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VERFAHREN ZUM VERBESSERN DER FESTIGKEITSEIGENSCHAFTEN
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IN DEN OBERFlÄCHENNAHEN BEREICHEN VON WERKSTÜCKEN, INS-BESONDERE AUS
STAHL.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften
in den oberflächennahen Bereichen von Werkstücken, insbesondere aus Stahl durch
Erhitzen und schnelles Abkühlen. Dabei wird von dem Verfahren der thermomechanischen
Behandlung Gebrauch gemacht.
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Eine thermomechanische Behandlung von Werkstoffen, insbesondere Stahlproben,
hat das Ziel, im Werkstoff eine hohe Versetzungsdichte bei einer Substruktur zu
erzeugen, welche zu einer höheren Festigkeit bei gleichzeitig geringerer Rißanfälligkeit
führt. Bisher wird dieses Verfahren wegen der hohen Umformgrade nur als Verfahren
für eine Volumbehandlung angewandt.
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Festigkeitserhöhende Maßnahmen bei metallischen Werkstoffen beruhen
auf vier metallkundlichen Mechanismen oder deren Kombination untereinander. Sie
bewirken, daß die Gleitung bestimmter Kristallitbereiche des Vielkristallverbandes
durch Versetzungsbewegung behindert werden und damit eine plastische Verformungsmöglichkeit
eines Werkstückes eingeschränkt wird
Im einzelnen handelt es sich
um die folgenden Mechanismen: A) Eine Verfestigung eines Werkstückes durch Erhöhung
der Versetzungsdichte kann durch eine mechanische Kaltbearbeitung erfolgen, wie
z.B. Kaltwalzen, Hämmern, Kaltschmieden u... Eine Behinderung der Versetzungsbewegung
ist in diesem Fall durch eine hohe Dichte der Versetzungen gegeben, indem sich diese
aufgrund ihrer Spannungsfelder gegenseitig behindern. Die Zunahme der Festikeit
umbOy, ist dabei proportional der Wurzel aus der Versetzungsdichte N:
B) Eine Verkleinerung der Korngröße eines Vielkristallverbandes bewirkt bei plastischer
Verformung eine Aufstauung von Versetzungen an den Korngrenzen. Der Gewinn an der
Streckgrenze eines Werkstoffes ist umgekehrt proportional der Wurzel aus der Korngröße
D
C) Ein weiterer Mechanismus, der die Beweglichkeit von Versetzungen hemmt, ist die
Mischkristallhärtung, indem in das Grundgitter Fremdatome eingebaut werden.
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Je größer der Atomradiusunterschied von Wirts- und Fremdatom ist,
um so größer ist die Mischkristallhärtung. Außerdem ist die Zunahme der Mischkristallhärtung
der Wurzel aus der Konzentration c der gelösten Atome proportional:
In der Technik ist dieser festigkeitssteigernde Mechanismus als Legieren geläufig.
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D) Ein Legieren kann sekundär aber auch durch einen weiteren Mechanismus
festigkeitssteigernd wirken: durch eine Ausscheidung von Teilchen im Kristallgitter
kann eine Behinderung der Versetzungsbewegung erfolgen. Die Teilchen müssen bei
einer Ver setzungsbewegung geschnitten werden. Sind die Teilchen härter, ist hierfür
eine erhöhte Schubspannung erforderlich oder es müssen'die Teilchen während einer
Versetzungsbewegung umgangen werden. Die Erhöhung der Festigkeit ist gegeben durch
mit f dem Volumanteil der ausgeschiedenen Teil chen und deren mittlerem Abstand
d voneinander.
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Treten mehrere Verfestigungsmechnismen gleichzeitig nebeneinander
auf, dann superponieren sich ihre einzelnen Beiträge.
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Beim Härten von Stahl, d.h. Abschrecken von hohen Temperaturen, bei
welchen das Kristallgitter als kubisch flächenzentriertes Gitter vorliegt, auf Raumtemperatur
tritt eine Umwandlung in ein kubisch raumzentriertes Gitter auf. Da die Löslichkeit
des Kohlenstoffs im krz-Gitter wesentlich kleiner ist, ist dieses sehr stark verspannt.
