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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen extrem feinkörniger
metallischer Oberflächengefüge durch Hochfrequenzerhitzung, Laserstrahlerhitzung
oder Elektronenstrahlaufheizung mit einer Einwirkungszeit der Aufheizimpulse unter
0,1 sec.
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Insbesondere bei martensitischen Kohlenstoff-Stählen ist es bekannt,
daß durch Anwendung spontan erzeugter Wärmegrade möglichst dicht unter dem Schmelzpunkt
des Stahls und durch Ausnutzung der dann folgenden Selbstabschreckung infolge der
Wärmekapazität und Wärmeleitung des Werkstückes feinkörnige Härtegefüge erzeugbar
sind, wobei man bei Kohlenstoff-Stahl bereits Härtegrade von 64 Rc erzielte. Zur
Aufheizung der Oberfläche wird ein im Vakuum auf das zu härtende Werkstück örtlich
ein wirkender Elektronenstrahl benutzt. Dieser bekannte Stand der Technik ergibt
sich beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 880 311.
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Die Erfindung verbessert dieses an sich bekannte Verfahren derart,
daß noch feinere Gefüge und bei Anwendung auf härtbare Kohlenstoff-Stähle noch höhere
Härtegrade an der Oberfläche erzielt werden, wobei durch Ausnutzung des Erfindungsgedankens
bereits hochelastische Härtegefüge bis herauf zu 68 Rc-Härte gemessen werden konnten.
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Diese Verbesserung ergibt sich gemäß der Erfindung durch die Verwendung
von Leistungsimpulsen mit extrem steiler hinterer Flanke, vorzugsweise entsprechend
einer Abfallzeit von weniger als 1 0/o der Impulseinwirkzeit. Hierbei kann die Einschaltgeschwindigkeit
des aufheizenden Leistungsimpulses mit einem den Leistungsanstieg bremsenden Schaltmittel
geringer als die Abschaltgeschwindigkeit gemacht werden.
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Verwendet man eine rechteckige Leistungsprogrammierung durch spontanes
Ein- und Ausschalten, kann gemäß der Erfindung die Impulsform mit einer an sich
bekannten, aus Induktivitäten und Kapazitäten bestehenden Laufzeitkette festgelegt
werden.
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Vorzugsweise können zum Erzeugen von Impulsen mit nahezu senkrechtem
Leistungsabfall zwei gesteuerte Schaltmittel verwendet werden, von denen das eine
den Stromfluß zum Impulsgenerator freigibt und das andere das erste Schaltmittel
durch Erzeugung eines kurzzeitigen Spannungszus ammenbruchs abschaltet.
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Verwendet man eine Elektronenstrahlaufheizung, kann gemäß der Erfindung
die Verweilzeit des Elektronenstrahles auf der aufzuheizenden Werkstückoberfläche
mit vorzugsweise rechteckigem Profil durch an sich bekannte elektrostatische Ablenkung
des Elektronenstrahls mit schrittweiser Programmierung erfolgen.
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Weitere Einzelheiten zum Stand der Technik und zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung
und der erläuternden Zeichnung, die auch schematische Schaltungsbeispiele enthält.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 a eine Sinus-Halbwelle, wie sie nach
dem Stande der Technik zum Aufheizen verwendet wird, F i g. lb eine Entladungskurve
bei bekannter Aufheizung mit Kondensatorentladung, F i g. 2 a und 2b erfindungsgemäße
Aufheizimpulse, F i g. 3 a ein Schaltungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Hochfrequenz-Induktionsaufladung,
F
i g. 3 b ein erläuterndes Diagramm zu Fig. 3 a, F i g. 4 a ein Schaltungsbeispiel
für eine erfindungsgemäße Laserstrahl-Aufheizung und Fig. 4b ein erläuterndes Diagramm
zu Fig. 4 a.
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Zur Erzeugung der spontanen Aufheizung der Oberfläche ist es bekannt,
einen im sogenannten Phasenschnittverfahren gesteuerten großen elektrischen Induktionsgenerator
zu verwenden, der eine Sinus-Halbwelle des einspeisenden Stromnetzes gemäß Fig.
la früher oder später durch Einschalten eines Ignitrons zu den Zeiten t1 oder t2
benutzt, so daß der Strom zwar spontan, nahezu unendlich schnell, ansteigt, jedoch
im Verlaufe der Sinus-Halbwelle stetig bis zum Nullpunkt abfällt, wobei dann das
gezündete Ignitron in dem Schaltkreis erlischt.
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Speist man in bekannter Weise die Härteenergie durch eine Kondensatorentladung
ein, entsteht eine Entladungskurvenform gemäß Fig. lb nach Art einer e-Funktion.
