Verfahren zum Wärmebehandeln von Stählen
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zum Wärmebehandeln von unlegierten und legierten einsatzhärtbaren Stahlen, wobei eine Oberflächenschicht des Stahls bis auf eine Tiefe von mindestens 0,13 mm einsatzgehärtet wird.
Erfindungsgemäss ist dabei vorgesehen, dass der Stahl bei 800-9500C in ein Anreicherungsmedium und nachher zum Ausgleichen die Temperatur mindestens 3 Minuten in ein Salzbad von 700-7700C getaucht wird, welches berechnet als NaCNO wenigstens 5 Gewichtsprozent Alkalimetallzyanate enthält und dass der Stahl anschliessend abgeschreckt wird.
Für die Anreicherung können bekannte Anreicherungsmedien verwendet werden, aus denen in die Oberfläche des Stahles Kohlenstoff allein oder Kohlenstoff und Stickstoff gemeinsam eindringen. Hierzu kann z.B.
ein gasförmiges Anreicherungsmedium verwendet werden, welches aus einem mit Hydrokarbongas und Amoniakgas angereicherten Trägergas besteht. Die Anreicherung der Stahloberfläche kann ebenso in einem Salzbad durchgeführt werden. Ein für die Anreicherung geeignetes Salzbad ist in der britischen Patentschrift Nummer 854 349 beschrieben. Derartige Bäder können Zyangehalte von 15-35 Gew.-% NaCN aufweisen. Ebenso sind Bäder verwendbar, welche bei sonst gleicher Zusammensetzung einen Zyanidgehalt aufweisen der bei ca. 10 Gew.-% NaCN liegt. Die Behandlungsdauer im Anreicherungsbad beträgt in der Regel 30 Minuten bis 3 Stunden je nach der im Bade herrschenden Temperatur, sowie dem Zyanidgehalt des Bades und der gewünschten Eindringtiefe.
Für das zum Ausgleich vorgesehene Salzbad mit einer Temperatur von 700-7700C und einem Mindestgehalt an Alkalimetallzyanaten von 5 Gew.-% wird vorzugsweise eine Salzmischung aus Alkalimetallzyaniden, Alkalimetallzyanaten, Alkalimetallkarbonaten und Alkalimetallchloriden verwendet, wie dies in der britischen Patentschrift Nr. 1 052 668 im Zusammenhang mit einem sog. Karbonitrierverfahren beschrieben ist. Wenn ein Zyanatgehalt im Bad von vorzugsweise mindestens 10 Gew.-% oder mehr (berechnet auf die Menge NaCNO) erwünscht ist, so kann dies nach der in der erwähnten britischen Patentschrift dargelegten Weise erreicht werden.
Da jedoch die Behandlungstemperaturen bei der vorliegenden Erfindung in der Regel höher als die in dieser britischen Patentschrift angegebenen Karbonitrietemperaturen sind, sollte der Eisengehalt im legierten Stahlbehälter und in den mit dem geschmolzenen Salz in Berührung stehenden Elektroden 22 Gew.-% nicht übersteigen, sondern in der Grössenordnung von 1020 Gew.-% liegen. Bei Verwendung eines derartigen Bades sollte die Behandlungsdauer ca. 15 Min. betragen, da sich dabei eine an Stickstoff und Kohlenstoff angereicherte Oberflächenschicht ergibt, welche eine Eisen Stickstoffverbindung aufweist. Unmittelbar an der Oberfläche des Stahles entsteht eine 0,0076 bis 0,0508 mm tiefe Schicht, wobei zusätzlich Stickstoff in geringerer Konzentration weiter in die vorgängig karborierte Schicht eindringt.
Während dieser Behandlung bleibt die karborierte Schicht (in der selbstverständlich auch Stickstoff vorhanden ist) vorwiegend oder ganz im austenitischen Zustand.
