DE2209148A1

DE2209148A1 - Verfahren zur energiestrahl-umschmelzbehandlung

Info

Publication number: DE2209148A1
Application number: DE19722209148
Authority: DE
Inventors: Dietrich Von Dipl Phy Dobeneck; Walther Dipl Ing Hiller; Johannes Koy; Heinz Dipl Phys Dr Stolz
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Priority date: 1972-02-26
Filing date: 1972-02-26
Publication date: 1973-09-20
Also published as: FR2173303B3; FR2173303A1; JPS4899014A; IT977495B

Description

Steigerwald Strahltechnik |

GmbH

a München 55, Haderunstr. la

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Verfahren zur Enorpciostrahl -Umsshmelzbehandlimg

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Energiestrahl-Umschmelzbehandlung von Werkstücken, Maschinenelementen oder dgl«

Es ist bekannt, metallische Schmelzblöcke einer derartigen Oberflächenbehandlung zu unterziehen, daß Oberflächenteile dieser Schmelzblöcke durch Elektronenbeschuß im Vakuum aufgeschmolzen werden. Insbesondere soll mit diesem bekannten Verfahren eine Behandlung der Oberfläche von metallischen Schmelzblöcken erfolgen, die auf induktivem Wege mittels eines Lichtbogens oder durch Elektronenbeschuß im Vakuum erschmolzen wurden, mit dem Ziele, eine Glättung der Schmelzblockoberfläche und ggf. eine Entgasung des Metalls zu erreichen.

Es ist ferner bei der Herstellung von Maschinenteilen bereits bekannt, mittels Energiestrahlen eine Umschmelzung am denjenigen Stellen der Oberfläche des Maschinenteils vorzunehmen, an denen die metallurgische Beschaffenheit -verbessert werden soll.

Vorliegende Anmeldung geht nun ν cn der A-afgahs aus, ein neues Verfahren zur Energiestrahl^UrksefcraslsfoehGELalung anzugeben, das die Möglichkeit bietet». Veredelungen, von Werkstücksob.er fläch en oder dgl. in optimaler Weise zu erreichen.

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Diese Aufsabo wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Werkstück oder dgl. bzw. bestimmte Teile des Werkstücks
oder dgl. an jeweils relativ eng begrenzten, untereinander nicht zusammenhängenden Oberflächenelementen vorgegebener
Anzahl und Anordnung behandelt werden und hierdurch lediglich an diesen Oberflächenelementen durch Aufschmelzen
und mit kontrollierter Geschwindigkeit erfolgendes Abkühlen entstehende Gefügeveränderungen erzeugt werden.

Vorzugsweise erfolgt die Behandlung derart, daß sich die
durch Aufschmelzen und nachfolgendes Abkühlen entstehenden Gefügeveränderungen auch über ein definiertes Werkstoffvolumen an den ausgewählten Oberflächenelementen erstrecken.

Es ist gefunden worden, daß bei Anwendung des erfihdungsgemäßen Verfahrens, z.B. zur Umschmelzbehandlung von aus Gußwerkstoffen (Gußeisen) bestehenden Werkstücken, Maschinenelementen oder dgl. und z.B. unter Einsatz des Elektronenstrahls als Energiestrahl wesentliche Verbesserungen des
Verschleißverhaltens, der Festigkeitseigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit, ferner eine Steigerung der Oberflächenhärte sowie zum Teil auch erhöhte Duktilität und
Anlaßbeständigkeit zu verzeichnen sind.

Darüber hinaus hat man festgestellt, daß Rißbildungen im
Bereich der jeweiligen Energiestrahl-umgeschmolzenen Oberflächenelemente unterdrückt werden können. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die insbesondere bei rascher Abkühlung im allgemeinen auftretenden, durch Schrumpfungsvorgänge
bedingten inneren Spannungen infolge der erfindungsgemäßen Methode im wesentlichen gleichförmig auf eine größere Anzahl nicht zusammenhängender Oberflächen- bzw. entsprechender
Volumenelemente des Werkstücks verteilt werden, die jeweils ringsum von duktilen Bereichen des Grundwerkstoffs umgeben

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sind, so daß sich überhaupt kein« größeren Spanntragszonen im Werkstück bilden können, die Rißbildungen verursachen könnten.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung und ihrer weiteren Ausgestaltungen dienen die Zeichnungen.

