DE2927153A1

DE2927153A1 - Verfahren und vorrichtung zur waermebehandlung von oberflaechen aus stahl

Info

Publication number: DE2927153A1
Application number: DE19792927153
Authority: DE
Inventors: Takayuki Tani
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1978-07-07
Filing date: 1979-07-05
Publication date: 1980-01-17
Also published as: GB2028381A; JPS5511142A; GB2028381B; US4250374A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorsieh- _: tung zur Wärmebehandlung von Oberflächen von Werkstücken aus Stahl mit einem Laserstrahl, insbesondere zur j Behandlung von im wesentlichen V-förmigen Oberflächen j von Werkstücken aus Stahl wie Zahnstangen und Zahn- I rädern.

Es ist bekannt, daß bei den verschiedensten Arbeits- ₍-verfahren bestimmte unebene Oberflächen von Stahlwerkstücken, z.B. im wesentlichen V-förmige Oberflächen von · Stahlwerkstücken, beispielsweise die Zähne von Zahnstan-> gen und Zahnrädern, einer Behandlung, normalerweise
einer Wärmebehandlung zur Steigerung der Festigkeit
dieser Oberflächen unterworfen werden müssen. Zu den
Verfahren, die heute in der Technik angewendet werden,

um diese Steigerung der Festigkeit zu erreichen, gehören die Induktionshärtung, d.h. Erhitzen mit elektromagnetischen Wellen, und das Aufkohlen. Diese bekannten Ver-· fahren zur Festigkeitssteigerung sind jedoch vom Stand—: punkt der Festigkeit insgesamt unbefriedigend, da die

Köpfe dieser Oberflächen im allgemeinen übermäßig stark ι behandelt werden. Darüber hinaus sind die Energiever- j luste bei der Durchführung dieser bekannten Verfahren , erheblich, und es tritt eine erhebliche Deformierung ^: der Oberflächen während der Wärmebehandlung ein. Daher j wurden zahlreiche Versuche unternommen, neue Verfahren ί zur Steigerung der Festigkeit dieser Oberflächen zu ; entwickeln.

Insbesondere wurden kürzlich Versuche unter Anwendung { von Elektronenstrahlen und/oder Laserstrahlen als j Wärmequellen durchgeführt. Speziell die Elektronen-

strahltechnik hat bereits den Stand praktischer Anwen-

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dung zum Schweißen erreicht. Mit der Anwendung von Laserstrahlen und/oder Elektronenstrahlen zur Wärmebehandlung flacher Stahloberflächen in ständig steigendem Umfang ist in der Zukunft zu rechnen. Die Anwendung dieser Techniken auf unebene Stahloberflächen beispielsweise bei Zahnstangen und Zahnrädern wirft jedoch noch eine Anzahl praktischer Probleme auf, und bis heute ist man zu keinen gut durchentwickelten technischen Verfahren gelangt. Beispielsweise veranschaulicht Fig. 4 das Ergebnis der Wärmebehandlung einer im wesentlichen V-förmigen Stahlfläche einer Zahnstange mit energiereicher Strahlung in Form eines Laserstrahls, der in der bisher bekannten Weise auf die Stahlfläche zur Einwirkung gebracht wird. Wie insbesondere Fig. 4 zeigt, ist bei Projektion des Laserstrahls im wesentlichen senkrecht zur Zahnstange und im wesentlichen senkrecht zum Grund der V-förmigen Oberfläche die hierbei ausgebildete gehärtete Schicht der Oberfläche am Zahnlückengrund viel dicker als an den angrenzenden Zahnflanken. Diese Arbeitsweise führt offensichtlich zu einer äußerst: ungleichmäßigen Wärmebehandlung, und die tatsächlichen j Ergebnisse dieser Wärmebehandlung sind sehr unerwünscht.; Insbesondere ist zur Ausbildung gehärteter Schichten von gewünschter Dicke auf den Flankenflächen eine Auflösung der Oberfläche der Zahnlücke unvermeidlich. Um andererseits eine gehärtete Schicht auf der Oberfläche des Grundes ohne deren Auflösung zu bilden, ist es praktisch unmöglich, gehärtete Schichten von geeigneter und ausreichender Dicke auf den Flankenflächen zu bilden!·

