Verfahren zurr Wärmebehandeln von Stahl Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zum Wärmebehandeln von durch Erhitzen in den Aus tenitbereich und Abschrecken härtbaren Stählen, sowie des nach dem Verfahren gehärtete Stahl.
Das vorliegende Verfahren dient der Härtung all jener Stähle, welche durch eine Erhitzung in den Austenitbe reich mit anschliessender Abschreckung härtbar sind, oh ne dass dem Stahl während der Erhitzung zusätzlich Koh lenstoff zugeführt werden muss. Das erfindungsgemässe Verfahren stellt somit eine verbesserte Änderung des Ver fahrens nach dem Hauptpatent dar. Der Einfachheit hal ber werden die vorerwähnten Stähle nachstehend mit ( < durch Erhitzen und Abschrecken härtbare Stähle be zeichnet. Solche Stähle sind die Kohlenstoff- und Guss- stähle mit einem mittleren bis hohen Kohlenstoffgehalt. Weiter sind verwendbar die legierten Stähle mit minde stens 0,25 Gew.-% Kohlenstoff.
Gegenstand des Haupt patentes bildet ein Verfahren zum Wärmebehandeln von unlegierten und legierten Einsatzstählen und von mittle ren Kohlenstoffgehalt aufweisenden Legierungsstählen. Nach jenem Verfahren wird eine Oberflächenschicht ein satzgehärtet, indem diese Schicht mit Stickstoff und Koh lenstoff zur Bildung einer Eisenstickstoffverbindung an gereichert wird. Diese Schicht ist bei hohen Reibungs drucken äusserst verschleissfest. Unter dieser verschleiss- festen Schicht bildet sich eine martensitische Härteschicht, welche ebenfalls Stickstoff und Kohlenstoff aufweist und einen hohen Eindringswiderstand aufweist.
Nach dem Hauptpatent ist vorgesehen, dass eine Oberflächenschicht des Stahles bis auf eine Tiefe von mindestens 0,13 mm dadurch einsatzgehärtet wird, dass der Stahl bei 800 bis 950 C in ein Anreicherungsmedium und nachher zum Ausgleichen mindestens 3 Minuten in ein Salzbad von 700 bis 770 C getaucht wird, welches, berechnet als NaCNO, wenigstens 5 Gew.-% Alkalimetallcyanat ent hält, und dass der Stahl anschliessend abgeschreckt wird.
Zweck der vorliegenden Erfindung war die Verbesse rung des Verfahrens nach dem Hauptpatent, um bei Stäh len die durch Erhitzen und Abschrecken härtbar sind, eine verschleissfeste, Stickstoff- und kohlenstoffreiche Oberflächenschicht zu erzielen, an welche ein gehärteter Kern anschliesst, der einen hohen Eindringwiderstand aufweist.
Erfindungsgemäss wird dieser Zweck dadurch er reicht, dass der Stahl in einem Heizmedium, welches kei ne Anreicherung des Stahles bewirkt, in den Austenit bereich erhitzt und anschliessend während mindestens 3 Minuten in ein Salzbad von 700 bis 770 C getaucht wird, welches, berechnet als NaCNO, wenigstens 5 Gew.-% Al- kalimetallcyanat enthält, und dass der Stahl anschliessend abgeschreckt wird.
Die Austenitisierung kann dabei nach bekannter Art in einer nicht oxidierenden Gasatmosphäre oder in einem neutralen Salzbad erfolgen. Bei Stählen mit hohem Koh lenstoffgehalt kann eine bekannte Karboriergesatmosphä- re od. ein Salzbad mit Cyanidsalz verwendet werden. Ob wohl diese Medien in der Regel eine karborierende Wir kung zeitigen, verhalten sie sich gegenüber Stählen mit einem hohen Kohlenstoffgehalt neutral.
Zur Ausführung des zweiten Verfahrensschrittes kann ein Salzbad verwendet werden, das neben Alkalimetall- cyanat Alkalimetallcyanid, Alkalimetallkarbonat und vorzugsweise Alkalimetallchlorid enthält, wie dies im Zu sammenhang mit einem sogenannten Karbonitrierverfah- ren in der britischen Patentschrift Nr. 1052 668 beschrie ben ist. Muss der Cyanatgehalt des Bades mindestens 10 Gew.-% betragen, so kann nach der in der erwähnten britischen Patentschrift beschriebenen Art und Weise vorgegangen werden.
