1、DVS, Ausschuss fr Technik, Arbeitsgruppe Strahlschweien“File: D:Eigene DateienKundenDVSRi+Me32123212.fmErstellt am: 24.04.2007Zuletzt gendert am: 11.05.2007NachdruckundKopie,auchauszugsweise,nurmitGenehmigungdesHerausgebersBezug: Verlag fr Schweien und verwandte Verfahren DVS-Verlag GmbH, Postfach 1
2、0 19 65, 40010 Dsseldorf, Telefon (02 11) 15 91- 0, Telefax (02 11) 1591-150Diese Verffentlichung wurde von einer Gruppe erfahrener Fachleute in ehrenamtlicher Gemeinschaftsarbeit erstellt und wird als eine wichtige Erkenntnisquelle zurBeachtung empfohlen. Der Anwender muss jeweils prfen, wie weit d
3、er Inhalt auf seinen speziellen Fall anwendbar und ob die ihm vorliegende Fassung noch gltigist. Eine Haftung des DVS und derjenigen, die an der Ausarbeitung beteiligt waren, ist ausgeschlossen.DVS DEUTSCHER VERBANDFR SCHWEISSEN UNDVERWANDTE VERFAHREN E.V.Ersetzt Ausgabe September 1997Inhalt:1 Anwen
4、dungsbereich2 Verfahrensbeschreibung 2.1 Definition2.2 Prozess2.3 Anlagentechnik2.4 Merkmale des Elektronenstrahlhrtens3 Werkstoffe4 Einflussgren bei der Anwendung des Elektronenstrahl-hrtens5 Anwendungshinweise Voraussetzungen fr das Elektronenstrahlhrten5.1 Auswahl der zu hrtenden Bauteile5.2 Verf
5、ahrensspezifische Hinweise5.3 Werkstoffspezifische Hinweise5.4 Bauteilspezifische Hinweise5.5 Fertigungsspezifische Hinweise6 Qualittsprfung7 Anwendungsbeispiele8 Verordnung und Normen9 Schrifttum1 AnwendungsbereichAusgehend von den Forderungen, einerseits den Veredlungs-grad der Werkstoffe zu steig
6、ern, um gnstige, den Beanspru-chungsbedingungen angepasste Gebrauchseigenschaften zu er-halten und andererseits eine Effektivittssteigerung in der Wrme-behandlung zu erlangen, ergeben sich weitreichende Perspekti-ven fr die Anwendung des Elektronenstrahlhrtens (EBH).Anwendungsmglichkeiten fr das Ele
7、ktronenstrahlhrten bietetfast die gesamte metallverarbeitende Industrie. Daraus resultiertein breites Spektrum von Bauteilen mit auerordentlich differen-zierten Voraussetzungen in Bezug auf verfahrens-, werkstoff-und bauteilspezifische Anwendungsbedingungen. Diesen unterschiedlichen Ausgangsgren Rec
8、hnung tragend,ist es das Anliegen des vorliegenden Merkblattes, umfassendeHinweise und Kenntnisse fr eine sinnvolle Nutzung des Elektro-nenstrahlhrtens zu vermitteln.Das Merkblatt soll vor allem fach-liche Untersttzung bei der konstruktiven und technologischenFertigungsvorbereitung von mittels Elekt
9、ronenstrahl randschicht-zuhrtenden Bauteilen bieten.2 Verfahrensbeschreibung2.1 DefinitionGem DIN 17022-5 ordnet sich das EBH als partielles thermi-sches Randschichthrteverfahren ein, es kommt zur Anwendungbei umwandlungshrtbaren Eisenwerkstoffen.Grundlage des EBH bildet die definierte Erzeugung und
10、 Lenkungdes Elektronenstrahls. Beim Auftreffen des Elektronenstrahls aufdie Bauteiloberflche vollzieht sich eine Umwandlung der kineti-schen Energie der Elektronen in Wrme und deren rasche Ablei-tung ins Bauteilinnere. Dieser Vorgang wird sowohl zur Austeniti-sierung als auch zur Martensitbildung (S
11、elbstabschreckung) ge-nutzt, Bild 1.Bild 1. Prinzip der Wechselwirkung Elektronenstrahl Bauteiloberfl-che.2.2 ProzessDie blicherweise zu realisierende flchenhafte Hrtung wird er-reicht, indem die Energiebertragung auf grere Flchenberei-che ausgedehnt wird. Bei der Variante der oberflcheniso-thermen
12、Energiebertragung wird dabei durch eine zweidimen-sionale hochfrequente Strahlablenkung ein in der Gre an dieBehandlungsaufgabe angepasstes isothermes Feld erzeugt, un-ter dem sich das zu hrtende Bauteil mit definierter Geschwindig-keit bewegt, so dass eine bahnfrmige Hrtung erfolgt.2.3 Anlagentechn