Im Rahmen von Ausführungsbeispielen zeigen:

Fig. 1 bis 10 jeweils verschiedene, bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Einzelfalle mögliche und zweckmäßige geometrische Anordnungen, Formen und Verteilungen von Oberflächenelementen eines Werkstücks, an denen Energiestrahl-Umschmelzungen durchgeführt worden sind, wobei jeweils irgendwelche Flächenabschnitte oder Gesamtoberflachen eines Werkstücks in Draufsicht dargestellt sind;

Fig. 11 und 12 jeweils ein einzelnes, vergrößert dargestelltes

Oberflächenelement im Umriß, innerhalb dessen der jeweilige Bahn/erlauf eines dort einwirkenden Energiestrahl« schematisch eingezeichnet ist, und

Fig. 13 und lk jeweils verschiedene, mögliche Tiefenprofil-

formen von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Werkstoffvolumina eines I/erkstücks«

Der in Fig. 1 dargestellte Abschnitt 1 einer tferkstücksoberfläche ist beispielsweise mit einer größeren Anzahl von zueinander parallelen, strichförmigen Umschmelzinseln 2 versehen, während der Oberflächenabschnitt 3 gemäß Fig. 2 in regelmäßiger Verteilung punktförmige Umschmelzinsein 4 aufweist. Dia strich-

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odor 1 inienf örmigon TJmschmol ζ insol η 2 gemäß Fig. 1 können hoi spinlswflisß oinr» Länge; zwischen 10 und 20 mm und eine Breit« zwischen 1 und 2 mm besitzen. Der Durchmesser der punktformigen Umschmelzinseln h beträgt z.B. 1 oder 2 mm, kann aber auch bis k mm betragen.

Die Fig. 3 und Ί.stellen jeweils auf Verschleiß beanspruchte

kreisförmige Oberflächen von Bauteilen dar. Die Oberfläche

gemäß Fig. 3 ist beispielsweise mit sternförmig angeordneten,

linienförmigen Umschmelzinseln 6 versehen. Eine spezielle

Konfiguration mit punktförmigen Umschmelzinseln 8 auf einer Oberfläche 7 ist aus Fig. 4 ersichtlich.

In bestimmten Anwendungsfällen kann es aber auch günstig sein, wenn die Abmessungen der zu behandelnden Oberflächenelemente eines Werkstücks oder dgl. größer gewählt werden, so daß es sich praktisch um flächenförmige Oberflächenelemente handelt. Entsprechende Beispiele können den Fig. 5, 6 und 7 entnommen werden. Eine in Fig. 5 im Ausschnitt gezeigte Oberfläche eines Konstruktionselements mit gekrümmten äußeren Begrenzungslinien oder -flächen ist beispielsweise mit einzelnen, flächen· förmigen, untereinander nicht zusammenhängenden Umschmelzzonen 12 versehen, während entsprechende, in den Fig. 6 und 7 dargestellte Oberflächen 10 bzw. 11 energiestrahl-umgescnmolzene Zonen 13 bzw. \k und 15 mit anderen Geometrien und Verteilungen erhalten haben. Bei derartigen umschmelzbehandelten Oberflächen kann es sich beispielsweise auch um zylindrische oder konische Flächen handeln.

Die im Einzelfalle zweckmäßigen geometrischen Formen und Anordnungen der energiestrahl-umzuschmelzenden Oberflächenelemente eines Werkstücks oder Bauteils richten sich nach den ,jeweiligen Anwendungen und den dort auftretenden Beanspruchungsarten, Verschleißproblemen und dgl. mehr.

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Insbesondere kann es hierbei auch vorteilhaft sein, wenn eine Behandlung eines Werkstücks odor dgl. an Ofoerflächenelementen wenigstens zweier verschiedener Formen erfolgt.