Die vorstehend genannten naturgegebenen Nachteile der in Fig. 4 dargestellten Wärmebehandlung sind besonders ausgeprägt, wenn der Laserstrahl eine Gaußsche Energieverteilung aufweist, bei der die Energie in der Mitte des Strahls am höchsten ist und zum Umfang des Strahls zunehmend schwächer wird. Demzufolge wird die . Oberfläche des Zahnlückengrundes in viel stärkerem Maße

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erhitzt, weil die Mitte des Strahls mit höherer Energie auf die Oberfläche des Grundes gerichtet ist, während die Flankenoberflachen durch den weniger Energie enthaltenden Umfang des Strahls In geringerem Maße erhitzt werden.

Zu den bisherigen Versuchen, das vorstehend dargelegte Problem zu lösen, gehört die Anwendung eines Laserstrahls mit gleichmäßiger Energieverteilung über den gesamten Strahlbereich, d.h. die Anwendung einer sog.

"top-hat'V-Energieverteilung. Aber auch bei Anwendung eines solchen Laserstrahls ist es aus den nachstehenden Gründen nicht möglich, die gewünschte Gleichmäßigkeit der Wärmebehandlung eines Oberflächenprofils, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, zu erzielen: Wenn, wie in Fig. 4 dargestellt, der zwischen den Zahnflankenflächen gebildete Winkel 40° betragt, beträgt der Einfallswinkel des Laserstrahls auf dem Zahhlückengrund 90°, d.h. die Abweichung von der senkrechten Einfausrichtung beträgt 0°. Andererseits beträgt an. einem Punkt auf einer der Flankenflächen die Abweichung des Einfallswinkels von der Senkrechten zur Flanke 70°. Es ist daher offensichtlich, daß ein viel höherer Grad der Energieaufnahme an der Oberfläche des Zahnlückengrundes als an den Zahnflanken vorliegt.

Ferner werden die auf die Flankenflächen gerichteten Teile des Laserstrahls von den Zahnflanken wiederholt" reflektiert, wodurch zu weiterem Erhitzen der Oberfläche des Zahnlückengrundes beigetragen wird.

Die Ergebnisse der vorstehend beschriebenen Erscheinung sind, daß die gebildete gehärtete Schicht (durch die schraffierte Fläche in Fig. 4 dargestellt) an den Zahnflankenflachen, d.h. dort, wo relativ dickere gehärtete Schichten gewünscht werden, relativ dünner und auf der Oberfläche des Zahnlückengrundes, d.h. dort, wo relativ

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dünnere gehärtete Schichten gewünscht werden, dicker ist. Diese Ergebnisse verhinderten die praktische Anwendung energiereicher Strahlung, z.B. Elektronenstrahlen und Laserstrahlen, für die Oberflächenbehandlung von Zahnstangen und Zahnrädern.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, für die Wärmebehandlung von Oberflächen von Werkstücken aus Stahl, , beispielsweise von im wesentlichen V-förmigen Oberflächen von Zahnrädern oder Zahnstangen aus Stahl, ein Verfahren und eine Vorrichtung verfügbar zu machen, die die vorstehend genannten Nachteile vermeiden und die Wärmebehandlung von im wesentlichen V-förmigen Stahlflächen mit Laserstrahlen und hierdurch eine Steigerung der mechanischen Festigkeit dieser Oberflächen durch Bildung gehärteter Schichten von gewünschter Dicke und Form ermöglichen.