13、ikAls Vakuumprozess stellt das EBH spezifische Anforderungen andie Anlagentechnik und Verfahrensdurchfhrung.Bestandteile von Elektronenstrahlanlagen, Bild 2, sind: Elektronenstrahlgenerator Arbeitskammer mit Handlingsystem HochspannungserzeugerSteuerung VakuumsystemElektronenstrahlanlagen werden den
14、 jeweiligen Arbeitsaufgabenangepasst und in ihren Abmessungen durch das zu behandelndeBauteilsortiment bestimmt. Das betrifft sowohl die Arbeitskam-mer einschlielich des dazugehrigen Vakuumsystems als auchdie Einrichtungen fr das Handling der Bauteile. Moderne Elek-tronenstrahlanlagen sind ausgerste
15、t mit CNC-Steuerung fr dentechnologischen Gesamtprozess. Eine Speicherung der pro-grammierten Verfahrensparameter ist mglich.Randschichthrtenmit dem ElektronenstrahlJuli 2007MerkblattDVS 3212B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandar
16、dsCollection - Stand 2016-11Seite 2 zu DVS 3212Bild 2. Elektronenstrahlanlage zum Randschichthrten mit Vakuum-Arbeitskammer (schematische Darstellung).2.4 Merkmale des ElektronenstrahlhrtensZu den spezifischen Merkmalen zhlen gnstige Eigenschafts-kombinationen in der Randschicht, insbesondere eine s
17、ehr guteVerschleibestndigkeit, geringe Manderungen und eine aus-gezeichnete Oberflchenqualitt. Ferner kommen folgende Vorzge zum Tragen: hohe Produktivitt bei geringem Energieverbrauch hochgradige Automatisierbarkeit und Eingliederung in Ferti-gungssysteme hohe technologische Flexibilitt rechnergest
18、euerter Prozess und damit exakt reproduzierbareResultate partielle Behandlung minimaler Bauteilverzug gute Mahaltigkeit verbesserte Fertigungssicherheit und Qualitt der Erzeugnisse keine Entkohlung bzw. Verzunderung der Bauteiloberflche verbesserte Arbeitsbedingungen keine Umweltbelastung Unempfindl
19、ichkeit gegen Lichtreflexion im Vergleich zum La-serstrahlhrtenDerartige Merkmale knnen andere Wrmebehandlungsverfah-ren, insbesondere Randschichthrteverfahren, in ihrer Gesamt-heit nicht in sich vereinen. Demgegenber muss auch dem fol-genden Aspekt Beachtung geschenkt werden, der jedoch fr diebreit
20、enwirksame Nutzung des Elektronenstrahlhrtens keingrundstzliches Problem darstellt: Die Notwendigkeit der Entma-gnetisierung der Bauteile vor dem EBH.3 WerkstoffeFr eine effektive und beanspruchungsgerechte Anwendung desEBH ist die Auswahl eines geeigneten Werkstoffs von ausschlag-gebender Bedeutung
21、. Im Gegensatz zu anderen thermischenbzw. thermochemischen Randschichthrteverfahren ist die elek-tronenstrahlhrtbare Werkstoffpalette wesentlich grer. EineUrsache dafr stellt die partielle Behandlung dar, die eine nurminimale Wrmebelastung des Bauteils ermglicht das gehr-tete Volumen entspricht der
22、beanspruchungsgem erforder-lichen Grenordnung und damit das Verzugsverhalten in ferti-gungstechnischem Sinne positiv beeinflusst.Fr das EBH geeignete Werkstoffgruppen sind: Vergtungssthle Federsthle Kaltarbeitssthle Warmarbeitssthle rost- und surebestndige Sthle (martensitisch umwandelnd) Gusseisen
23、Einsatzsthle (aufgekohlt)4 Einflussgren bei der Anwendung des Elektronen-strahlhrtensDa Elektronenstrahlhrten wird beeinflusst durch:Werkstof Vorbehandlungszustand Geometrie und Masseverhltnisse im zu hrtenden Bereichbzw. des Gesamtbauteils Oberflchenzustand Sauberkeit5 Anwendungshinweise Voraussetz
24、ungen fr das ElektronenstrahlhrtenAus Sicht der Beanspruchungsbedingungen ergeben sich Ein-satzflle dort, wo eine Verbesserung der Randschichteigenschaf-ten erzielt werden soll. Der Optimierung des Verschleiverhal-tens und der Oberflchenhrte kommt dabei eine vorrangigeBedeutung zu. Die gezielte Beei
