DE2263174A1

DE2263174A1 - Verfahren zur ausbildung einer gehaerteten schicht auf einem kohlenstoffenthaltendem gusstueck auf eisen-basis

Info

Publication number: DE2263174A1
Application number: DE19722263174
Authority: DE
Inventors: Yuukichi Arkawa; Yasuhiro Mita
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1971-12-29
Filing date: 1972-12-22
Publication date: 1973-07-19
Also published as: IT974327B; FR2166147A1; GB1404865A; FR2166147B1

Description

München, den 22. Dezember 1972

Nissan Motor Company, Limited Yokohama City, Japan

Verfahren zur Ausbildung einer gehärteten Schicht auf einem Kohlenstoff-enthaltendem Gußstück auf Eisen-Basis

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten einer Oberfläche eines Metallgegenstandes, und insbesondere ein Verfahren zur Ausbildung einer durch Hitze und Abschrecken behandelten Schicht auf einem Metallgegenstand aus einem Gußkörper auf Eisenbasis, einschließlich eines Gußkörpers aus unlegiertem Stahl. _

Die Verschleißteile von Grauguß-Gußkörpern für Hockenwellen, Ventilöffnungselementen, Ventilsitzflächen, etc. von Verbrennungskraftmaschinen, Seitenwänden von Umlaufmotoren und

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anderen Teilen und Gliedern verschiedener Maschinen und Fahrzeuge, die einem Betrieb unter erschwerten Bedingungen unterworfen sind, sind oftmals durch Hitze und Abschrecken zur Verbesserung der Härte und der Verschleißfestigkeit behandelt, wohingegen die Körper der Gußstücke zäh und standfest gehalten werden.

Zu diesem Zweck wird Gußeisen mit spezifizierten Abschnitten in Kontakt mit Abschre.ckblocken gegossen, welche die Wärme rascher von den Kontaktflächen abführen, als die Wärme von den restlichen Bereichen, die in eine Sandform gegossen wurden, abgeführt wird. Der Kohlenstoff in den so abgeschreckten Flächen des Gußstückes wird in einer kombinierten Form zurückgehalten, derart, daß die betreffenden Flächen hell und härter gemacht werden, wohingegen der Kohlenstoff in den anderen Teilen in der Form zurückbleibt, wie er in Grauguß gefunden wird. Die Temperaturen und die Dickenabmessungen, der Abschreckblöcke, die Gießtemperaturen, und die Zeitdauer des Kontaktes zwischen den Abschreckblöcken und dem geschmolzenen Metall werden in geeigneter Weise ausgewählt, derart, daß die gewünschten Dickenabmessungen und Härtegrade der weißen, durch Abschrecken behandelten Schichten erzielt werden. Jedoch sind die Dickenabmessungen der durch Abschrecken behandelten Flächen gemäß den Verfahren nach dem Stande der Technik eng begrenzt, und zwar auch dann, wenn die Abschreckbedingungen sorgfältig geregelt werden.

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Um eine"zufriedenstellende Dicke und Härte einer durch Hitze und Abschrecken behandelten Schicht in den Abschreckverfahren gemäß dem Stande der Technik zu erzielen, ist es erforderlich, daß das Gußstück bis zu einer Dicke Von mehr als annähernd H mm abgeschreckt wird und dementsprechend führt eine Verschlechterung der Qualität zu einer dünneren, abschrekkungsbehandelten Fläche.' DarUberhinaus treten Schwierigkeiten bei der Bildung einer absehreölcungsbehandelten Schicht mit einer Dicke von weniger als .2 mm auf _a und es ist praktisch unmöglich, eine abschreckungsbehandelte Schicht mit einer Dicke von weniger als 1 mm auszubilden. Wo demzufolge ein relativ dünnes Gußeisen-Gußstück durch Abschrecken behandelt wird, wird das Gußstück Über seine ganze-Dickenabmessung hinweg weiß und wird in seiner Gesamtheit zu spröde.