Es entsteht ein Gefügezustand, welcher als Martensit bezeichnet wird Seine Härte
ist begründet zum einen durch die während der Umwandlung durch Anpassungsverformungen
gebildeten Versetzungen und zum anderen durch Mischkristallhärtung durch den interstitiell
gelösten Kohlenstoff. Beim Anlassen wird ein Teil der Mischkristallhärtung zurückgenommen,
indem unter Bildung von Karbiden die Ausscheidungshärtung in Kraft tritt.
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Es sei darauf hingewiesen, daß Legierungselemente wie Cr, V karbidbildend
wirken und somit den Ausscheidungsmechanismus begünstigen. Hierzu ist ein Anlassen
bei höheren Temperaturen erforderlich. Auch bereits im Austenit, d.h. der kubisch
flächenzentrierten Phase des Eisens1 können sich bereits durch Zusatz bestimmter-Legierungselemente
Karbide bilden. Solche Legierungs-Elemente sind W, Mo, Nb, Ti und Vanadium. Die
sich bildenden eisenfreien "Sonderkarbide" säumen die Austenitkorngrenzen und verhindern
somit ein Wachstum der Austenitkörner während des Austenitisierens beim Härten,
machen also den Stahl überhitzungsbeständig".
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Eine Sonderstellung nehmen die maraging-Stähle ein. Es handelt sich
um C-arme Stähle mit Ni und Mo - sowie in geringerer Menge Al, Ti, Si-Zusätzen.
Bei der Austenit-Martensit-Umwandlung entsteht aufgrund des geringen Kohlenstoffgehaltes
ein duktiler Martensit. Bei einer Anlaßtemperatur von ca. 5000C entsteht während
einiger Stunden eine feindisperse Ausscheidung von intermetallischen Phasen, welche
diesen "martensitaushärtenden Stählen" Festigkeiten bis ca. 3000 N/mm2 verleihen.
Die Festigkeitszunahmeist hierbei vor allem der Feinheit (kleiner Abstand d) der-Teilchen
zuzuschreiben.
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Es liegt auf der Hand, einzelne Maßnahmen zur Steigerung der Festigkeit
von Werkstoffen miteinander zu kombinieren, indem beispielsweise eine Härtung eines
Stahles durch eine Austenit-Martensit-Umwandlung (Mischkristallhärtung*+ Versetzungshärtung)
zusätzlich noch durch eine mechanische Verfestigung <Versetzungshärtung) begleitet
wird.
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* Ausscheidungshärtung
Erfolgt die mechanische Verfestigung
z.B. durch Kaltwalzen im Anschluß an eine Wärmebehandlung, dann superponieren sich
lediglich die einzelnen Anteile der Verfestigungsmechnismen. Man macht von dieser
Tatsache Gebrauch bei einer Oberflächenbearbeitung von geh&rteten Wellen oder
Zahnrädern durch Kugelstrahlen. Die hierbei durch die plastische Verformung der
Oberflächenbereiche zusätzlich erzielte Kaltverfestigung bewirkt eine Festigkeitssteigerung.
Dies wirkt sich günstig auf die Dauerfestigkeit aus. Die gleichzeitig in die Oberflächenbereiche
des Werkstückes eingebrachten Druckeigenspannungen haben eine ähnlich günstige Wirkung
auf die Dauerfestigkeit bei schwingender Beanspruchung des Bauteiles.
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Die als thermomechanische Behandlung bezeichnete gleichzeitige Wärmebehandlung
und Kaltverfestigung eines Werkstoffes jedoch führt zu einer Vervielfachung der
Anteile der Verfestigungsmechanismen. Wird z.B. ein Stahl vor oder während der pw
-Umwandlung mechanisch durch Walzen verfestigt, dann wird die im Austenit erzeugte
Versetzungsstruktur auf den Martensit vererbt bzw. verstärkt'. Gleichzeitig findet
eine Kornverfeinerung statt. Außerdem werden eine Vielzahl von Keimen für die Ausscheidungshärtung
geschaffen, so daß eine Anlaßbehandlung zu feineren Teilchen mit kleinerem Abstand
d führen muß. Schließlich wird auch die Umwandlungskinetik selbst beeinflußt, indem
die Umwandlungstemperatur zu höheren Temperaturen bzw. kleineren Zeiten verschoben
wird (verformungsinduzierte Umwandlung).
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Man unterscheidet im wesentlichen zwei Verfahren der thermomechanischen
Behandlung von Werkstoffen: die hochtemperaturthermomechanische Behandlung HTMB
und die niedertemperaturthermomechanische Behandlung NTMB. Bei der HTMB findet eine
mechanische Bearbeitung eines Halbzeuges durch Walzen, Ziehen, Strangpressen oder
Hämmern über der A3-Temperatur statt, bei der LTMB zwischen A1 und Ms (der Martensitbildungstemperatur).