Nach der Behandlung des Stahles im flüssigen Salzbad bei 700-7700C wird jener abgeschreckt, wobei vorzugsweise Wasser, öl oder ein anderes bekanntes Abschreckmittel verwendet wird, dessen Abschreckwirkung ausreicht, um die angereicherte Schicht zu härten. Nach der Abschreckung kann festgestellt werden, dass diese mit Kohlenstoff und Stickstoff angereicherte Schicht in einen harten martensitischen Zustand überführt wurde und einen hohen Eindringungswiderstand aufweist, wobei die äusserste mit Kohlenstoff und Eisen- Stickstoffverbindungen angereicherte Schicht von ca. 0,0508 mm dicke Schicht, welche die erwähnte harte Schicht überzieht unverändert bleibt und einen hohen Abnutzungsbzw. Verschleisswiderstand aufweist.
Eine derartige Kombination von Oberflächeneigenschaften wird durch die vorliegende Erfindung erzielt und eignet sich besonders für Getriebeelemente, Pumpenkolben, Rollen, Nockennuten, Buchsen- und Gleitlager, Drahtziehmatritzen, Riemenscheiben, Kegeln und andere unter Druck und Reibung beanspruchte Elemente.
Die vorliegende Erfindung ist zur Wärmebehandlung von unlegierten und legierten Einsatzstählen vorzüglich verwendbar. nichtsdestoweniger ist sie zur Wärmebehandlung von mittleren Kohlenstoffgehalt aufweisenden Stählen, wie z.B. die Stähle, die im Verzeichnis Nr. 970 Bri- tish Standards Institutionv unter der Bezeichnung En. 17, En. 18 und En. 24 beschrieben sind. Wie vorangehend erwähnt, wird im geschmolzenen Salzbad von 700-7700C mit wenigstens 10 Gew.-% eines Alkalimetallzyanates (berechnet auf die Menge von NaCNO) gearbeitet. Liegt der Zyanatgehalt unter 10 Gew.-% so reduziert sich das Eindringen von Stickstoff und Kohlenstoff in den Stahl, wobei trotzdem noch überraschend gute Ergebnisse erzielt werden.
Diese guten Ergebnisse werden insbesondere bei den legierten Stählen erreicht, deren Eigenschaften im behandelten Zustand noch für viele Ver wend ungsmöglichkeiten erwünscht sind.
In den meisten Fällen wird der Stahl nach der Anreicherung direkt in einem Salzbad von 700-7700C aus geglichen. Ebenso ist es möglich den Stahl anschliessend an die Anreicherung auf Raumtemperatur zu kühlen, um ihn anschliessend erneut auf eine Temperatur im unteren Austenitisierungsbereich zu erhitzen, um die angereicherte Schicht zu austenitisieren bevor sie im konzentrierten Zyanatbad bei 700-770 G ausgeglichen wird.
Dieses zweitgenannte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens wird vorzugsweise für hochlegierte Stähle verwendet bei denen das herkömmliche Einsatzhärten ein Abkühlen und erneutes Erhitzen auf die Austenitisierungstemperatur zwischen der Anreicherung und der abschliessenden Abschreckung erforderlich macht, wie dies z.B. bei Stählen En. 36 und En. 39 nach der britischen Patentbeschreibung Nr. 970 erforderlich ist. Dieses Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens wird vorzugsweise auch dann angewendet, wenn die Anreicherung in einer Weise erfolgt, welche ein schnelles Einbringen des Stahlstückes in das hochkonzentrierte Zyanatbad schwierig macht. So kann z.B.
nach dem Pulverzementieren der Stahl langsam im Pulver abkühlen und dann erneut bis in den Austenitisierungsbereich erhitzt werden, bevor er bei 700-7700C im konzentrierten Zyanatbad ausgeglichen wird.
Das Abkühlen anschliessend an die Anreicherung kann in Luft oder einer anderen Gasatmosphäre erfolgen oder im Pulver wenn vorgängig eine Pulverzementierung vorgenommen wurde. Ebenso ist es möglich die Abkühlung in einem Abschreckmedium wie z.B. Wasser, öl. oder einer Salzlösung durchzuführen.