Die Härte der nach einem Verfahren gemäß dem Stande. . der Technik ausgebildeten, durch 'Abschreckung behandelten Schicht ist auf unterhalb annähernd Nr. 55 der Rockwell C-Skala-begrenzt und dementsprechend wird es gewünscht, härtere abschreckungsbehandelte Schichten verfügbar zu haben, wo' die Teile der Schichten auf den Gußstücken hohen Gleitanforderungen oder · Beanspruchungen durch Re,ibung ausgesetzt sind. Andere Nachteile sind ein Verwischen der Grenzflächen zwischen den abschreckungsbehandelten oder gehärteten Schichten und dem Basis-Metall und eine beschränkte Anpassungsfähigkeit des Verfahrens an Gußeisen. Die vorliegende Erfindung bezweckt die Beseitigung dieser Nachteile. . ■

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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ausbildung einer gehärteten Schicht auf einem Kohlenstoffenthaltendem Gußstück auf Eisen-Basis geschaffen, das die Stufen des Beschießens eines Oberflächenbereichs des Gußstückes mit Elektronen durch einen Elektronenstrahl zur Ausbildung eines lokal geschmolzenen Bereiches darauf, der in Berührung mit einem innenbefindlichen, ungeschmolzenen Bereich des Gußstückes steht, derart, daß der geschmolzene Bereich durch den ungeschmolzenen Bereich nach Beendigung des Beschießens mit Elektronen abgeschreckt wird, umfaßt.

In den anliegenden Zeichnungen ist:

Fig. 1 ein Teilquerschnitt einer vertikalen Schnittansieht, die ein bevorzugtes Beispiel eines Apparates für die praktische Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;

Fig. 2a ist eine Mikrophotographie, die eine Mikrostruktur einer gehärteten Schicht', hergestellt nach dem Stande der Technik, zeigt;

Fig. 2b zeigt eine ähnliche Mikrophotographie wie Fig. 2a, wobei jedoch diese MikroStruktur eine gehärtete Schicht darstellt, die nach der vorliegenden Erfindung erhalten wurde;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Metallgußstückes , das mittels eines Elektronenstrahls mit Elektronen nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung beschossen wird;

Fig. *J stellt eine Schnittansicht dar, welche das durch einen Elektronenbeschuß, wie er in Fig. 3 Gezeigt wird, mit abr

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sehreckungsgehärteten Schichten hergestellte Metallgußstück zeigt; · .

Pig, 5a, Pig, 5b und Fig. 5c sind fragmentarische Schnittansichten von Metallgußstücken, die auf verschiedene Arten mit Elektronen eines Elektronenstrahls beschössen werden;

Fig. 6a ist eine Mikrophotographie, welche eine Mikröstruktur einer Oberfläche eines zu hortenden Me'tallgußstücks zeigt j

Fig. 6b ist eine ähnliche Mikrophotographie wie die in Fig. 6a gezeigte, tnit einer Mikrostruktur der gehärteten Schicht des Metallgußstückes, die gemäß dem Verfahren der Vorliegenden Erfindung ausgebildet wurde;

Fig. 6c ist ebenfalls eine ähnliche Ansicht wie dieder Fig. 6a, die jedoch nun eine, an einer Grenzfläche zwischen der gehärteten Schicht und dem darunterliegenden Gußkörperabschnitt des Metallgußstückes, das nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung behandelt wurde, auftretende Mikrostruktur, zeigt; und ,

Fig. 7 ist ein Diagramm mit Kurven, welche die Breite der Verschleißmarken oder -streifen wiedergeben, die erzeugt werden, wenn gehärtete Schichten, ausgebildet nach Verfahren gemäß dem Stande der Technik und nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verschiedenartigen Belastungen unterworfen werden.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird zunächst in 309829/0787

Piß. 1 ein bevorzugtes Beispiel der Vorrichtung gezeigt, die für das Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung brauchbar ist. Es sollte jedoch nicht vergessen werden» daß die hier gezeigte Anordnung lediglich zur Erläuterung dient und daß dementsprechend das hier offenbarte Verfahren auch durch Anwendung von zahlreichen anderen, konstruktiv verschiedenen Anordnungen in die Praxis übertragen werden kann.

Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, enthält der Apparat zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Arbeitskammer 10, in welcher ein Vakuum aufrecht erhalten wird, wie · dies bei einem Beschüß durch Elektronen üblich ist. In der Arbeitskammer 10 befindet sich ein, in verschiedenen Richtungen beweglicher Tisch oder Wagen 12, die durch geeignete Antriebsvorrichtungen (nicht gezeigt) gemäß einem vorherbestimmten Schema angetrieben werden. Der Tisch 12 ist so eingerichtet, daß er ein Metallgußstück 14 zur Bearbeitung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren tragen kann. Eine, einen Elektronenstrahl emittierende Säule 16 ist auf der Arbeitskammer 10 montiert, mit einer dazwischen befindlichen, ausgebildeten Apertur bzw. Schlitz. Oben auf der Säule 16 ist eine geeignete Quelle 20 für einen Elektronenstrahl angebracht, die beispielsweise ein Elektronenstrahlerzeuger sein kann, wie er dem Fachmann bekannt ist. Die Elektronenstrahlquelle 20 emittiert so einen Strahl von Elektronen, die durch eine Hochspannung (nicht gezeigt) beschleunigt werden und welche die Oberfläche des 'tetallguftstücks

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14 durch die Apertur 18 intermediär zwischen der Säule 16 und der Arbeitskammer 10 beschießen. Geeignete Elektronenlinsen-Einriehtungen, wie z.B. elektromagnetisch focussierende Spulen 26 und 26' sind um den Weg des Elektronenstrahls 22 herum angeordnet derart, daß die aus der Elektronenstrahlquelle 20 austretenden Elektronen zu-einem vorherbestimmten Focus convergiert 'herden, der im Verhältnis zu den Werkstück so angeordnet ist, wie dies näher im Detail beschrieben werden wird. Gleichzeitig mit dem Beschüß des Werkstückes lH durch Elektronen aus dem Elektronenstrahl 22 wird der Tisch 12 nach einem vorher bestimmten Schema derart bewegt, daß das Werkstück 1*? durch den Strahl 22 in einem Muster abgetastet wird, das durch ein solches Schema vorgegeben wird,.

Der abgetastete Abschnitt des Werkstückes 1*J wird als Ergebnis der, durch den Beschüß der Oberfläche durch die Elektronen erzeugten Hitze dementsprechend an seiner, durch die Elektronen aus dem Elektronenstrahl 22 beschossenen Oberfläche geschmolzen, wobei der unterhalb der beschossenen Oberfläche liegende Teil des Gußkörpers ungeschmolzen bleibt. Der ge-schmolzene Oberflächenteil des Werkstückes 1H ist dementsprechend in einem direkten Kontakt üiit dem nicht geschmolzenen Teil den Gußkörpers> der sich folglich in, einer Weise verhält, die sehr stark an einen Abschreckblock erinnert, und der den darüberliegenden geschmolzenen Oberflächenteil rasch abkühlt, nachdem das Abtasten vollständig durchgeführt worden ist. Aus der vor-

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stehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß die Verwendung eines Elektronenstrahls als Heizquelle optimal zur augenblicklichen Ausbildung dei geschmolzenen Schicht, die einen Kontakt mit der ungeschmolzenen Schicht in dem Werkstück aufrecht erhält, ist.

Die Mikrostrukturen der gehärteten Schichten, die nach dem Verfahren gemäß dem Stande der Technik und nach dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, werden zum Vergleich in Fig. 2a und Fig. 2b erläutert. Wie aus der Mikrophotographie von Fig. 2a zu ersehen ist, hat die aus dem Verfahren gemäß dem Stande der Technik herrührende gehärtete Schicht eine MikroStruktur mit einem grobgesprenkelten Aussehen, mit einer Härte, die nach der Rockwell C-Skala auf annähernd 55 beschränkt ist. Im Gegensatz hierzu ergibt die gehärtete Schicht, Vielehe unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet wurde, eine Härte, die oberhalb von 60 auf der Rockwell C~Skala liegt und sie liefert.eine verbesserte Mikrostruktur, in welcher eine erhöhte Kornverfeinerung erzielt wurde, wie eindeutig aus der Mikrophotographie von Fig. 2a festgestellt werden kann.

