorgang der kurzzeitigen Autogen- oder Induktionserhitzung ein- oder mehrmalig wieder holt.
Bei jeder Wiederholung wird auch nur die Rand zone in ungefähr jener Tiefe, die später im gehärteten Endzustand martensitisch gewünscht wird, in Auste- nit übergeführt.
Jedesmal wird sich von dem vorhan denen graphitischen Kohlenstoff ein weiterer Anteil im Austenit lösen und wird daher nach dem Abküh len unter Vermeidung eines Abschreckens ein Gefüge mit immer grösserem Perlitanteil der Grundmasse, und bei genügend oftmaliger Wiederholung des Vorganges schliesslich das gewünschte Gefüge in der Randzone mit praktisch rein perlitischer Grundmasse ergeben, wobei sich dieses auf jene Stellen, die man später mit martensitisch harter Oberfläche wünscht, sowie prak tisch auf jene Tiefe,
die später martensitisches Ge füge bekommen soll, beschränkt. Eine solche ein- oder mehrmalige Erhitzung in das Austenitgebiet mit anschliessender verhältnismässig langsamer Abkühlung hat zugleich die gefügeverfeinernde Wirkung einer sogenannten Normalglühung. Nach dieser Vorberei tung erfolgt in bekannter Weise die Autogen- oder induktive Oberflächenhärtung, das heisst,
es wird durch Autogen- oder Induktionserhitzung die vorher auf perlitisches Grundgefüge gebrachte Randzone auf die gewünschte Tiefe auf Abschrecktemperatur ge bracht und das Werkstück in einem geeigneten Ab schreckmittel abgeschreckt.
Die vorbereitende Erwärmung der Randzone, an die die verhältnismäss langsame Abkühlung ange schlossen wird und die zur Bildung des praktisch per- litischen Grundgefüges führt, wird zweckmässig mit den gleichen oder ähnlichen Mitteln (Autogenbrenner oder Hochfrequenzspule) vorgenommen, mit welchen dann abschliessend die Autogen- oder Induktionshär tung erfolgt.
<I>Beispiel</I> Für die Herstellung von Zahnrädern wird ein Gusseisen mit Kugelgraphit mit ferritischer Grund masse gewählt, dessen Brinellhärte sehr niedrig bei 140 kglmm2 liegt, was erfahrungsgemäss die ge wünschte hohe Zähigkeit sichert (Bruchdehnung d5 von mindestens 12 '/a,
Brucheinschnürung von minde- stens 1011/a Schlagbiegezähigkeit d'er ungekerbten Probe im Mittel mindestens 6 mkg/cm2).
Nun wird mit einer Hochfrequenzspule sechsmal hintereinander innerhalb von je etwa 14 Sek. die Randzone der Zahnflanken in das Austenitgebiet auf ungefähr 950 C erwärmt und anschliessend mit Press luft gekühlt (nach Erreichen von etwa 500 C zur Be schleunigung auch mit Wasser).
Durch diese Behand lung tritt keine martensitisohe Härtung ein, wohl aber erscheint nach jedem Abkühlen im Gefüge eine zu nehmende Menge von Perlit, bis schliesslich die Grundmasse der so vorbehandelten Randzone prak tisch rein perlitisch wird.
Dementsprechend steigt auch stufenweise die Brinellhärte der Randzone von 140 bis etwa 260 kg/mm2 fast gleichmässig an, d'er Kern des Gussstückes verbleibt aber weiter auf einer Brinell- härte von 140 kg/mn2. Nach dieser Vorbereitung wird nun mit der gleichen Hochfrequenz-Induktionsspule die Schlusserhitzung der Randzone, und zwar nur maxi mal auf die vorbereitete Tiefe, auf 880 C vorgenommen und das Werkstück in Wasser abgeschreckt.
Es wird nun an der Oberfläche eine Rc-Härte von 60 bis 62 Einheiten erzielt und in der Randzone auf die ge wünschte Tiefe das zugehörige martensitische Gefüge, während der Kern praktisch unverändert und jeden falls genügend zäh bleibt.