Der Kondensator wird durch ein Schaltmittel spontan auf den Impulshochfrequenzerzeuger
entladen, wobei der zeitliche Verlauf des Innen-Widerstandes des Generators bzw.
ganzen Schaltkreises nach der Formel t = R C die Halbwertszeit t ergibt, worin R
der Innenwiderstand des Generators und C die Kapazität des benutzten Kondensators
ist.
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Die in F i g. 1 a und 1 b gezeigten Kurvenformen ergeben bereits
den bis heute als Grenzwert bei der praktischen Ausnutzung genannten Härtewert von
etwa 64 Rc.
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Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß das spontane
Abkühlen infolge Wärmeleitung im Werkstück hohe Härtegrade erzeugt. Dabei werden
erfindungsgemäß statt der Impulsformen nach Fig. la und 1b die in den Fig. 2a und
2b dargestellten umgekehrten Impulsformen verwendet, d. h., die Energie steigt stetig
an und wird abrupt unterbrochen, oder die Leistungszufuhr zu dem Härtegenerator
wird in Form eines möglichst rechteckigen Impulses eingegeben. Dabei erscheint der
Impulsverlauf gemäß F i g. 2 a für die Kontinuität der Erhitzung der Oberfläche
richtiger. Durch den spontanen Abfall des Impulses nach dem Erfindungsgedanken erreicht
man, daß die bis zum letzten Augenblick erzeugte Aufheizung der Oberflächenschicht
des Werkstückes abrupt endet und dadurch ebenso abrupt die Eigenabschreckung einsetzt.
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Je nach dem spezifischen Widerstand der Metall-Legierung muß erfahrungsgemäß
die Impulslänge zwischen 0,5 und 50 ms, bei martensitischen Handelsstählen zwischen
etwa 2 und 10 ms betragen.
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Der Abfall am Ende des Impulses sollte vorzugsweise nicht länger als
1 0/o der Einschaltzeit sein, d. h., bei einer gewählten Impulsdauer von z. B.
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10 ms soll nach dem Erfindungsgedanken die Abschaltung schneller als
100 Fs sein. Erst dann erhält man dietbeobachtete weitere Steigerung der Härte bei
hochelastischem Gefüge um etwa 4 arc.
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In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird neben der
Impulsdauer auch die Impulsenergie außerordentlich konstant auf dem einmal eingestellten
Betrag belassen. Dabei wird z. B. als Energiequelle ein Kondensator benutzt, der
sich über eine aus geeigneten Schaltmitteln, z.B. Thyristoren, bestehende Anordnung
in den Hochfrequenzerzeugern entlädt und nach der eingestellten Zeit spontan abgeschaltet
wird. Die Ladung dieses Kondensators kann in an sich bekannter Weise z. B. auf l,
0,5 °/o
stabil gehalten werden. Versuche haben ergeben, daß es im
Prinzip gleichgültig ist, ob die spontane Aufheizung in der nach Fig. 2 a oder 2
b angegebenen zeitlichen Verlaufsform erzeugt wird. Entscheidend ist in jedem Falle
die entweder rechteckige oder zumindest spontan abfallende Aufheizimpulsform. Mit
zunehmender Impulsdauer wird die Eindringtiefe größer, zugleich jedoch die erzielbare
Abschreckgeschwindigkeit geringer. Jeder Metall-Legierung oder jedem Kohlenstoffstahl
ist eine bestimmte kürzeste Zeit zuzuordnen, bei deren Unterschreitung keine weitere
Steigerung der Härte möglich ist. Das feinkristalline Gefüge ist dann selbst mit
Elektronenmikroskopen nicht mehr auflösbar und weist die konstante Härte bis zu
68 Rc auf. Ähnliche Ergebnisse erhält man bei Aluminiumoberflächen, wenn dem Werkstück
keine ausreichende Zeit gegeben wird, Kristallite zu bilden.
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Besonders sorgfältig muß die Dauer von rechteckigen Impulsen gewählt
werden, wenn es sich um karbidhaltige Stähle handelt. Karbide benötigen eine nach
Millisekunden bemessene Zeit, um im schmelzwarmen Gefüge in Lösung zu gehen. Bei
Schmelzstahl mit etwa 1 0/o Wolfram zeigt es sich, daß eine Impulsdauer zwischen
20 und 50 ms bei einer Oberflächentemperatur von etwa 12009 C ausreicht, um die
Auflösung der Karbide zu bewirken. Die danach folgende spontane Beendigung des Aufheizvorganges
bewirkt dann auch bei Schmelz stahl eine mit anderen Mitteln bisher noch nicht erreichte
Härte.