Die vorstehend genannten Aufgaben werden gemäß der Erfindung gelöst, indem ein im wesentlichen paralleler Laserstrahl aus einem Lasersender auf eine im wesentlichen V-förmige Stahloberfläche, die eine erste und eine zweite Flankenoberfläche aufweist, gerichtet wird. Eine Konvexlinse hat eine Brennweite (f), die der Bedingung r/f > 0,268, in der r der Durchmesser des Laserstrahls ist, genügt. Eine solche Konvexlinse wird im Strahlengang des Laserstrahls so angeordnet, daß der Brennpunkt j der Konvexlinse zwischen der Konvexlinse und der V-förmigen Oberfläche liegt und der Laserstrahl vom Brennpunkt aus divergiert und auf die erste und die zweite Flankenfläche gerichtet wird und diese Flankenflächen hierdurch der Wärmebehandlung unterworfen werden. j

Vorzugsweise wird der divergierende Laserstrahl vom Brennpunkt der Konvexlinse auf die erste und die zweite Flankenoberfläche in Richtungen, die möglichst senk- j recht dazu verlaufen, gerichtet.

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Hierdurch ist es möglich, eine die Härtung der V-förmigen Oberfläche bewirkende Wärmebehandlung vorzunehmen, ■ bei der die Flankenoberflächen bis zu einer größeren
Dicke an den Außen- oder Kopfkantenenden als in der
Mitte gehärtet werden. "^:

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die , Abbildungen weiter erläutert. ;

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die eine ! Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Mikroaufnahme einer Ober- : fläche, die gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausfüh- ι rungsform der Erfindung wärmebehandelt worden ist. j

Fig. 3 ist eine weitere vergrößerte Mikroaufnahme, die ; den Zahnlückengrund der in Fig. 2 dargestellten behan- ^: delten und gehärteten Oberfläche veranschaulicht. '.

FigV 4 ist eine schematische Darstellung, die die Anwendung eines Laserstrahls in bekannter Weise auf eine
im wesentlichen V-förmige Oberfläche veranschaulicht.

Nachstehend wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die der Erfin- \ dung zugrunde liegende Idee besteht darin, daß ein im

wesentlichen paralleler Laserstrahl Ib aus einem Laser- ^!

sender 1 auf eine im wesentlichen V-förmige Oberfläche

i einer Zahnstange 3 gerichtet wird, wobei die V-förmige j

Oberfläche aus einer ersten und einer zweiten Zahnflan-j kenfläche 311 bzw. 312 besteht, die einander im wesent-^:

liehen gegenüberstehen und in einem bestimmten Winkel oc j zueinander geneigt sind und hierbei eine Lücke 31 bil- j den. Zur Vorrichtung gehört eine Konvexlinse 2, die

eine Brennweite (f) hat, die der Bedingung r/f ^" 0,268

genügt, wobei r der Durchmesser des Laserstrahls Ib j

ist. Die Konvexlinse 2 ist im Strahlenweg des Laser- ■!

Strahls Ib so angeordnet, daß der Brennpunkt F der :

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Konvexlinse 2 zwischen der Linse und der Zahnstange 3 liegt. Hierdurch fokussiert die Konvexlinse 2 den Laserstrahl so, daß er zum Brennpunkt F hin zuerst gebündelt und dann in einem weiten Winkel in Form des Laserstrahls 2b gestreut wird oder divergiert.

Der in einem weiten Winkel divergierende Laserstrahl 2b

wicd .,hierbei., auf die erste und die zweite Zahnflankenjl ι Bzw. 3 ι 2

fläche ,/gerichtet, wodurch die Zahnflanken einer Wärmebehandlung unterworfen werden, wobei eine gehärtete Schicht, die in Fig. 1 schraffiert dargestellt ist, ausgebildet wird.

Nach der Bündelung am Brennpunkt F wird der Laserstrahl ■ 2b dann vom Brennpunkt F aus im Winkel θ divergiert und gestreut und hierdurch auf die Zahnflankenflächen von den Außen- oder Kopfkanten zu den Zahnlückengrund- , kanten gerichtet.

Der Streuwinkel θ kann durch die Gleichung

θ = 2 tan"¹ — (1)

ausgedrückt werden.