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In dcn Figuren 1 und 2 sind die beiden Prozesse schematisch in einem
ZTU-Diagramm eingetragen. Eine thermomechanische Behandlung bei Temperaturen, welche
bei Zwischentemperaturen ausgeführt wird, wird als Isoforming bezeichnet. Auch ist
eine thermomechanische Behandlung im zweiphasengebiet A1- TCA3 möglich, die zu sehr
feinen Duplex-Gefügen oder Gefügen mit feindisperser Verteilung von Karbiden führt.
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Wegen des Zeitaufwandes für die mechanische Bearbeitung kommt eine
thermomechanische Behandlung in Betracht für Stähle, die eine gewisse Umwandlungsträgheit
aufweisen und beim Abschrecken dann möglichst vollständig in Martensit umwandeln.
Eine Besonderheit sind Stähle, welche im ZTU-Diagramm zwischen der Perlit- und Bainitstufe
einen Temperaturbereich geringer Umwandlungsgeschwindigkeit aufweisen. Wenn in diesem
Bereich des metastabilen Austenits vor der Umwandlung umgeformt wird, spricht man
von austenitformgehärteten Stählen.
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Wird eine HTM-Behandlung bei Stählen ausgeführt, die bei der Abkühlung
keiner Umwandlung unterliegen, macht man allein von der aufgrund der bei höheren
Temperaturen eingebrachten Verfestigung und damit begünstigten Ausscheidungskinetik,
d.h. einer feindispersen Verteilung der Ausscheidungen mit dem Ziel einer besseren
Festigkeit und eines besseren Korrosionsverhaltens Gebrauch.
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Im allgemeinen erreicht man bei der HTM-Behandlung sowohl bessere
Festigkeits- als auch Zähigkeitseigenschaften, während bei der NTMB (Ausforming)
zwar eine Steigerung der Festigkeit erzielt wird, die Zähigkeit (d.h. Brucheinschnürung,
Bruchzähigkeit, Dehnung, Kerbschlagzähigkeit) entweder unverändert, größer und kleiner
sein
kann. Bei niedriglegierten Stählen zoBo wird nach HTMB von Zunahmen der Streckgrenze
und Bruchzähigkeit in der Größenordnung von 30% berichtet, wobei die Konstante der
Rißausbreitung nach der Paris-Beziehung sogar auf die Hälfte absinkt. Die Dauerfestigkeit
nimmt nach HTMB ebenfalls zu. Auch das Verhalten unter dem Einfluß einer Kontakt-Ermüdung
ist wesentlich günstiger.
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Aus diesen Gründen hat die thermomechanische Behandlung bereits eine
breite Anwendung gefunden. Sie ist allerdings wegen der erforderlichen hohen Umformgrade
auf Bauteile mit einfacher Geometrie beschränkt und findet ihre Anwendung vor allem
bei Blechen Stangen, Rohren und Draht, wobei als Unformverfahren das Walzen, Schmieden,
Strangpressen, Hämmern und Drahtziehen in Betracht kommen. Bauteile wie Blattfedern,
Federband stahl, Bohrstangen, Arbeitswalzen, Kardanwellen, Achsen, Schraubenfedern
u. Rohre lassen sich durch die Anwendung thermomechanischer Verfahren unter Ersatz
von teuren legierten Stählen durch niedriglegierte Stähle herstellen, wobei gleichzeitig
eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erzielt wird. Eine Anwendung der
thermomechanischen Behandlung auf endgeformte Bauteile ist bisher wegen der notwendigen
plastischen Verformungen nicht möglich.
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Die Ursachen für eine Verbesserung der Festigkeitseigenschaften bei
gleichzeitiger Erhöhung der Zähigkeit eines Werkstoffes durch eine thermomechanische
Behandlung hat Seine Ursache in verschiedenen Einflußfaktoren: 1) eine feinverteilte
Anordnung der Versetzungen in Zellwänden bei gleichzeitig hoher Versetzungsdichte.
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2) eine homogene Verteilung feindisperser Ausscheidungen.
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Dadurch wird eine sonst oft übliche Ausscheidung an Korngrenzen und
eine hierdurch bedingte Versprödung
vermieden.