Die auf die Abkühlung folgende erneute Erhitzung in den unteren Austenitisierungsbereich kann in irgend einem Anreicherungsmedium oder in einem neutralen Medium erfolgen, sofern es die Konzentrationen in der vorgängig angereicherten Schicht nicht beeinflusst. In einzelnen Fällen kann ein Muffelofen für das erneute Aufheizen verwendet werden. Vorzugsweise erfolgt jedoch dieser Vorgang in einem getrennten Salzbad mit einem Gehalt von 10 Gew.-% Zyanid (berechnet als NaCN), was jegliche Gefahr einer Entkarborierung während dem Aufheizen ausschliesst. In der Regel ist bei diesem Verfahrensschritt die unterste mögliche Austenitisierungstemperatur 760 C. Die Erhitzung erfolgt jedoch vorzugsweise auf Temperaturen zwischen 760 und 8500C.
Bei gewissen legierten Stählen bei denen die angereicherte Schicht einen hohen Anteil des Austenites ausmacht, kann die erneute Erhitzung auf etwas tiefere Tempera turn, wie z.B. 7500C gewählt werden.
Die Temperaturbereiche 7500-8500C bei der Wiedererwärmung und 700-7700C im konzentrierten Zyanbad überlappen sich, so dass bei gewissen Stählen die Anreicherung und das Wiedererwärmen allein im konzentrierten Zyanbad erfolgen kann. Solche Stähle die bei Temperaturen zwischen 750 und 7700C einen hohen Austenitanteil aufweisen (z.B. die angereicherte Schicht auf den Stählen En. 36 und En. 39 in der britischen Patentbeschreibung Nr. 970 können in kaltem oder leicht erwärmtem Zustand direkt in das konzentrierte Zyanatbad mit einer Temperatur von 750- 7700C gebracht und darin während mindestens 10 Minuten ausgeglichen werden, wobei anschliessend die Abschreckung zum Härten der angereicherten Schicht erfolgt. Bei diesem Vorgehen genügt ein einziges Bad um den Stahl in eine härtbare Form zu bringen, um ihm eine verschleissfeste Kohlenstoff-Stickstoffoberfläche zu verleihen.
In den nachstehenden Ausführungsbeispielen sind alle Prozentangaben als Gewichtsprozente zu verstehen.
Beispiel I
Probestücke eines unlegierten Einsatzstahles En. 32 (gemäss der britischen Patentbeschreibung Nr. 970) wurden während 1· Stunden bei 8500C in einem Salzbad mit 21,6% NaCN (gemäss der britischen Patentschrift Nr. 854 349) angereichert. Die Probestücke wurden direkt in ein Salzbad mit 22,0% Zyanat berechnet als NaCNO) und 21,4% NaCN gebracht, wobei der Rest des Bades aus Alkalimetallkarbonat und Alkalimetall- chloriden bestand. Das Probestück wurde im Bad bei einer Temperatur von 7300C während 15 Minuten behandelt. Anschliessend wurden die Probestücke in Wasser abgeschreckt.
Eine Prüfung der Teststücke ergab: -Maximale Schichthärte (Vickers, Belastung 5 kg): 780 Schichttiefe mit einer Härte von mehr als 500, Vickers (Belastung 5 kg) 0,2286 mm Tiefe der mit Kohlenstoff und Stickstoff angereicherten
Oberflächenschicht: 0,0127 mm.