25、nflussung des Eigenspannungs-zustandes, vor allem durch Erzeugen von Druckeigenspannun-gen in der Randschicht der Elektronenstrahlhrtezone, wirkt sichebenfalls auf die Mehrzahl der Beanspruchungsflle positiv aus.Kerneigenschaften lassen sich verfahrensgem nicht beeinflus-sen. Primres Anliegen ist es
26、 nicht, dynamische Festigkeits- und/oder Zhigkeitskennwerte zu verndern.Um die Vorzge des Elektronenstrahlhrtens weitestgehend aus-zunutzen und damit eine der Funktion des Bauteils entsprechendgehrtete Randschicht zu erzielen, sollten die verfahrensspezifi-schen Besonderheiten bereits in der Phase d
27、er Bauteilkonstrukti-on und bei der technologischen Fertigungs- und Verfahrensvor-bereitung Beachtung finden. Der randschichtgehrtete Zustandist in der Zeichnung entsprechend DIN 6773 zu kennzeichnen.Durch gezielte Anwendung des EBH sind gegenber anderenRandschichthrteverfahren bzw. thermochemischen
28、 Verfahrenerhebliche Kosteneinsparungen bezglich Arbeitszeit und elektri-scher Energie mglich.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 3 zu DVS 32125.1 Auswahl der zu hrtenden BauteileBei einem Verg
29、leich der Hrteverfahren sollte das vorhandeneBauteilsortiment in folgenden Gruppen berprft werden: Bauteile, die konventionell mit befriedigendem Erfolg gehrtetwerden knnen, aber bei denen durch die Anwendung desElektronenstrahlhrtens dessen Vorzge zum Tragen kommen(zum Beispiel Fhrungsleisten, Pino
30、len, Druckringe, techni-sche Messer) Bauteile, die mit konventionellen Verfahren nicht oder nur un-befriedigend gehrtet werden knnen und damit in ihrer Funk-tionstchtigkeit eingeschrnkt sind (zum Beispiel Kulissen,Kurvenscheiben, Gussformen) Darber hinaus sollten berlegungen zur Einsparung aufwen-di
31、ger Prozessstufen (zum Beispiel Aufkohlen, Nitrieren oderandere thermo-chemische Verfahren) bzw. zum Einsatz kos-tengnstigerer Werkstoffe Bercksichtigung finden (beispiels-weise Pinolen, Hlsen, Zugstcke).Unter Beachtung wirtschaftlicher Gesichtspunkte spielt aufgrundder hohen Anlagenkosten und der e
32、normen Produktivitt dieAuslastung eine zentrale Rolle. Eine maximale Anlagenauslas-tung ist vor allem dann gewhrleistet, wenn gleiche oder sehrhnliche Bauteile in groen Stckzahlen in einer Einzweckanlagebehandelt werden knnen. Andererseits ist eine hochgradige An-lagenauslastung bei Ausnutzung der F
33、lexibilitt der Elektronen-strahltechnologien, das heit Verwendung ein und derselben An-lagen fr Hrten, Schweien und andere Fertigungsverfahren,gegeben.Entscheidend fr die Anwendung des Elektronenstrahlhrtensaus konomischer Sicht ist auch die Kenntnis der Auswirkungennicht nur aus dem vernderten Wrme
34、behandlungsprozess, son-dern auch aus dem Gesamtfertigungsprozess, das heit, wie ef-fektiv die konstruktiven Forderungen realisiert worden sind.5.2 Verfahrensspezifische HinweiseDas Elektronenstrahlhrten eignet sich infolge des CNC-gesteu-erten Prozesses vorzglich zum partiellen Hrten. Der Elektro-n
35、enstrahl lsst sich bei Flchen, die aus montagetechnischenoder funktionellen Grnden weich bleiben mssen, problemlossoftwareseitig steuern. Nach Erfordernis lassen sich die Bauteilenach dem Hrten durch Deformation der weich gebliebenen Be-reiche richten. Flchen mit unterschiedlichem Arbeitsaufwand(zum
36、 Beispiel bei Kurvenscheiben) sind aufgrund der Regelbar-keit des Elektronenstrahls ebenfalls problemlos hrtbar. Gleich-falls besteht die Mglichkeit, bei zum Elektronenstrahl geneigtenFlchen mittels spezieller technischer Einrichtungen den Elektro-nenstrahl abzulenken und definiert auf den zu hrtend
37、en Bereichzu lenken. Je nach Art und Weise der rtlich-zeitlichen Steuerungder Energiebertragung auf das Bauteil lassen sich unterschiedli-che Behandlungsmuster (punktfrmig, linienfrmig, flchenhaft)realisieren, Bild 3.Bild 3. Randschichtbehandlungsmuster fr das Elektronenstrahlhrten.Nach dem Elektron