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3) Die Umwandlung von Austenit in Martensit wird dahingehend beeinflußt,
daß ein erhöhter Anteil von Massivmartensit auf Kosten von in einem mechanischen
Verhalten sprödem Plattenmartensit gebildet wird.
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Das Betriebsverhalten von Bauteilen, insbesondere unter schwingender
Beanspruchung, wird im wesentlichen durch dessen Oberflächenbeschaffenheit bestimmt.
Die Oberfläachenkristallite eines Vielkristalles nehmen bezüglich ihres mechanischen
Verhaltens eine Sonderstellung ein, indem sie nur zum einen Halbraum von Korngrenzen
umgeben sind.
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An der freien Oberfläche besteht also keine Gleitbehinderung.
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Deshalb weisen die Oberflächenschichten gegenüber dem Volumenkörper
z.B. eine verminderte Streckgrenze und ein vermindertes Verfestigungsverhalten bei
plastischer Verformung auf und es liegt bei schwingender Beanspruchung der Ausgangspunkt
von Ermüdungsanrissen fast ausschließlich in der Oberflächenschicht unter Bildung
ihrer Vorstufe, der sog.
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F-Bänder. Werkstoffinhomogenitäten, z . B. nichtmetallische Einschlüsse,
sind dabei oft Anlaß für die Bildung der Ermüdungsanrisse.
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Oberflächenbehandlungsverfahren zielen darauf ab, diese nachteilige
Sonderstellung der Oberflächenschichten zu beseitigen. Bei Stählen sind eine Vielzahl
von Verfahren bekannt, die den Oberflächenschichten höhere Festigkeiten verleihen,
wie Nitrieren, Karbonitrieren, Einsatzhärten, Flamm- oder Induktionshärten, Chromieren,
Borieren, Beschichten nach verschiedenen Verfahren. Nicht verbessert wird hiermit
allerdings die Zähigkeit der Oberflächenschichten, im Gegenteil, die Erzeugung hochfester
Oberflächenschichten ist mit einer Einbuße an Zähigkeit verbunden, was die Rißanfälligkeit
ungünstig beeinflußt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die thermomechanische Behandlung
zur Verbesserung der mechanischen Festigkeitseigenschaftenauch bei solchen Werkstücken
zu ermöglichen, die schon vor die Wärmebehandlung ihre endgültige Grundform erhalten
haben, und bei denen deshalb keine Verformung des gesamten Querschnittes nach der
Erwärmung zulässig ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf den folgenden Überlegungen:
Die Erzeugung von Oberflächenschichten mit sowohl höherer Festigkeit als auch höherer
Zähigkeit wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine thermomechanische Ober
flächenbehandlung vorgenommen wird. Die Behandlung erfolgt derart, daß die Oberfläche
eines endbearbeiteten Bauteiles auf Temperaturen oberhalb A3 (bzw. bei der Anwendung
der NTMB auf Temperaturen zwischen A1 und Ms) erhitzt wird und gleichzeitig in erhitztem
Zustand kalter festigt wird. Das Werkstück insgesamt erfährt dabei keine Gestaltsänderung.
Die Erhitzung kann entweder unter Strahlungseinwirkung hoher Intensität erfolgen
(z.B. Laser, Elektronenstrahl) oder durch Flamme oder auf induktivem Welle, In erhitztem
Zustand erfolgt eine "Kaltverfestigung" derart, daß das Bauteil entweder kugelgestrahlt
(shot peening) oder gewalzt bzw. gerollt wird. Es können hierbei die gebräuchlichen
Kugelstrahlanlagen oder Glatt- bzw. Festwalzmaschinen eingesetzt werden. Im Anschluß
an die Verfestigungsbearbeitung bei hoher Temperatur erfolgt die Härtung in gewohnter
Weise durch Abschrecken des Bauteiles in Wasser oder öl oder bei Werkstoffen mit
trägem Umwandlungsverhalten an Luft (Lufthärter). Eine Variante des Verfahrens
besteht
darin, daß auf ein Abschrecken ganz verzichtet wird, indem die Verfestigungsbehandlung
mit kaltem Werkzeug solange fortgesetzt wird bis die Abkühlung unterhalb M5 fortgeschritten
ist. Unter kaltem Werkzeug ist hierbei zu verstehen, daß das bearbeitende Werkzeug,
d.h.