Beispiel 2
Probestücke eines unlegierten Einsatzstahles En. 32 wurden in einem Salzbad von 850 C während 11% Stunden angereichert. Die Zusammensetzung des Salzbades ist in der britischen Patentschrift Nr. 854 349 beschrieben und enthält 18,4so NaCN. Der Zyanatgehalt dieses Bades betrug 2,77, NaCNO. Anschliessend wurden die Proben direkt in ein Salzbad mit 19.5' Zyanat berechnet als NaCNO) u. 18.7% NaCN gebracht, wobei der Rest aus Alkalimetallkarbonaten und Chloriden bestand. Das Probestück wurde in diesem Bad während 15 Minuten bei 730cd gehalten. Nach erfolgter Abschreckung im Wasser ergab die Untersuchung des Probestückes die nachstehenden Ergebnisse.
Maximale Schichthärte (Vickers, Belastung 5 kg): 820 Schichttiefe mit einer Härte von mehr als 500 Vickers (Belastung 5 kg): 0,4318 mm Tiefe der mit Kohlenstoff ud Stickstoff angereicherten
Oberflächenschicht: 0,0254 mm.
Fig. 2 zeigt die Entwicklung der Härte mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche, wobei vergleichs- weise die Ergebnisse von Probestücken eingetragen sind, welche in gleicher Weise behandelt wurden mit Ausnahme, dass sie vor dem Abschrecken in Wasser nur während 3 bzw. 5 bzw. 10 Minuten im Bad mit 19,5% Zyanat gehalten wurden.
Weiter wurden gleich behandelte, scheibenförmige Probestücke mittels einer Amsler Verschleissprüfmaschine auf ihren Verschleisswiderstand hin untersucht. Dabei wurde eine behandelte Scheibe gegen eine unbehandelte Scheibe aus demselben En. 32 Stahl gerieben. Die Belastung betrug dabei 20 kg. Zur Schmierung wurde ein SAE 30 Mineralöl verwendet. Bei dieser Prüfung wurden die Scheiben gegenseitig in Randkontakt gebracht und mit 400 bzw. 440 Upm mit gleichem Drehsinn gedreht. Nach einer Million Umdrehungen zeigten weder die behandelte noch die unbehandelte Scheibe Verschleisserscheinungen. Dabei betrug der Gewichts verlust der Scheiben während der Prüfung: Unbehandelte Scheibe 0,1164 g
Behandelte Scheibe 0,0158 g Total Verlust 0,1322 g.
Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 1 in der unteren Kurve dargestellt. Vergleichsweise zeigt die Fig. 1 die Ergebnisse derselben Prüfung an zwei unbehandelten
En. 32 Scheiben (oberste Kurve) und zwei gleiche Scheiben, welche einsatzgehärtet und geschliffen wurden (mittlere Kurve).
Zum weiteren Vergleich wurden zwei Proben aus En. 34 Stahl einsatzgehärtet, geschliffen und verschiedenen Verschleissbedingungen unterworfen. Diese Proben mussten z.B. bei einer Belastung von 20 kg und unter Verwendung eines SAE 30 Mineralöls als Schmiermittel bereits nach 10 000 Umdrehungen verworfen werden. Der gesamte Gewichtsverlust betrug 1.25 g.
Beispiel 3
Probestücke eines unlegierten Einsatzstahles En. 32 gemäss der britischen Patentbeschreibung Nr. 970 wurden während 11/ Stunden bei 9000C in einem Salzbad nach der britischen Patentschrift Nr. 854 349 angereichert, welches ca. 20% NaCN enthielt. Die Probestücke wurden anschliessend in ein Salzbad mit 11,3% Zyanat (berechnet als NaCNO) und 19,3% NaCN gebracht, wobei der Rest aus Alkalimetallkarbonaten und Chloriden bestand. In diesem Bad wurden die Probestücke während
10 Minuten bei 7700C gehalten.
Nach der anschliessenden Abschreckung im Wasser wiesen die Probestücke die nachstehenden Eigenschaften auf: Maximale Schichthärte (Vickers, 5 kg Belastung) 870
Schichttiefe mit einer Härte von mehr als 500 Vickers (Belastung 5 kg): 0,355 mm Tiefe der mit Kohlenstoff und Stickstoff angereicherten
Oberflächenschicht 0,0152-0,0203 mm.