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F i g. 3 a zeigt eine Schaltung zur Erzeugung eines rechteckigen
Verlaufs des Leistungsimpulses. Eine Hochspannungsquelle 1, die möglichst auf 0,5
ovo absolut stabilisiert sein soll, lädt den Energiespeicherkondensator 2 auf. Dieser
Kondensator 2 wird in Intervallen zwischen den Impulsen aus der Quelle 1 aufgeladen.
Die benutzten Spannungen liegen hierbei im allgemeinen zwischen 3 und 15 kV. Zum
Start des Leistungsimpulses wird ein Thyratron, Ignitron oder Thyristor, allgemein
ein erstes Schaltmittel 4 durch Anlegen eines Spannungsimpulses an die Steuerelektrode
4 a gezündet. Zwischen dem Kondensator 2 und dem Schaltmittel 4 - ist zweckmäßig
eine kleine Induktivität 3 einzuschalten, um den Anstieg im Sinne der F i g. 2 a
etwas weicher zu gestalten. Der Entladestrom des Kondensators 2 erreicht über die
Hochfrequenz-Schutzdrossel 7 den hochfrequenten Schwingungserzeuger 8, an dessen
Ausgang über einen niederinduktiven Bandleiter 9 der Induktor 11 angeschlossen ist,
der die Oberfläche des Werkstücks 10 in der gewiinschten Weise erhitzt.
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Zum spontanen Abschalten wird das zweite Schaltmittel 5 über die
Steuerelektrode 5 a gezündet.
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Zweckmäßig liegt ein recht kleiner Kondensator 6 in Reihe, der bei
Zündung des Schaltmittels 5 spontan an der Anode des Schaltmittels 4 einen spannungslosen
Zustand bewirkt, so daß der gezündete Zustand erlöscht. Der Widerstand 6 a kann
hilfsweise vorgesehen werden, um den Kondensator 6 zwischen den Härteimpulsen wieder
zu entladen.
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F i g. 3 b zeigt an der oberen Abszisse die zeitliche Lage der beiden
Impulse für die Steuerelektroden U4e und U4b, die mit einem zeitlich steuerbaren
Doppelimpulsgenerator erzeugt werden. Die untere Abszissenachse zeigt das EnergiepaketE,
das in den Hochfrequenzerzeuger 8 eingegeben wird. Der Kondensator 2 dient als wellenfreies
Glättungsmittel,
so daß die Kapazität so groß wie möglich sein soll.
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Bei geringeren Ansprüchen kann auch ein Mehrfach-Gleichrichter mit
einem kleinen Kondensator eingesetzt werden, z. B. ein Dreiphasen-Vollweggleichrichter
mit etwa 6 0/o Restwelligkeit und einem Glättungsfilter, das die 300-Hz-Oberwelle
bei Einspeisung mit 50 Hz kurzschließt, so daß nahezu Wellenfreiheit besteht. In
keinem Falle darf die Spannung am Kondensator Einfluß auf den Energieinhalt des
eingespeisten Impulses E gemäß Fig. 3b (unten) haben.
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Die Härtung mit einem Laser geschieht zweckmäßig mit einer Anordnung
nach F i g. 4. Hier wird ein Kondensator 12 durch eine stabilisierte Hochspannungsquelle
11 aufgeladen. Die Entladung erfolgt durch die Laufzeitkette mit den Induktivitäten
13 a, 13 b, 13 c, einer hälftig dimensionierten Ausgangsinduktivität 13 d und den
Kondensator 12 a, 12 b, 12 c. Bei richtiger Dimensionierung der Induktivitäten und
Kapazitäten wird ein Rechteckimpuls an den Verbraucher, in diesem Falle die Laser-Pumpblitzlampel4,
abgegeben. Die Zündung kann z.B.
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dadurch erfolgen, daß die Induktivität 13 d eine Hilfswicklung 15
a erhält, die einen Zündimpuls von einem Zündimpulsgenerator 15 empfängt, so daß
der Durchbruch längs der Laser-Blitzlampe 14 spontan erfolgt. Die Laser-Pumpblitzlampe
14 ist in bekannter Weise im Inneren eines z. B. elliptischen Spiegels 16 angeordnet,
in dessen - anderer Brennlinie der Rubin 17 liegt. Der erzeugte Laserstrahl trifft
eine Minus-Linse 19, der eine konvergente Sammellinse 20 nachgeschaltet ist. In
der Nähe vor dem Brennpunkt der Sammellinse 20 ist das Werkstück 21 angeordnet.
So entsteht die für die Impulshärtung richtige Temperatur. Diese Anordnung eignet
sich vorzugsweise zum Aufheizen ebener Werkstücke.