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das Strahlmittel bzw. die Glatt- bzw. Festwalzrollen Raumtemperatur
aufweisen oder gar gekühlt sind. Wird hierbei die Kaltbearbeitung durch Strahlen-
bzw. Festwalzen beim weiteren Abkühlen fortgesetzt, dann addiert sich zu der thermomechanischen
Bearbeitung (HTMB oder NTMB oder Isoforming) eine Kaltverfestigung der Oberflächenschichten.
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Die dabei erzielte Oberflächenverfestigung geht in bekannter Weise
mit der Bildung von Druckeigenspannungen einher, welche zu einer Erhöhung der Dauerfestigkeit
des betreffenden Bauteiles führen.
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Ein Kugelstrahlen als Teil der thermomechanischen Behandlung ist bei
Bauteilen angebracht, welche eine komplizierte geometrische Konfiguration aufweisen.
Bei rotationssymmetrischen Teilen wie Wellen, Hülsen, Ringen, Scheiben ist ein Festwalzen
geeigneter. Der Anpressdruck ist gering im Vergleich zu dem beim Fest- bzw. Glattwalzen
kalter Bauteile üblichen. Das Verfahren wird zweckmäßigerweise derart durchgeführt,
daß die Oberfläche des rotierenden zylindrischen Werkstücks von der einen Seite
(z.B. auf einer Drehbank) mechanisch verformt wird während auf der anderen Seite
die Erwärmung (induktiv mittels eines Halbschaleninduktorsoder mit Flamme) erfolgt
und anschließend mittels Wasser abgeschreckt wird.
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Wenn das zu behandelnde Werkstück während der thermomechanischen Oberflächenbehandlung
gemäß dem Patentanspruch 9 einer Zugbeanspruchung unterworfen wird,
lassen
sich in der Oberflächenschicht Druckeigenspannungen erzeugen, welche die Festigkeit
des Werkstücks erhöhen. Dies beruht darauf, daß die Festigkeit ton Bauteilen erhöht
werden kann, wenn in bestimmten Probenbereichen Eigenspannungen derart eingebracht
werden t daB diese nach Vorzeichen und Richtung den Beanspruchungsspannungen entgegenwirken.
Ein Beispiel hierfür ist der Spannbeton: Da die Zugfestigkeit von Beton nur 1/10
des Wertes der Druckfestigkeit beträgt, muß man bei Betonkonstruktionen eine Bewehrung
mit Werkstoffen vorsehen, die hohe Zugkräfte aufzunehmen imstande sind, wie dies
bei Stahl im Stahlbeton der Fall ist.
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Wenn aber auch im Stahlbeton große Zugkräfte zu übertragen sind, spannt
man den Stahl zum sog. "Spannbeton" vor. Während des Abbindens des Betons wird die
Stahlbewehrung hohen Zugspannungen ausgesetzt. Nach dem Aushärten und Entlasten
der von außen auf den Stahlbeton einwirkenden Kräfte wird der Beton in Spannbeton
also unter Druckvorspannungen gesetzt. Diese wirken den im späteren Belastungsfall
auftretenden Zugspannungen entegen.
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Es ist auch eine bekannte Tatsache, daß bei einer schwingenden Beanspruchung
von metallischen Werkstoffen in den Oberflächenschichten vorliegende Druckspannungen
sich auf die Dauerfestigkeit günstig auswirken. Bei vielen Oberflä chenbehandlungsverfahren,
z . beLm Einsatzhärten, Nitrieren, Flammhärten von Stahlproben treten solche Druckeigenspannungen
auf, wenn auch das primäre Ziel dieser Behandlungsverfahren eine verschleiß festere
Oberflächenschicht ist. Es sind bisher aber keine Verfahren bekanntgeworden, welche
das gezielte Einbringen von Eigenspannungen in die Oberflächenschichten von metallischen
Bauteilen ermöglichen. Vielmehr wird stets die Auswirkung der bei einer Bearbeitung
mehr oder weniger unfreiwillig entstehenden Eigenspannungen diskutiert.
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Meist kann dann eine Trennung der Auswirkung der Eigenspannungen von
anderen Einflußfaktoren, wie Kaltvesfestigung,
Härtegefüge und
Mischkristallverfestigung nicht vorgenommen werden.
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Erfindungsgemäß ist aber erkannt worden, daß Druckeigenspannungen
in die Oberfläche eines Bauteiles gezielt eingebracht werden können, wenn das Bauteil
während der Oberflächen-Behandlung, d.h. im Fall einer HTMB oder einer NTMB während
der Erhitzungsphase und während der erfolgenden mechanischen Oberflächenbearbeitung
durch Glatt- bzw.