Vergleichsweise wurden Probestücke in derselben
Weise behandelt mit der Ausnahme, dass das zweite Salz bad vor dem Eintauchen der Proben auf 8000C aufge heizt wurde. Nach dem Abschrecken in Wasser zeigten diese Proben im Mikroschliff keine mit Kohlenstoff und
Stickstoff angereicherte Schicht, da der Zyanatgehalt des zweiten Salzbades auf 5,7'7c NaCNO abgesunken war, obwohl der Zyanidgehalt noch annähernd 19,3% betrug.
Beispiel 4
Scheibenförmige Probestücke eines unlegierten Einsatzstahles En. 32 gemäss der britischen Patentbeschrei bung Nr. 970 wurden während ll/2 Stunden bei 9000C in einem Salzbad gemäss der britischen Patentschrift Nummer 854 349 angereichert. Das Salzbad enthielt 20,5% NaCN. Die Scheiben wurden anschliessend direkt in ein Salzbad mit 5,4% Zyanat (berechnet als NaCNO) und 18,0% NaCN gebracht, wobei der Rest aus Alkalimetallkarbonaten und Chloriden bestand. Die Proben wurden in diesem Bad während 15 Minuten bei 7300C gehalten und anschliessend in Wasser abgeschreckt.
Zwei dieser behandelten Scheiben A und B wurden auf einer Amsler Verschleissprüfmaschine wie im Beispiel 2 beschrieben einer Verschleissprüfung unterworfen, wobei jedoch, in Abweichung zur Versuchsordnung nach dem Beispiel 2, die behandelten Scheiben gegeneinander bewegt wurden. Nach einer Million Umdrehungen zeigte keine der beiden Scheiben Abnutzungserscheinungen. Der Gewichtsverlust der Scheiben betrug während der Versuchsdauer: Scheibe A: 0,1966 g Scheibe B: 0,1330 g Total Verlust: 0,3296 g.
Beispiel 5
Probestücke in Form von Amsler Verschleissprüfungsscheiben aus einem 2%igen Nickel-Molybdän-Einsatzstahl En. 34 gemäss der britischen Patenbeschreibung Nr. 970 wurden während 21; Stunden bei 9500C in einem Salzbad angereichert, welches aus einem handelsüblichen Salz mit Zyanid und Bariumchlorid bestand.
Die Scheiben wurden anschliessend in ein Salzbad mit 13,7% NaCNO und einer Temperatur von 7300C gebracht. In diesem Bad wurden die Proben während 10 Minuten gehalten und anschliessend in öl abgeschreckt.
Die Härteprüfung an den derart behandelten Probescheiben ergab die nachstehenden Ergebnisse: Vickers Härte HV, Belastung 2,5 kg: 473 - 483 Vickers Härte HV, Belastung 30 kg: 700 - 705 Rockwell Härte HRC: 61 - 62
Die Proben wurden unter denselben Bedingungen wie im Beispiel 2 einer Verschleissprüfung unterworfen, wobei jedoch zwei behandelte Scheiben A und B gegeneinander bewegt wurden. Nach einer Million Umdrehungen zeigten sich die nachstehenden Gewichtsverluste: Scheibe A: 0,3427 g Scheibe B: 0,2346 g Gesamtverlust: 0,5773 g.
Beispiel 6
Probestücke in Form von Amsler-Verschleissprüfscheiben aus einem zeigen Nickel-Chromeinsatzstahl En. 351 gemäss der britischen Patentbeschreibung Nr. 970 wurden erfindungsgemäss behandelt und anschliessend untersucht, wobei die Behandlungs- und Versuchsbedingungen die gleichen waren wie beim Stahl En. 34 im vorangehenden Beispiel 5. Dabei ergaben sich die nachstehenden Resultate: Vickers Härte HV, Belastung 2,5 kg: 428 - 437 Vickers Härte HV, Belastung 30 kg: 657 - 666 Rockwell Härte HRC: 62 - 63.