Falls Flächen von relativ großer Ausdehnung bei vom Werkstoff vorgegebenen Haltezeiten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden sollen, so läßt sich in besonders wirtschaftlicher Weise eine Methode anwenden, wie sie anhand der Fig. 8 und Q näher erläutert wird.

Fig. 8 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer Werkstücksoberfläche l6, die mit regelmäßig verteilten, punktförmigen Uinschmelzinseln versehen werden soll , wie sie bereits aus Fig. 2 ersichtlich sind. Solche Umschmelzinseln können etwa jeweils gruppenweise zusammengefaßt sein und eine größere Anzahl von derartigen Gruppen kann ihrerseits in regelmäßiger Anordnung über die Gesamtoberfläche eines Werkstücks verteilt werden.

Jede einzelne Gruppe von Umschmelzinseln läßt sich nun sehr rasch dadurch erzeugen, daß der behandelnde Energiestrahl, der z.B. ein Elektronenstrahl sein kann, einer hochfrequenten, springenden Ablenkbewegung relativ zur Oberfläche des Werkstücks unterworfen wird, derart, daß der Energiestrahl nach jeden Sprung auf jeweils ein Oberflachenelement der Gruppe ausgewählter Oberflächenelemente kurzzeitig zur Einwirkung kommt, und daß diese springende Ablenkbewegung des Energiestrahls innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums periodisch wiederholt wird, so daß jedes Oberflächenelement der Gruppe bis zur Erzielung des gewünschten Behandlungsergebnisses mehrfach durch den Energiestrahl beaufschlagt wird.

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Im Falle d<»s Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 8 würde dies bedeuten, daß der Energiestrahl zunächst in der oberen Punktreihe in der Folge 21 bis 26 längs der gestrichelten Linien von Punkt zu Punkt springt, anschließend in entgegengesetzter Richtung in der Folge 26 bis 21 von Punkt zu Punkt springt und daß dieses Hin- und Herspringen des Strahls in der Punktreihe solange wiederholt wird,.bis die gewünschten Gefiigeveränderungen an allen Punkten 21 bis erzeugt sind. Hierbei wird eine Energiebeaufschlagung des Werkstoffs im Oberflächenbereich zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Punkten entweder vermieden oder sehr gering gehalten. Der Energiestrahl wird dann zur nächsten Zeile mit den Punkten 27 bis 32 gelenkt und die springende Ablenkbewegung längs dieser Punktreihe - hinwärts und rückwärts kann beginnen. Die gleichen Vorgänge finden anschließend auch für die weiteren Punktreihen 33 bis 38 und 39 bis 44 statt. Normalerweise wird innerhalb einer Gruppe eine wesentlich höhere Anzahl von punktförmigen Umschmelzinsein vorhanden sein, als es aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Fig. 8 dargestellt ist. Durch Überlagerung wenigstens zweier hochfrequenter Ablenkbewegungen kann der Energiestrahl aber auch in anderer Sprungfolge die Punkte 21 beaufschlagen. Von Bedeutung ist bei dieser Methode der springenden Ablenkbewegung des Energiestrahls noch, daß die Frequenz des Springens so hoch gewählt wird, daß zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Energiebeaufschlagungen jeweils ein und desselben Oberflächenelements der Temperaturabfall an diesem Oberflächenelement einen definierten unteren Temperatur-Grenzwert nicht unterschreitet, bo daß sich eine "quasi-gleichzeitige" Energiebeaufschlagung aller Oberflächenelemente einer Gruppe und damit ein praktisch zu gleicher Zeit erreichter Zustand von an allen Punkten der Gruppe hervorgerufenen Gefügeveränderungen ergibt.

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Mittels einer ähnlichen springenden Afolenkbewegung des behandelnden Energieatrahls kör«iiieTi auch Gruppen von strichförmigen Umschmelzinseln erzeugt werden, wie dies aus der Fig. 9 beispielsweise xa entnehmen ist, in der ein Ausschnitt 17 aus einer Werkstücksoberflache dargestellt ist. Jede der Strichreihen 51 bis 54, 55 bis .58, 59 bis 62 und 63 bis 66 innerhalb des Oberflächenausschnitta 17 wird entweder sukzessive durcjispringende, hin- und hergehende Ablenkbewegungen des Energiestrahls gebildet oder alle Striche 51 66 werden durch Überlagerung hochfrequenter Ablenkbewegungen "quasi-gleichzeitig" mit Energie beaufschlagt.