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Festwalzen bzw. Kugelstrahlen bis zum Zeitpunkt erfolgter Abschreckung
insgesamt einer mechanischen Zugbeanspruchung ausgesetzt werden, die bis zur Streckgrenze
des Materiales im nicht erhitzten Restguerschnitt. reicht.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß während der Erhitzungsphase die
in den Oberflächen schichten vorliegende Lastspannung abgebaut wird, da der erhitzte
Werkstoff dort die Fließspannung null aufweist. Während der thermomechanischen Behandlung
entstehen dann in den Oberflächenschichten verfahrensbedingt Eigenspannungen, die
von solchen entgegensetzten Vorzeichens in den Kernbereichen der Probe kompensiert
werden. Bei dann erfolgender Probenentlastung entstehen dann in den Oberflächenschichten
zusätzliche Druckeigen-spannungen mit einem Betrag, welcher sich aus der zuvor angelegten
Zugspannung 6'z und den Querscnittsanteilen von gehärteter Oberflächenschicht FM
und kalter Kernschicht FK nach der Beziehung
ergibt. Der am Ende vorliegende Eigenspannungszustand setzt sich also zusammen aus
bearbeitungsbedingten Eigenspannungen und solchen, die durch Absetzen einer äußeren
Belastung entstanden sind.
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Zur thermomechanischen Oberflächenbehandlung einer zylindrischen Rundprobe
muß diese um ihre eigene Achse rotieren, um eine über den Umfang gleichmäßige Bearbeitungsintensität
zu erzielen. Eine Zugbeanspruchung kann dann über drehbar gelagerte Einspannköpfe
erfolgen.
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Es ist ebenfalls Gegenstand dieser Erfindung, daß eine derartige Erzeugung
von Druckeigenspannungen in Bauteil * Oberflächenbearbeitungsverfahren angewendet
werden kann.
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Wird z.B. eine zylindrische Versuchsprobe in der geschilderten Weise
während des Induktivhärtens vorgespannt und die Entlastung erst nach vollständiger
Abkühlung der Oberflächenschichten vorgenommen, dann entstehen zusätzlich zu den
verfahrensbedingten (durch Induktivhärten bedingten) Eigen spannungen solche durch
das Entlasten entstehende Eigenspannungen. Denn in erhitztem Zustand während des
Härtens kann die Probenoberfläche keine Zugspannungen aufnehmen. Ihre Tragfähigkeit
entwickeln die Oberflächenschichten erst wieder nach dem Abschrecken mittels der
Wasserdusche, so daß nach Entlastung in der Probenoberfläche zusätzliche Druckeigenspannungen
entstehen.
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In ähnliher Weise können die während einer Kugelstrahlbehandlung oder
während eines Festwalzens von Bauteilen entstehenden Druckeigenspannungen in den
Oberflächenschichten zusätzlich verstärkt werden. Dies geschieht in der Weise, daß
das Bauteil zunächst einer Zugbeanspruchung bis in die Nähe der Streckgrenze ausgesetzt
wird. Unter Zugbeanspruchung erfolgt dann die Oberflächenbearbeitung durch Kugelstrahlen
oder Festwalzen.
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Hierbei werden durch plastische Verformungsvorgänge in den Oberflächenschichten
die Lastspannungen ab- und verfahrensbedingt Druckeigenspannungen aufgebaut. Die
anschließend erfolgende Entlastung des Bauteiles von äußeren Kräften führt dann
zu zusätzlichen Druckeigenspannungen in den Oberflächenschichten.
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* oberflächen bei einer Reihe von s6nstigen...
