BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer gehärteten Oberflächenschicht an Werkstükken aus hochkohlenstoffhaltigen Werkstoffen mittels Umschmelzhärtung, derart, dass mindestens durch die Einwirkung eines Energiestrahles eine Schmelzbahn erzeugt wird, wobei sowohl das Werkstück als auch der Plasmastrahl unabhängig voneinander bewegt werden. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Veredelung von Werkstücken aus Gusseisen ist es bereits bekannt, die Oberfläche des Werkstückes durch
Umschmelzen zu Härten. Aus der DE-OS 28 24 373 ist ein
Umschmelzhärteverfahren bekannt, bei dem mittels eines
Energiestrahles (Lichtbogen) die Oberfläche einer Nocken welle zumindest im Bereich der Nockenflächen gehärtet wird.
Die Nockenwelle weist im Gusszustand ein normales ferritisch-perlitisches Gefüge auf und wird durch das Umschmelzhärten an der Oberfläche der Nocken in ein ledeburitisches
Gefüge umgewandelt.
Ledeburit ist das Eutektikum des metastabilen Fe-C-Sy stems und besteht im kalten Zustand, das heisst unter 7230 C dem Umwandlungspunkt des Austenits in Perlit, aus einer feinen Mischung von Zementit und Perlit.
Ferner ist aus der DE-OS 28 11 400 ein Verfahren zum Umschmelzhärten von Werkstücken bekannt, bei dem das
Werkstück unter Wärmezuführung derart mit unterkritischer
Geschwindigkeit der Abkühlung überlassen wird, das für unterhalb der ledeburitisch erstarrten Schicht des Werkstükkes liegende ganz oder teilweise austenitisierte Bereiche ein unterkritischer zeitlicher Temperaturverlauf entsteht.
Nachteilig bei diesem Verfahren wirkt sich vor allem der Vor- und Nachwärmevorgang aus. Das Werkstück wird in einer Nachwärmstation, zum Beispiel einem Ofen zur Herabsetzung der Abkühlungsgeschwindigkeit einer Wärmezuführung unterzogen. Dieser Vorgang wird gegebenenfalls mehrfach wiederholt, was zeit- und kostenintensiv ist.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren zur Umschmelzhärtung bereitzustellen, mit dem definierte Härtetiefen, -breiten und -gefüge erzeugt werden können, und ohne Vorwärmung martensitische Übergangszonen im wesentlichen vermieden werden können, als Voraussetzung für die Verhinderung von Unternahtrissigkeit.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Lehre des Anspruches 1 gelöst.
Anhand der beigelegten Figur wird die Erfindung näher erläutert.
Die Figur zeigt im Schema die Einrichtung zur Umschmelzhärtung.
Die Einrichtung weist ein Plasmaschweissgerät 2 auf, wie es aus dem Stand der Technik her bekannt ist, wobei zusätzlich eine Halte- 8 und eine Antriebseinrichtung 9 für das zu härtende Werkstück 5 vorhanden ist.
Um den Austrittskanal 3 für den Plasmastrahl 4 sind Elektromagnete 7 angeordnet, welche den elektrisch geladenen Plasmastrahl mittels der Ansteuerung 12 der Spulen 11 in beliebige Richtungen ablenkbar machen. Der Plasmastrahl wird zweidimensional hin und her geführt, wobei gleichzeitig das Werkstück 5 langsam bewegt wird, so dass der Auftreffpunkt des Plasmastrahles 4 auf dem Werkstück 5 ein Schmelzbad erzeugt, welches hinter dem Eingriffsbereich des Plasmastrahles kontinuierlich erstarrt und eine Härteschicht 6 bildet. Es entstehen keinerlei Überlappungen, die nach dem Erstarren durch die Wärmeeinflusszone des Plasmastrahles wieder graphitisiert werden.
Mittels einer Steuereinrichtung 10 wird die Frequenz der Oszillation des Plasmastrahles 4 und der Vorschub der Antriebseinrichtung 9 aufeinander abgestimmt. Das bedeutet, dass die Breite und Tiefe der aufgeschmolzenen und wieder erstarrten Spur durch das Zusammenspiel von Stromstärke, Verweilzeit und Ablenkung des Plasmastrahles geregelt werden.