Wenn in Fig. 1 der durch die Zahnflanken 311 und 312 gebildete Winkel mit α bezeichnet und die Peripherie des Laserstrahls 2b auf eine Zahnflanke mit einem Ein- \ fallswinkel gerichtet wird, der von einem rechten Winkel um einen Winkel ß abweicht (in Fig. 1 trifft der Umfang j des Laserstrahls 2b auf die Zahnflankenoberfläche an ihrer Außen- oder Kopfkante auf), kann die folgende ι

Gleichung aufgestellt werden: i

t j + j + ß + 90° = 180° (2) J

Aus den Gleichungen (1) und (2) folgt

ß = (90° - |· ) - tan"¹ ■— (3) j

Der Wert von ß sollte vorzugsweise möglichst dicht bei j

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Null liegen, da die aufgenommene Energie des Laserstrahls um so größer wird, je mehr die Einfallsrichtung !-"-sich der Senkrechten zur Zahnflanke nähert. Das erste
Glied auf der rechten Seite der Gleichung (3), d.h.
90° - ■=· , ist ein charakteristischer Wert, der durch : die jeweilige Form der Zahnstange oder des Zahnrades ; bestimmt ist und theoretisch im Bereich von 0° bis 90° j liegen kann (da 0°< α < 180°) . In der Praxis ist cc - jedoch; auf Grund der verschiedenen Industrienormen auf einen 1 Wert im Bereich von 29° bis 52° begrenzt. Daher liegt ^! der Wert von 90° - ^praktisch im Bereich von 64° bis , 76,5°. Wenn der Wert von r/2f so gewählt wird, daß ß =0' in dem vorstehend genannten Bereich von α sein kann, ; ist die Energieabsorption in dem Bereich oder Abschnitt,'

auf den die Peripherie des Strahls 2b gerichtet ist, am _: höchsten. Ferner ist die Energieaufnahme in Richtung

zum Zahnlückengrund kleiner, da die Einfallswinkel in j

■ t zunehmendem Maße von der Senkrechten abweichen. Die

Einfausrichtung auf dem eigentlichen Zahnlückengrund ; der Lücke 31 ist senkrecht. .

Bei der Wärmebehandlung gemäß der Erfindung nimmt die j Energieaufnahme zu den Außen- oder Kopfkanten der Zahn- j

flanken zu, und die Energieaufnahme auf den Zahnflanken ) wird in Richtung zum Zahnlückengrund geringer. Ferner j wird der Laserstrahl zerstreut, bevor er auf die Zahnflanken 311 und 312 fällt. Demgemäß ist eine Energie- I streuung auch dann möglich, wenn mit einem Laserstrahl
mit Gaußscher Verteilung gearbeitet wird, so daß eine
gehärtete Schicht mit einer gewünschten gleichmäßigen j Dicke auf den Oberflächen der Zahnflanken gebildet | werden kann.

Der auf der Grundlage der vorstehenden Gleichung (3)
gewählte Wert von r/2f muß nicht derart sein, daß der
Winkel ß genau 0° beträgt, sondern kann so gewählt
werden, daß ß möglichst dicht bei 0° liegt.

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Die Ergebnisse von Versuchen unter Anwendung verschiedener Kombinationen von α, f und r haben gezeigt, daß
gehärtete Schichten mit der gewünschten Form und Dicke
gebildet werden konnten, wenn r/f > 0,268, und daß :

— ι

fast keine Schwankungen der gehärteten Schicht als Folge von Veränderungen von α eintraten. Es wird angenommen,

daß dies darauf zurückzuführen ist, daß eine Änderung ;

von α innerhalb der vorstehend genannten praktischen j

Grenzen von 29° bis 52° unbedeutend ist, da der Laser- ;

strahl in einem weiten Winkel gestreut wird, und daß ί

sich etwaige Reflexionswirkungen an den Zahnflanken ■

311 und 312 überschneiden. '.