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Es ist weiterer Gegenstand dieser Erfindung, daß das Aufbringen einer
Zugspannung nicht über den gesamten Probenquerschnitt zu erfolgen hat, sondern nur
an der Stelle der Probenoberfläche erfolgt, an der die Oberflächenbearbeitung vorgenommen
wird. Beim Festwalzen und Kugelstrahlen einer rotierenden zylindrischen Probe kann
dies derart geschehen, daß die rotierende Probe gebogen wird (wie in einem Umlaufbiegeversuch)
und zur Erzeugung von Druckeigenspannungen die Bearbeitung an der auf Zug beanspruchten
Seite der Probe erfolgt. Zur Erzeugung von Zugeigenspannungen erfolgt die Bearbeitung
entsprechend an der auf Druck beanspruchten Seite der Probe.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielsweise
erläutert. Es zeigen: die Figur 1 den Verlauf einer hochtemperatur-thermomechanischen
Behandlung HTMB schematisch in einem ZTU-Diagramm, die Figur 2 den Verlauf einer
niedertemperatur-thermomechanischen Behandlung NTMB ebenfalls im ZTU-Diagramm, die
Figur 3 und 4 eine Einrichtung zur erfindungsgemäßen thermomechanischen Behandlung
eines Rotationskörpers, z.B. einer Welle, in einer Ansicht und von oben, die Figur
5 eine entsprechende Anordnung zur thermomechanischen Behandlung eines plattenförmigen
Bauteils mit vorzugsweise ebener Oberfläche.
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die Figur 6 eine der Einrichtung nach den Figuren 3 und 4 ähnliche
Anordnung, mit der ein Rotationskörper während seiner thermomechanischen Behandlung
einer Zugbeanspruchung in Langsrichtung ausgesetzt werden kann.
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Zu den Figuren 1 und 2 erübrigen sich hier weitere Erläuterungen,
weil die Grundlagen der HTMB und der NTMB in Verbindung mit dem ZTU-Diagramm schon
oben zum Stand der Technik beschrieben wurden und dem Fachmann z.B. aus Z. Metallkunde
Bd.63 (1972) H.9 S.531-541 bekannt sind.
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In den Figuren 3 und 4 ist mit 1 eine zu behandelnde Welle bezeichnet,
die durch einen nicht dargestellten Motor in Pfeilrichtung gedreht wird (n $ 1200
U/min)O Die Beheizung der oberflächennahen Zone der Welle 1 erfolgt durch eine Induktionsspule
2. Durch ein Pyrometer 3 kann die dabei erzielte Oberflächentemperatur gemessen
und geregelt werden (Temperaturbereich g750 - 1000 OC). Infolge der Drehung der
Welle 1 gelangt die erhitzte Oberflächenzone in den Bereich von Druckwalzen 4, die
der Erhitzungszone etwa gegenüberliegend angeordnet sind und je nach dem Erhitzungsgrad
der Welle 1 an diese angepreßt oder von ihr entfernt werden können. Die Walzbereiche
W sind in den ZTU-Diagrammen nach den Figuren 1 und 2 durch schematische Darstellung
der Walzen angedeutet.
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Nach dem oder während des Walzens wird die verformte Oberflächen zone
durch eine Wasserbrause 5 abgeschreckt (Bereich A ZTU-Diagramm der Figuren 1 und
2).
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Die Behandlung von ebenen Oberflächen oder plattenförmigen Bauteilen
erfolgt sinngemäß entsprechend den vorstehenden Angaben zu den Figuren 3 und 4.
Gemäß der Figur 5 wird das zu behandelnde Bauteil 6 in Pfeilrichtung unter der Behandlungseinrichtung
durchgeschoben.
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Die Oberflächenzone wird zunächst durch die Induktionsspule 10 erhitzt,
wobei die Oberflächentemperatur mittels eines Pyrometers 11 gemessen und mit der
Vorschubgeschwindigkeit geregelt wird. Nach Erreichen der erforderlichen Temperatur
wird die Oberflächenzone durch einen Kugelstrahler
8 mit Kugelfang
9 mechanisch verfestigt.
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Die Abkühlung erfolgt erfo-derlichenfalls mit der Wasserbrause 7.
Bei lufthärtenden Stählen kann sie unterbleiben. Wie vorabgeschildert kann auch
das Strahlmittel selbst als Kühlmedium wirken.
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Die Figur 6 zeigt eine Anordnung, mittels der die beschriebene thermomechanische
Oberflächenbehandlung (HTMB oder NTMB) zur Erzeugung eines die Dauerfestigkeit eines
Bauteiles erhöhenden Druckeigenspannungszustandes herangezogen wird.
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Die Einrichtung besteht zunächst aus den gleichen Teilen wie sie in
den Figuren 3 und 4 beschrieben sind. Die rotierende Welle ist hier mit 12, die
Induktionsspule mit 13 und die Druckwalze mit 16 bezeichnet. Die weiteren in den
Figuren 3 und 4 dargestellten Teile (Pyrometer und Wasserdusche) sind in der Figur
6 zur Vereinfachung weggelassen. Zusätzlich weist die Welle 12 in der Figur 6 an
einem Ende einen auf ihr drehbaren Spannkopf 15 auf, durch den eine Zugkraft zur
Erzeugung einer Zugbeanspruchung 14 in Längsrichtung auf die Welle 12 übertragen
werden kann.