Während das Werkstück bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung unter Beschüß ist, kann der Tisch, welcher das Werkstück trägt, in vorher bestimmten Richtungen derart bewegt werden, daß die Oberfläche des Werkstückes in. einem Muster

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abgetastet wird, das durch derartige Schemata vorgegeben ist. Das Muster.kann gitterförmig, streifenförmig, radialstrahlenförmig, oder irgendeine Kombination daraus, sein. Wenn der Tisch hin und her bewegt wird, nämlich relativ zu dem Elektronenstrahl, hin und her gehend, dann werden gehärtete Schichten 28 mit einem Streifenmuster auf dem Werkstück l*f entstehen, wie aus Fig. 3 und Pig. H entnommen werden kann.

Die Breite, Dicke und Härte der gehärteten Schicht kann durch Auswahl des Ortes des Focus ausgewählt werden, zu welchem der Elektronenstrahl durch die Elektronenlinsen convergiert wird. Wenn in diesem Falle der Focus des Elektronenstrahls 22 unmittelbar an der Oberfläche des Werkstückes l4 angeordnet ist, -wie. dies in Fig. 5a gezeigt wird, dann fallen die Elektronen des Elektronenstrahls 22 auf die Oberfläche an dem Punkt ein, wo sie die höchste Energiedichte besitzen, so daß eine relativ enge und tiefe, geschmolzene und abgeschreckte gehärtete Schicht auf dem Werkstück entstehen wird. Wenn andererseits der Elektronenstrahl 22 zu einem Focus convergiert wird, der räumlich in einem Abstand von der Oberfläche des Werkstückes liegt, nämlich oberhalb oder unterhalb der Oberfläche, wie dies aus Fig. 5b oder Fig. 5c zu ersehen ist; dann wird die Energie-' dichte des Elektronenstrahls 22 auf ein gewisses Ausmaß herabgesetzt sein, so daß eine dünnere, jedoch breitere gehärtete Schicht auf dem Werkstück erhalten werden wird. : ' ,

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Für eine Bearbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignete Werkstücke können nicht nur Gußeisen-Gußkörper, sondern auch verschiedenartige andere Kohlenstoff-enthaltende Metallgußkörper sein, wie z.B. kugelförmige Gußeisen-Gußstücke, Gußstücke aus niedrig-legiertem und hoch-legiertem Stahl, Gußstücke aus Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt und schmiedbare Eisen-Gußstücke.

Es wird nun zum besseren Verständnis der hervorragenden Merkmale der vorliegenden Erfindung ein Beispiel für das vorstehend beschriebene Verfahren gegeben.

Beispiel

Es wurde zunächst in üblicher Weise ein M jtim dicker Grauguß-Gußkörper hergestellt, der an seiner Oberfläche eine Mikrostruktur aufwies, wie sie in Fig. 6a erläutert ist. Wie aus Fig. 6a zu entnehmen ist, hatte der Grauguß-Eisengußkörper Mikrobestandteile in Form von flockenförmigein ßraphit und Perlit. Daa Versuchs stück wurd.e dann in der in Fig. 1 gezeig-

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ten Vorrichtung so bearbeitet, daß gehärtete Schichtein in einem streifenförmigen Muster gebildet wurden, die jeweils 6 mm voneinander entfernt waren und von denen jederStreifen 2 mm breit und 1 mm dick war, wie dies in Fig. ¹I angezeigt iat. Das Ver-

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suchsstück wurde mit Elektronen in Form eines Elektronenstrahls unter den folgenden Bedingungen bestrahlt:

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Beschleunigungsspannung: 150 Kilovolt-Strahlstrom: 2 Milli-Ampere Strahlgeschwindigkeit: ' 150 mm/Min. Focusabstand des Strahls: 320 mm unterhalb der