Eine Werkstücksoberfläche kann, wie bereits erwähnt, insgesamt mit einer größeren Anzahl von untereinander nicht zusammenhängenden Umschmelpinselgruppen versehen werden, wie es beispielsweise aus Fig. 10 ersichtlich ist. Letztere zeigt in Draufsicht eine Oberfläche 19 mit zwei Reihen von Inselgruppen 18, wobei jede der Inselgruppen l8 durch Zusammenfassung von einzelnen, strichförmi&en Umschmelzinseln 20 nach Art der Fig. 1 oder 9 gebildet wird*

Es ist nun noch auf gewisse Anwendungsfälle hinzuweisen, in denen es günstig ist, wenn die Energiestrahl-Umschmelzbe— handlung in der Weise erfolgt, daß die den ausgewählten Oberflächenelementen zugeordneten WerkstoffVolumina eines Werkstücks oder dgl. nach der Behandlung jeweils ein vorgegebenes Tiefenprofil aufweisen. Vorzugsweise wird ein solches Tiefenprofil der jeweiligen Breite bzw. Form einer Umschmelzinselfläche angepaßt werden.

Insbesondere kann zur Bildung von im wesentlichen quader— förmigen Tiefenprofilen bei im wesentlichen rechteckförmigen Oberflächenelementen der behandelnde Energiestrahl einer oder mehreren oszillierenden Ablenkbewegungen pro einzelnes Ober-

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flächenelement mi ( (!1AVi) r ion WiM(ItMi. Entsprechende Heispiele go hon .'ins don Fig. 11 nml 1'J lirrvor. Die Fl iichenberleckung eines roch Lock formigen OhcrCI iicliono.1 ements 4 5 gemäß Fig· Il mit Strnh Lener.rv i.o und dio gl ο jr.lr/,οί tige Erzeugung eines etwa quadori" örnii gen, sich über ei η entsprechendes Werkstoffvolumen erstreckenden Unischiiic 1 zpro fi 1 s h^l) gemäß Fig. I3 erfolgt durch hochfrequente Strahlwedeiung über das Oberflächenelement. 4.5 in Form einer dem Strahl aufgeprägten Sägezahnschwingung 47, deren Finnken natürlich in Wirklichkeit wesentlich enger beieinander liegen müssen. Vorzugsweise wird einer solchen Strahlwedelung eine zweite Ablenkung überlagert, deren Richtung einen Winkel von 90 mit der Richtung der ersten Ablenkbewegung bildet, so daß wiederum eine "quasi - gleichzeitige" Energiebeaufschlagung des gesamten Oberflächenelements 45 erzielt wird.

Falls die Bildung von im wesentlichen zylindrischen Tiefenprofilen bei im wesentlichen kreisförmigen Oberflächenelementen angestrebt wird, läßt sich der Energiestrahl einer kreisförmigen oder spiralförmigen Ablenkbewegung pro einzelnes Oberflächenelement unterwerfen, um die erforderliche Flächenbedeckung mit Strahlenergie sicherzustellen. Gemäß Fig. 12 wird der Energiestrahl nach Maßgabe einer Spirale 48 über ein kreisförmiges Oberflächenelement 46 geführt, wobei auch in diesem Falle die Bahnen der Spirale 48 sich in Wirklichkeit noch enger umschließen werden. Das hierdurch erzielbare, sich über ein entsprechendes Werkstoffvolumen erstreckende und im wesentlichen zylindrisch ausfallende Umschmelzprofil 50 ist aus Fig 14 ersi chtlich.

Weitere Vorteile können sich im übrigen bei dem erfindungsgeniäßen Verfahren dadurch ergeben, daß als Energiestrahl in an sich bekannter Weise ein Elektronenstrahl verwendet wird.