38、enstrahlhrten bzw. der nachfolgenden Fein-bearbeitung erkennbare Hrtebahnen sind verfahrenstypisch undwirken sich nicht nachteilig auf das Behandlungsergebnis aus.Durch das Elektronenstrahlhrten sind unter anderem Hrtestei-gerungen in der Randschicht bis auf Werte erzielbar, die bei un-tereutektoide
39、n Sthlen im Bereich der Werte nach dem konven-tionellen Hrten bzw. etwas darber liegen. Bei bereutektoidenSthlen und Gusseisen lassen sich unter Umstnden erheblichhhere Werte einstellen. Das Verschleiverhalten (abrasiver Verschlei) kann ebenfallsdeutlich verbessert werden (zum Beispiel Standzeiterhh
40、ungenvon mehreren 100% bei Bauteilen der Landmaschinenindustrie).Als weitere positive Auswirkung sind die sich blicherweiseeinstellenden belastungsgnstigen Druckeigenspannungen derElektronenstrahlhrtebahn zu nennen.Wegen des homogenen Energieeintrags auch quer zur Bahn bil-det sich bevorzugt ein rec
41、hteckiger Bahnquerschnitt mit mehroder weniger stark abgerundeten Ecken, wobei das VerhltnisHrtebahnbreite : Elektronenstrahlhrtetiefe eine Rolle spielt.Unter Umstnden kommt es aber auch zur Entstehung von halb-linsenfrmigen Bahnquerschnitten. Diese verfahrenstypischenVernderungen korrelieren mit ei
42、ner abnehmenden Wrmeleitf-higkeit, das heit, Werkstoffe mit relativ guter Wrmeleitfhigkeitweisen rechteckfrmige Elektronenstrahlhrtebahnquerschnitte,Werkstoffe mit schlechter Wrmeleitfhigkeit halblinsenfrmigeauf.Die Ausbildung des Bahnquerschnittprofiles ist nicht unerheblichfr den jeweiligen Einsat
43、zfall, weil einerseits unterschiedlichesBeanspruchungsverhalten zu erwarten ist, andererseits bei derBehandlung grerer Flchen der berlappungsgrad nacheinan-der realisierter Hrtebahnen mitbestimmt wird. Die im berlap-pungsbereich auftretenden verfahrenstypischen Anlasszonen(Schlupf) in der zuerst geh
44、rteten Bahn bewirken eine Verringe-rung der Hrte, der Korrosionsbestndigkeit und eine Ver-schlechterung des (abrasiven) Verschleiverhaltens. Es wurdenachgewiesen, dass die Hrte jedoch kaum unter 400 HV 0,05absinkt und die Breite der Anlasszone die Elektronenstrahlhrte-tiefe blicherweise nicht berste
45、igt.Unter bestimmten Beanspruchungsbedingungen, insbesonderebei linienfrmigem Kontakt eines Gegenkrpers (Rolle) mit derLaufflche eines Bauteiles, kommt es in der so genanntenSchlupfzone zum erhhten Verschlei (Schlupfzone: Verfahren-stypische Anlasszone im Bereich des Hrtebahnauslaufs beiringfrmiger
46、Hrtung der Stirnflchen bzw. des Umfangs rota-tionssymmetrischer Bauteile oder von in mehreren Abschnittennacheinander ausgefhrten Hrtungen an prismatischen Bautei-len. Der erhhte Verschlei lsst sich vermeiden, wenn dieSchlupfzone nicht parallel zur Kontaktlinie der Gegenkrper liegt.Das ist entweder
47、strahlsteuerungstechnisch oder mit Hilfe ent-sprechend gestalteter Abdeckblenden mglich. Vermerkt sei,dass diese Schlupfzone verfahrensspezifisch wesentlich schma-ler ist als beispielsweise im Falle des Induktionshrtens.5.3 Werkstoffspezifische HinweiseVoraussetzung fr ein optimales Behandlungsergeb
48、nis, insbe-sondere bezglich Homogenitt von Gefge und Eigenschaften,ist ein mglichst feinkrniger, gleichmig ausgebildeter Aus-gangszustand des zu behandelnden Werkstoffs. Eindeutig nach-gewiesen ist, dass grob ferritisch-perlitische Zustnde und einestark ausgeprgte Zeiligkeit (sowohl Carbid- als auch Sekundr-zeilen) erhebliche Gefge- und damit Eigenschaftsunterschiedebis an die Oberflche verursachen, die um so strker ausgeprgtsind, je inhomogener der Ausgangszustand war und je geringerdie Einhrtetiefe (weniger intensive thermische Beeinflussung)ist.Die Elektronenstrahl