Durch dieses Vorgehen wird die pro Volumenelement eingebrachte Wärmeenergie derart gesteuert, dass im Werkstück unterhalb der Umschmelzschicht, die ledeburitisch erstarrt ein Vorwärmeeffekt erzielt wird. Die Wärmeführung unterhalb der Schmelzbahn wird so gesteuert, dass die Anfangstemperatur der Martensitbildung während des Umschmelz vorganges nicht unterschritten wird. Das führt dazu, dass die Abkühlung in der Übergangszone verzögert und dadurch die Martensitbildung weitgehend verhindert wird.
Wegen der hohen Kohlenstoffanteile der verwendeten Werkstoffe ist unter der Einwirkung der hohen Temperatur des Plasmastrahles mit starker Gasbildung zu rechnen. Man muss daher der Entstehung von Poren an der Oberfläche der erstarrten Schmelzbahn entgegenwirken, was insbesondere durch die Steuerung des Vorschubes geschieht.
Es wurden Rundproben mit 33 mm aus GGG-40 umschmelzgehärtet. Die Teile wurden nicht vorgewärmt. Es wurden die nachfolgenden Bedingungen eingestellt und folgende Ergebnisse erreicht:
Beispiel 1 Beispiel 2 Plasmastrom 200 A 100 A Plasma-Gas Argon: 0,4 I/min Argon: 0,4 I/min Schutzgas Argon + 7% H2:8 Argon:
12 I/min 1/min Plasmabogen Auslenkstrom 5 A 4 A Pendelfrequenz 5 H2 20 H2 Phasenwinkel 0 0 Brennerabstand 4 mm 4 mm Umschmelzgeschwindigkeit 3,8 mm/s 1 mm/s Umschmelzbreite 21 mm 13 mm Umschmelztiefe 1,2 mm 1,2 mm Umschmelzgefüge feinkörniger feinkörniger
Ledeburit Ledeburit Härte des Gefüges48-5 1 HRc 47-51 HRc
Mittels des beschriebenen Verfahrens ist es möglich, die Porenbildung an der Oberfläche der erstarrten Umschmelzspur zu verhindern, welche bei der Verwendung bisheriger Umschmelzhärteverfahren schwer zu unterdrücken war. Der beschriebene Vorwärmeeffekt im Wärmeeinflussbereich wirkt der grossen Abkühlungsgeschwindigkeit entgegen.
Ferner verhindert er die Umwandlung des auf Austenitisierungstemperatur erhitzten Wärmeeinflussbereiches in Martensit und damit die Neigung zu Unternahtrissigkeit.
Um bessere Verschleisseigenschaften an der Oberfläche des Werkstückes zu erzielen, können hochverschleissfeste Partikel, zum Beispiel Wolfram-Titankarbide, in die Schmelzbahn eingebracht werden. Zu diesem Zweck eignet sich unter anderem die Mitführung von pulverförmigen Karbidpartikeln mit dem Plasmastrahl. Die so eingebrachten Karbide verteilen sich gleichmässig in der umgeschmolzenen Zone und ergeben eine Härteschicht mit verbesserten Verschleisswerten.
DESCRIPTION
The present invention relates to a method for producing a hardened surface layer on workpieces made of high-carbon materials by remelt hardening, such that a melting path is generated at least by the action of an energy beam, both the workpiece and the plasma beam being moved independently of one another. The invention also relates to an apparatus for performing the method.
For finishing cast iron workpieces, it is already known to pass through the surface of the workpiece
Remelt to harden. From DE-OS 28 24 373 is a
Remelt hardening process known in which by means of a
Energy beam (arc) the surface of a cam shaft is hardened at least in the area of the cam surfaces.
When cast, the camshaft has a normal ferritic-pearlitic structure and is remelted into a ledeburitic structure by remelt hardening on the surface of the cam
Structure transformed.