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SAD ORIGINAL

Die Vorzüge des lilektniiions t. rah 1 s , insbesondere d sehe Dosierbarkeit und Lokalisierbarkeit seiner Energie sowie seine praktisch trägh<\i ir, 1 öse 5 tnuerbarkei t können in diesem Zusammenhang als bekannt vorausgesetzt werden, so daß sich eine nähere fcrörterxing der Eigenschaften des Elektronenstrahls als thermisches Werkzeug erübrigt.

Unter anderem besteht eine bevorzugte Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Umschirielzbehandlung von Ventilsitzen an Zylinderköpfen von Brennkraftmaschinen.

- Patentansprüche -

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Claims

2209H8 l'aten tnnspriiche

1. Verfahren zur Energies trah.l .-Umschmel /.behandlung von Werkstücken, Maschinenelementen oder dgl., dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück oder dgl. bzw. bestimmte Teile des Werkstücks oder dgl. an relativ eng begrenzten, untereinander nicht zusammenhängenden Überflächenelementen vorgegebener Anzahl und Anordnung behandelt werden und hierdurch lediglich an diesen Oberflächenelementen durch Aufschmelzen und mit kontrollierter Geschwindigkeit erfolgendes Abkühlen entstehende Gefiigeveränderungen erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung in der Weise erfolgt, daß sich die durch Aufschmelzen und nachfolgendes Abkühlen entstehenden Gefügeveränderungen auch über ein definiertes Werkstoffvolumen an den ausgewählten Oberflächenelementen erstrecken.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung an jeweils puriktförmigen Oberflächenelementen erfolgen.

k. Verfahren nach Anspruch 1'oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung an jeweils linienförmigen Oberflächenelementen erfolgt.

5· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung an jeweils flächenförmigen Oberflächenelementen erfolgt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 51 dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung an Überflächenelementen wenigstens zweier verschiedener Formen erfolgt.

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7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis ,51 dadurch gekennzeichnet, dv.R dor hnergi.estrahl einer hochfrequenten, springenden AMeukbewegimg relativ zur Oberfläche des zu behandelnden Werkstück;-, odor dgl. unterworfen wird, derart, daß der Energies trab' nach jeden Sprung auf je%ireils ein Oberflächenelement einer Gruppe von ausgewählten Oberflächenelementen kurzzeitig zur Einwirkung kommt, und daß diese springende Ablenkbcwegung des Energiestrahls innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums periodisch wiederholt wird, so daß jedes Oberflächenelement der Gruppe bis zur Erzielung des gewünschten Behandlungsergebnisses mehrfach durch den Energies trahl beaufschlagt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der springenden Ablenkbewegung des Energiestrahls so hoch gewählt wird, daß zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Energie-Beaufschlagungen jeweils ein- und desselben Oberflächenelements der Temperaturabfall an diesem Oberflächenelement einen definierten unteren Temperatur-Grenzwert nicht unterschreitet, so daß sich eine "quasigleichzeitige¹¹ Energie-Beaufschlagung aller Oberflächenelemente ergibt.

y. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung in der Weise erfolgt, daß die den ausgewählten Oberflächenelementen zugeordneten Werkstoffvolumina nach der Behandlung ein vorgegebenes Tiefenprofil aufweisen.

10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von im wesentlichen quaderförmigen Tiefenprofilen

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bei im wesentlichen rechtockförmigen Oberflächenelementen der behandelnde Energiestrahl einer oder mehreren oszillierenden Ablenkbewegungen pro einzelnes Oberflächenelement unterworfen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von im wesentlichen zylindrischen Tiefenprofilen bei im wesentlichen kreisförmigen Oberflächenelementen der behandelnde Energiestrahl einer kreisförmigen oder spiralförmigen Ablenkbewegung pro einzelnes Oberflächenelement unterworfen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiestrahl in an sich bekannter Weise ein Elektronenstrahl verwendet wird.

13· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Umschmelzbehandlung von aus Gußwerkstoff en , z.B. Gußeisen, bestehenden Werkstücken, Maschinenelementen oder dgl.

1^. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis I3i gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Umschmelzbehandlung von Ventilsitzen an Zylinderkopfen von Brennkraftmaschinen.

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