Es hat sich somit ergeben, daß die einzige entscheidend

wichtige praktische Voraussetzung darin besteht, daß \

der Laserstrahl und die Konvexlinse so gewählt werden, j

daß mit Ausnahme einiger ganz spezieller Fälle der ;

Bedingung r/f > 0,268 genügt wird. Es hat sich ferner ^:

gezeigt, daß bei gewissen praktischen Anwendungen der _;

gewünschte Effekt auch bei einem etwas größeren Wert i

von ß erzielt werden kann. :

Da der Durchmesser des auf die V-förmige Oberfläche !

gerichteten gestreuten Strahls Ib vom Abstand D, d.h. ί vom Abstand zwischen dem Brennpunkt F und der Kopf- ; fläche der Zahnstange abhängt, muß der Abstand D so j eingestellt werden, daß der Strahl 2b auf die gesamte j V-förmige Oberfläche gerichtet werden und hierdurch die j Wärmebehandlung der gesamten V-förmigen Oberfläche ί erfolgen kann. Der Abstand D kann jedoch so bemessen
werden, daß die Peripherie des Strahls 2b auf einen

etwas größeren Bereich, d.h. so gerichtet werden kann,
daß wenigstens Teile der flachen Abschnitte auf der
Oberseite der Zahnköpfe bestrichen werden können.

j Wenn die Breite, d.h. die Dimension senkrecht zur

Ebene von Fig.l, der Zahnstange 3 größer ist als der
' 35 Durchmesser des auftreffenden Strahls 2b, kann eine

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Projektionsabtastung des Strahls in einer Richtung parallel zur Breite der Zahnstange vorgenommen werden. Ferner wird natürlich bei der Wärmebehandlung einer Anzahl von Zahnoberflächen oder Zahnlücken der Zahnstange die Zahnstange für jede Wärmebehandlungsoperation um eine Steigung verschoben.

Der optimale Bereich der Energiedichte des Laserstrahls an der Auftreffstelle auf den Flankenoberflächen be-

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trägt 10 bis 10 W/mm . Die Einwirkungszeit des Laser-Strahls und/oder seine Abtastungsgeschwindigkeit werden so gewählt, daß die Temperatur des bestrichenen Bereichs auf den Zahnflankenoberflächen den Umwandlungspunkt, aber nicht den Schmelzpunkt des jeweiligen Werkstoffs überschreitet. Fig.2 und Fig.3 sind Mikroaufnahmen einer mit Hilfe der in Fig.l dargestellten Anordnung behandelten Oberfläche. Im einzelnen ist Fig.2 eine um eine Zehnerpotenz vergrößerte Mikroaufnahme, die eine gemäß der Erfindung gehärtete Schicht veranschaulicht. Diese gehärtete Schicht ist in Richtung zu den Außen- oder Zahnkopfkanten der Zahnflankenoberflächen relativ dicker und um die zentralen Teile der Zahnflankenflächen dünner. Fig.3 ist eine Mikroaufnahme des gehärteten Bereichs des in Fig.2 dargestellten Zahnlückengrundes, jedoch um eine Hunderterpotenz vergrößert, und zeigt, daß die gehärtete Schicht vollständig in Martensit umgewandelt worden ist.

: Die in Fig.2 und Fig.3 dargestellte Zahnstange wurde unter den folgenden Bedingungen behandelt:

Modul der Zahnstange (definiert als Zahnsteigung/π)= 2,5 Zahneingriffswinkel (a/2) = 20°

Lasersender: einzelner CO^-Gaslasersender, Leistung 1,128 kW, Laserstrahldurchmesser 17 mm.

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f = 63,4 mm
r/f = 0,268
D = 29,4 mm
Abtastungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 150 mm/Min.

Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung gemäß der Erfindung entstand auf den behandelten Oberflächen eine gehärtete Schicht mit dickeren Teilen an den Außenoder Kopfflächenkanten der Zahnflankenoberflächen und dünneren Teilen in der Mitte der Zahnflanken, wobei die Vickers-Härte der gehärteten Schicht angrenzend an die Kopfenden der Zahnflankenflächen und an den Zahngrund mehr als 600 und in der Mitte der Zahnflankenflächen mehr als 400 betrug.