Die Amsler-Verschleissprüfung ergab nach einer Million Umdrehungen die nachstehenden Gewichtsverluste: Scheibe A: 0,2988 g Scheibe B: 0,2676 g Gesamtverlust: 0,5664 g.
Beispiel 7
Probestücke aus einem 2%igen Nickel-Molybdän -Einsatzstahl En. 34 gemäss der britischen Patentbeschreibung Nr. 970 wurden in einem Salzbad während zwei Stunden bei 8600C angereichert. Die Zusammensetzung des Bades kann der britischen Patentschrift Nr. 854349 entnommen werden. Anschliessend wurden sie entweder in ein Salzbad von 7300C gebracht, welches 18,1% NaCN. 17,7% NaCNO enthielt oder in ein gleiches Bad von 7600C mit 18,4% NaCN und 15,9% NaCNO. Die Proben wurden während 10 Minuten in das Bad eingetaucht und anschliessend in öl abgeschreckt.
Fig. 3 zeigt die Entwicklung der Härte mit zunehmender Entfernung von der Probenoberfläche.
Beispiel 8
Probestücke aus mittleren Kohlenstoffgehalt aufweisenden Legierungsstählen En. 18 bzw. En. 24 gemäss Verzeichnis Nr. 970 der Britisch Standards Institution wurden je den gleichen voneinander abweichenden Versuchsbedingungen unterworfen, wie dies im Beispiel 7 beschrieben ist. Fig. 6 und 7 zeigen die Entwicklung der Härte mit zunehmendem Abstand von der Probenoberfläche.
Beispiel 9
Probestücke aus Einsatzstählen En. 351 und En. 363 gemäss der britischen Patentbeschreibung Nr. 970 wurden während zwei Stunden bei 9100C in einem Anreicherungsbad angereichert, dessen Zusammensetzung in der britischen Patentschrift Nr. 854 349 beschrieben ist. Anschliessend wurden sie in gleicher Weise wie im Beispel 7 in Salzbäder von 730 bzw. 7600C gebracht und darin während 10 Minuten eingetaucht und anschliessend in öl abgeschreckt. Die Fig. 4 und 5 zeigen die Entwicklung der Härte mit zunehmender Entfernung von der Probenoberfläche.
Beispiel 10
Getriebeelemente für Automobilwasserpumpen aus Nickel-Chrom-Molybdän-Einsatzstahl nach SAE 8620 wurden in einer Gasatmosphäre angereichert, in einer Schutzatmosphäre langsam abgekühlt und in einem Salzbad mit 15% NaCN erneut auf 800-8200C aufgeheizt.
Anschliessend wurden sie in ein Salzbad von 7300C mit 21,59 NaCN und 20,1X7C NaCNO gebracht und darin während 10 Minuten gehalten und anschliessend in öl abgeschreckt. Die behandelten Getriebeelemente zeigten die nachstehenden Härteeigenschaften: Vickers Härte HV, Belastung 2,5 kg: 503 - 503 Vickers Härte HV, Belastung 30 kg: 690 - 710 Rockwell Härte HRC: 58 - 60.
Getriebeelemente für eine ölpumpe aus dem gleichen SAE 8620 Stahl wurden derselben Behandlung unterworfen mit dem Unterschied, dass das Salzbad zur erneuten Austenitisierung bei einer Temperatur von 800-8200C und einem NaCN-Gehalt von 16% und das konzentrierte Zyanatsalzbad eine Temperatur von 7300C, sowie 20,2% NaCN und 19,9% NaCNO aufwies. Die derart behandelten Getriebeelemente zeigten die nachstehenden Härteeigenschaften: Vickers Härte HV, Belastung 2,5 kg: 524 - 532 Vickers Härte HV, Belastung 30 kg: 741-769 Rockwell Härte HRC: 60 - 62.