Strahlquelle

Das Aussehen der MikroStruktur auf der gehärteten, in dieser Weise hergestellten Schicht wird in Fig. 6b gezeigt, wobei zu ersehen ist, daß die abgeschreckte Schicht Mikrobestandteile in Form von Ledeburit aufweist. Fig. 6c zeigt das Aussehen einer MikroStruktur an der Grenzfläche zwischen der abgeschreckten Schicht und dem darunter liegenden ungeschmolzenen Teil des Körpers des bearbeiteten Versuchsstücks, wobei zu ersehen ist, daß keine Risse aufgetreten sind und keine Veränderung in der MikroStruktur des ungeschmolzenen Teils als Ergebnis der Ausbildung der gehärteten Schicht angeregt wurde. Daher bleiben' die anfänglich festgestellten mechanischen Eigenschaften des Versuchsstückes in dem nicht geschmolzenen Gußkörperteil erhalten, so daß das Endprodukt, das aus einem so aufgebauten Gußkörper besteht, eine zufriedenstellende Zähigkeit und Standfestigkeit besitzen wird.

Fig. 7 erläutert durch die Kurve a die Verschleißbewertung der nach dem Verfahren gemäß dem Stande der Technik erhaltenen gehärteten Schicht, und in der Kurve b die Verschleißbewertung einer, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen, gehärteten Schicht. Ein Vergleich zwischen diesen Kurven

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a und b zeigt offensichtlich die Tatsache, daß man eine beträchtlich gesteigerte Verschleißfestigkeit durch die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildete, gehärtete Schicht erreichen kann. Außer einer derartigen gesteigerten Verschleißfestigkeit weist die gehärtete Schicht, die man nach dem hier beschriebenen Verfahren erhält, extrem gereinigte Mikrobestandteile auf, die eine erhöhte Härte der Oberfläche des Gußkörpers sicherstellen, sowie eine herabgesetzte Dicke, die zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des erhaltenen Produktes als Ganzem beitragen wird, und irgendein gewünschtes Muster, das in einer einfachen Verfahrensstufe ausgebildet werden kann. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird sich daher als extrem brauchbar für die Herstellung von solchen Teilen und Gliedern von verschiedenen Maschinen, Einrichtungen und Fahrzeugen als brauchbar erweisen, die gleitenden oder reibenden Bewegungen unter erschwerten Bedingungen ausgesetzt sind.

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Claims

P a t e η t a η s ρ r Ü, c h. e

1. Verfahren zur Ausbildung einer gehärteten Schicht auf einem Köhlenstoff-enthaltendem Gußstück auf Eisen-Basis dadurch gekennzeichnet, daß es die Stufen des Beschießens eines Oberflächenteils des Gußkörpers mit Elektronen aus einem Elektronenstrahl zur Ausbildung eines lokal geschmolzenen Teiles darauf umfaßt, der in Kontakt mit einem innen befindlichen, ungeschmolzenen Teil des Gußkörpers steht, derart, daß der geschmolzene Teil durch den ungeschmolzenen Teil nach Beendigung des Beschüsses mit Elektronen abgeschreckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Stufe des Pocussierens des Elektronenstrahls relativ zur Oberfläche des Gußstückes: umfaßt. .

3. Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche., dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl in einem Punkt an der Oberfläche des Gußstückes focussiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl an einem Punkt oberhalb und in einem we- sentlichen Abstand von der Oberfläche des Gußstückes focussiert wird»

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

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der Elektronenstrahl in einem Punkt unterhalb der Oberfläche
des Gußstückes focussiert wird,

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Stufe des Abtastens der Oberfläche des Gußstückes durch den Elektronenstrahl umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußstück relativ zu dem Elektronenstrahl bewegt wird, um
seine Oberfläche durch den Elektronenstrahl abtasten zu lassen,

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußstück aus Grauguß-Eisen, kugelförmigem Gußeisen, hochlegiertem Stahl, niedrig-legiertem Stahl, Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt und/oder schmiedbarem Eisen besteht.

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