Die vorstehend beschriebene Anordnung gemäß der Erfindung ermöglicht ferner Wärmebehandlungen von Werkstücken aus Stahl mit energiereicher Strahlung in Form eines Laserstrahls unter Erzielung des Effekts der Selbstvergütung (self-quenching). Darüber hinaus ist es gemäß der Erfindung jedoch möglich, eine gehärtete Schicht mit gewünschter Dickenverteilung zu bilden, ohne daß eine erweichte Zone durch Auflösung entsteht und ohne daß eine Deformierung durch die Wärmebehandlung stattfindet. Außerdem ist diese Wärmebehandlung gemäß , der Erfindung mit nur einer Behandlungsapparatur möglieh» Die Erfindung stellt somit eine wesentliche Verbesserung der Technik der Wärmebehandlung von Werk- " ■ stücken aus Stahl mit Laserstrahlen dar. ^:

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ORiGiNAL !

■ -42,-.

L e e r s e r t e

Claims

VONKREISLER SCHÖNWALD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNE 927153 PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreisler 11973 . ■ Dr.-Ing. K. Schönwaid, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden Dr. J. F. Fues, Köln Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Selting, Köln Dr. H.-K. Werner, Köln - DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF D-5000 KÖLN 1 AvK/Ax 4.JuIi 1979 Sumitomo Metal Industries, Ltd., Osaka, Japan Verfahren'Uid Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Oberflächen aus Stahl Patentansprüche

1) Verfahren zur Wärmebehandlung von im wesentlichen V— förmigen Oberflächen von Werkstücken aus Stahl wie Zahnrädern und Zahnstangen, wobei die V-förmige Oberfläche durch eine erste Zahnflankenfläche und eine zweite Zahnflankenfläche, die einander im wesentlichen gegenüberstehen und in einem bestimmten Winkel zueinander geneigt sind, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß man einen im wesentlichen parallelen Laserstrahl auf die im wesentlichen V—förmige Stahloberfläche aus der ersten und der zweiten Zahnflanke richtet und hierbei eine Konvexlinse, die eine Brennweite (f) hat, die der Bedingung r/f > O,268 genügt, worin r der Durchmesser des Laserstrahls ist, im Gang des Laserstrahls so anordnet, daß der Brennpunkt der Konvexlinse zwischen der Konvexlinse und der V-förmigen Oberfläche liegt und der Laserstrahl vom Brennpunkt aus divergiert und gestreut und auf die erste und die zweite Zahnflankenfläche gerichtet wird, und hierdurch die erste und die

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zweite Zahnflankenfläche der Wärmebehandlung unterwirft.

2) V_erf_ahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ^! man den Laserstrahl auf die erste und die zweite Zahnflankenfläche in Richtungen, die möglichst senkrecht dazu verlaufen, richtet.

3) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man durch die Wärmebehandlung eine Härtung der j V-förmigen Oberfläche vornimmt und hierbei die Zahn- ^: flankenoberflachen an den Außen- oder Zahnkopfenden der Zahnflanken bis zu einer größeren Dicke als in der Mitte

der Zahnflanken härtet. I

4) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An- ' spruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Lasersender (1), der einen im wesentlichen parallelen Laserstrahl '■ (Ib) auf die im wesentlichen V-förmige Stahloberfläche (3) einschließlich der ersten Zahnflankenfläche (311) und der zweiten Zahnflankenfläche (312) richtet, und eine Konvexlinse (2) mit einer Brennweite (f), die der Bedingung r/f > 0,268 genügt, worin r der Durchmesser des Laserstrahls (Ib) ist, wobei die Konvexlinse (2) im Gang des Laserstrahls (1 ) so angeordnet ist, daß der Brennpunkt (F) der Konvexlinse (2) zwischen der Konvexlinse und der V-förmigen Oberfläche (3) liegt, und die Konvexlinse ein Mittel darstellt, das den Laserstrahl (Ib) vom Brennpunkt (F) aus streut und divergiert und ihn auf die erste und die zweite Zahnflankenfläche (311, 312) richtet und die Zahnflanken hierdurch der Wärmebehandlung unterwirft.

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