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Diese Zulgabeanspruchung wird während der thermomechanischen Behandlung
bis zum Zeitpunkt nach erfolgtem Abschrecken auf die Welle oder einen anderen an
ihrer Stelle eingespannten Bauteil ausgeübt. Nach Entlasten der Welle 12 von der
Zugbeanspruchung werden in der thermomechanisch behandelten Oberflächenzone Druckspannungen
erzeugt, die eine Erhöhung der Festigkeit und der Dauerfestigkeit bewirken.
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Die Erzeugung eines die Dauerfestigkeit eines Bauteiles erhöhenden
Druckeigenspannungszustandes durch eine thermomechanische Behandlung (HTMB oder
NTMB) in einer Einrichtung gemäß der Figur 6 verläuft folgendermaßen:
Nach
Austonitisierung des Oberflächenbereiches der rotierenden Probe, z.B. der Welle
12, durch Aufheizen mittels der Induktionsspule 13, wird die Zugbeanspruchung 14
über den auf der Welle drehbar gelagerten Spannkopf 15 auf die Welle 12 aufgebracht.
Diese Zugbelastung bleibt aufurechte-halten, solange die Wellenoberfläche erhitzt,
durch die Druckwalze 16 mechanisch verformt und schließlich mittels der Wasserbrause
abgeschreckt wird. Erst nach völliger Abkühlung wird die Welle 12 oder sonstige
Probe von der Zugspannung entlastet. Hierdurch wird in dem Oberflächenbereich der
Welle eine in axialer Richtung wirkende Druckeigenspannung erzeugt.
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In entsprechender Weise können auch Zugeinspannungen in Oberflächennähe
erzeugt werden, indem auf das Bauteil während der thermomechanischen Behandlung
eine Druckbeanspruchung aufgebracht wird, die so groß ist, daß nach ihrem Wegfall
in der Oberflächen zone des Bauteils eine Zugeigenspannung verbleibt.
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Die vorstehend geschilderte Erzeugung von Druckeigenspannungen in
Bauteiloberflächen kann auch in Verbindung mit einigen anderen Verfahren zum Oberflächenbehandlung
angewendet werden. Wird z.B.
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in der Einrichtung nach Figur 6 auf den Einsatz der Rolle 16 verzichtet,
so ergibt sich bei sonst gleichem Verfahrensablauf nur eine Induktionshärtung.
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In plastisch erhitztem Zustand kann die Oberfläche des Bauteils, z.B..
der Welle 129 keine Zugspannung aufnehmen, durch die Zugbeanspruchung 14 werden
somit nur in dem nicht erhitzten Kern der Welle 12
Zugspannungen
aufgebaut. Ihre Tragfähigkeit entwickeln die Oberflächenschichten erst nach dem
Abschrecken mittels der Wasserbrause. Wenn die Welle dann von der äußeren Zugbeanspruchung
entlastet wird, entstehen in der Oberflächenzone die erwünschten Druckeigenspannungen.
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Es ist aber auch möglich, auf den Einsatz der Induktionsheizspule
13 zu verzichten. Dann erfolgt eine mechanische Oberflächenverfestigung der Welle
12 durch die Walze 16 unter der Zugbelastung 14. Dabei werden die von außen entgegengebrachten
Zugspannungen in der gewalzten Oberflächenzone durch plastische Verformung abgebaut,
wobei durch die plastische Verformung gleichzeitig eine mechanische Verfestigung
dieser Zone stattfindet. Nach Beendigung des Walzvorganges wird die Welle 12 von
der Zugbeanspruchung 14 entlastet wodurch sich in dem zuvor verfestigten Oberflächenbereich
Druckeigenspannungen ausbilden. Die Walze 16 kann dabei auch durch eine Einrichtung
zum Kugelstrahlen ersetzt werden. In diesem Falle werden die gewöhnlich beim Kugelstrahlen
in der bestrahlten Oberfläche entstehenden Druckeigenspannungen durch die während
des Strahlprozesses von außen aufgebrachte Zugbeanspruchung noch verstärkt.
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