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Bei der Laser-Impulshärtung von martensitischen Kohlenstoffstählen
bewährte sich eine Impulsdauer von - 6 ms und erzielte die gleichen Härtewerte wie
die in F i g. 3 a dargestellte Anordnung. Meistens ist aber der Einsatz des Lasers
aufwendiger als die gleichwirksame Hochfrequenz-Impulserzeugung. Sehr gut leitende
Metall-Legierungen nehmen nur einen kleinen Teil der angebotenen hochfrequenten
Impulsenergie an. Nach einfacher Oberflächenvorbehandlung zur Reduktion ihres optischen
Reflexionsgrades kann eine Laser-Impulshärtung vorteilhaft sein.
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Durch Veränderung der Induktivitäten 13 a, 13 b, 13 c, 13 d und Kondensatoren
12 a, 12 b, 12 c usw.
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wird die Impulsdauer an das zu härtende Material angepaßt. F i g.
4 b zeigt den Impuls der Laser-Pumpblitzlampe 14. Mit zunehmender Anzahl der Kettenglieder
wird die Welligkeit der Amplitude kleiner.
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Eine Schaltung mit drei Kondensatoren und vier Induktivitäten hat
sich gut bewährt. Normalerweise ist nach Beendigung des Laufzeitimpulses die Energie
in der Blitzlampe 14 aufgezehrt, so daß spontanes Verlöschen eintritt. Durch die
Schaltmittel 5, 6 in F i g. 3 a wird die Spannung an der Laser-Pumpblitzlampe plötzlich
beseitigt, die damit spontan erlischt.
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Für die Elektronenstrahl-Impulshärtung gibt es zwei Verfahren: Durch
Ablenkplatten in der Elektronenstrahl-Kanone kann der Elektronenstrahl spontan auf
das Werkstück gelenkt, dort z. B. 10 ms lang stehengelassen und spontan wieder zurückgelenkt
werden.
Durch Steuerung des Gitters mit einer Rechteckspannung kann aber auch die Emission
der Kathode spontan freigegeben und wieder unterdrückt werden. Die Vorteile der
Elektronenstrahlhärtung zeigen sich beim Ablauf eines Härtungsprogramms von nebeneinanderliegenden
Oberflächen eines ebenen Werkstückes. Dabei wird an die Ablenkplatten der Elektronenstrahlkanone
z. B. eine treppenartige ansteigende Spannung gelegt. Bei Erreichen der ersten Treppenstufe
erzeugt der Elektronenstrahl den ersten Härtefleck und springt bei Erreichen der
zweiten Treppenstufe auf die zweite Position usw. Dieses Verfahren eignet sich besonders
für komplizierte Härteprogramme, große Werkstücke und solche, die keine Behandlung
an Luft vertragen, da die Elektronenstrahlhärtung meistens im Vakuum erfolgt.
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In Abständen von etwa 2 bis 4 cm von dem Austrittsspalt des Elektronenstrahls
kann mit einer Vakuumschleuse auch in Luft gearbeitet werden.
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Bei Benutzung eines Impulses hochfrequenter Schwingungsenergie erzeugt
das plötzliche Abreißen der Hochfrequenzleistung gelegentlich unerwünschte Spannungsspitzen,
die leicht zu einem Funkenüberschlag zwischen dem Härteinduktor und dem Werkstück
führen. Um diese Funkenüberschläge zu vermeiden, wird Wasser als Isoliermittel benutzt.
Strömendes Wasser, auch gewöhnliches Leitungswasser oder sogar Salzwasser hat bei
kurzzeitigen Impulsen eine sehr hohe Durchbruchsspannung für den Funkenüberschlag.
Es wurden bei dieser Betriebsart etwa 250 kV/cm ermittelt. Da der kühlende Effekt
des Wassers für die Durchführung des Verfahrens gegenüber der Selbstabschreckung
des viel besser leitenden Metalls unzureichend ist, wird das Wasser überraschenderweise
nicht zur Kühlung, sondern zur Isolierung benutzt. Dabei können dem Wasser bei Bedarf
Salze ohne weiteres zugesetzt werden, wenn die Werkstückoberfläche, z. B. im Sinne
einer Nitrierung oder Eloxierung, behandelt werden soll.
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Das Wasser muß mit mäßiger Geschwindigkeit schwall artig den Raum
zum Induktor und Werkstück durchfließen. Bei sehr hohen Impulsfolgefrequenzen wird
der Induktor aus einem sehr dünnen Kupferrohr ausgebildet, durch das zur Kühlung
Hochdruckwasser fließt. Das austretende Hochdruckwasser kann zur Schwallwasserisoliernng
benutzt werden.
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Stehendes Wasser ist als Isoliermittel ungeeignet, weil sich in ihm
Ionenketten auszubilden beginnen,
die bei einer hohen Impulsfolge zur Ausbildung
eines Unterwasserfunkens führen können.