Ledeburit is the eutectic of the metastable Fe-C system and consists of a fine mixture of cementite and pearlite in the cold state, i.e. below 7230 C the austenite's transition point to pearlite.
Furthermore, from DE-OS 28 11 400 a method for remelt hardening of workpieces is known, in which the
Workpiece with heat applied in such a way with subcritical
Is left to the rate of cooling, a subcritical temporal temperature curve is created for areas that are completely or partially austenitized below the ledeburitically solidified layer of the workpiece.
The disadvantage of this method is that the preheating and post-heating processes have a particular impact. The workpiece is subjected to heat in a post-heating station, for example an oven, in order to reduce the cooling rate. This process may be repeated several times, which is time and cost intensive.
The present invention has for its object to provide a method for remelt hardening, with the defined hardness depths, widths and structure can be generated, and martensitic transition zones can be substantially avoided without preheating, as a prerequisite for the prevention of undercutting.
According to the invention, this object is achieved by the teaching of claim 1.
The invention is explained in more detail with the aid of the attached figure.
The figure shows the device for remelt hardening in the diagram.
The device has a plasma welding device 2, as is known from the prior art, a holding device 8 and a drive device 9 being additionally provided for the workpiece 5 to be hardened.
Arranged around the outlet channel 3 for the plasma jet 4 are electromagnets 7, which make the electrically charged plasma jet deflectable in any direction by means of the control 12 of the coils 11. The plasma jet is guided back and forth in two dimensions, at the same time the workpiece 5 is slowly moved, so that the point of impact of the plasma jet 4 on the workpiece 5 creates a weld pool which solidifies continuously behind the area of engagement of the plasma jet and forms a hardness layer 6. There are no overlaps that are graphitized again after solidification through the heat-affected zone of the plasma jet.
The frequency of the oscillation of the plasma jet 4 and the feed of the drive device 9 are matched to one another by means of a control device 10. This means that the width and depth of the melted and re-solidified track are regulated by the interplay of current strength, dwell time and deflection of the plasma beam.
This procedure controls the thermal energy introduced per volume element in such a way that a preheating effect is achieved in the workpiece below the remelting layer, which solidifies under ledeburitic conditions. The heat conduction below the melting path is controlled so that the initial temperature of the martensite formation during the remelting process is not fallen below. As a result, cooling in the transition zone is delayed and martensite formation is largely prevented.
Due to the high carbon content of the materials used, strong gas formation can be expected under the influence of the high temperature of the plasma jet. It is therefore necessary to counteract the formation of pores on the surface of the solidified melting path, which is done in particular by controlling the feed.
Round samples of 33 mm made of GGG-40 were remelt-hardened. The parts were not preheated. The following conditions were set and the following results were achieved:
Example 1 Example 2 Plasma current 200 A 100 A Plasma gas Argon: 0.4 I / min Argon: 0.4 I / min Shielding gas Argon + 7% H2: 8 Argon:
12 I / min 1 / min plasma arc deflection current 5 A 4 A pendulum frequency 5 H2 20 H2 phase angle 0 0 torch distance 4 mm 4 mm remelting speed 3.8 mm / s 1 mm / s remelting width 21 mm 13 mm remelting depth 1.2 mm 1.2 mm remelting structure fine-grained fine-grained
Ledeburit Ledeburit Hardness of structure 48-5 1 HRc 47-51 HRc
By means of the described method it is possible to prevent the formation of pores on the surface of the solidified remelting track, which was difficult to suppress when using previous remelting hardening processes. The described preheating effect in the heat affected area counteracts the high cooling rate.
It also prevents the transformation of the heat-affected area heated to the austenitizing temperature into martensite and thus the tendency to under-cracking.
In order to achieve better wear properties on the surface of the workpiece, highly wear-resistant particles, for example tungsten titanium carbide, can be introduced into the melting path. For this purpose it is suitable, among other things, to carry powdered carbide particles with the plasma jet. The carbides thus introduced are distributed evenly in the remelted zone and result in a hardness layer with improved wear values.