Da die Behandlungstemperatur beim erwähnten britischen Patentschrift angegebenen Karbo- nitriertemperaturen liegt, sollte der Eisengehalt der le gierten Stahloberfläche des Badbehälters und allfälliger mit dem Salz in Berührung stehender Elektroden 22 Gew.-% nicht übersteigen und vorzugsweise zwischen 10 und 20 Gew.-% betragen. Bei Verwendung eines derar tigen Bades beträgt die Behandlungsdauer vorzugsweise 10 Minuten. Bei dieser Behandlung bildet sich eine Stick stoff- und kohlenstoffreiche Verbundschicht, welche an einem Mikroschliff eines derart behandelten Stahles fest stellbar ist.
Die Tiefe dieser Oberflächenschicht variiert zwischen 0,0076 und 0,0508 mm. Die Schichtdicke va riiert mit dem Cyanatgehalt und der Temperatur des Ba- des, wobei auch ein tieferes Eindringen des Stickstoffes in den Stahl möglich ist. Während dieser Behandlung bleibt der Stahl unter der Oberflächenschicht vorwiegend oder ganz im austenitischen Bereich.
Anschliessend an den zweiten Verfahrensschritt wird der Stahl durch eine Abschreckung rasch abgekühlt. Für die Abschreckung kann Wasser, Öl oder ein anderes ge eignetes Abschreckmedium verwendet werden, welches für die Härtung des Stahles besonders geeignet ist. Nach der Abschreckung wurde festgestellt, dass der unter der Oberflächenschicht befindliche Stahl gehärtet ist, wobei die härteste Zone an die Oberflächenschicht angrenzt. Die mit Kohlenstoff und Stickstoff angereicherte Ober flächenschicht weist unverändert eine Tiefe von 0,0076 bis 0,0508 mm auf und besitzt einen hohen Verschleiss- widerstand.
Die Kombination von gehärtetem Kern und ver- schleissfester Oberfläche im erfindungsgemäss behandel ten Stahl macht das erfindungsgemässe Verfahren be sonders nützlich für die Herstellung von Kipphebeln aus Stahl oder Gusseisen mit Kugelgraphit für die Steuerung von Motorventilelementen, von Getriebezahnrädern und von Werkzeug aus Kohlenstoff- oder legiertem Stahl.
Zur Herstellung von Gegenständen welche einem ho hen Reibungsverschleiss ausgesetzt sind, wird vorzugs weise ein Salzbad mit mindestens 10 Gew.-% Cyanat ver wendet, berechnet als NaCNO, da hierdurch eine maxi male Verschleissfestigkeit der Oberfläche erzielt wird. Cyanatgehalte zwischen 5 und 10 Gew.-% sind für Ge genstände geeignet, welche geringeren Beanspruchungen unterworfen werden. Trotzdem ist der dabei erreichte Verschleisswiderstand überraschend hoch und genügt den mannigfachsten Gebrauchsanforderungen. Anhand der nachstehend aufgeführten Beispiele wird die Erfindung weiter erläutert.
Vergleichsversuch Dieser Versuch zeigt zum Zwecke einer vergleichen den Betrachtung die Ergebnisse, wie sie bei der herkömm lichen Härtung von Kohlenstoffstahl erreicht werden.
Prüfkörper aus 0,9% Kohlenstoffwerkzeugstahl wur den in bekannter Weise gehärtet. Die Prüfkörper bestan den aus Scheiben von 0,4 cm Durchmesser. Ihre Dimen- sionierung war so gewählt, dass diese auf einer Amsler- Verschleissprüfmaschine geprüft werden konnten. Zum Härten wurden die Prüfkörper in einem neutralen Salz bad aus Natriumchlorid und Soda während 10 Minuten auf 780 C erhitzt und anschliessend im Wasser abge schreckt. Die Rockwellhärte der gehärteten Prüfkörper betrug C 65 bis 66.
Zwei gehärtete Prüfkörper A und B wurden anschliessend auf einer Amsler-Verschleissprüf- maschine geprüft. Bei dieser Prüfung wurden die Schei ben bei einer Belastung von 20 kg Kante gegen Kante gedreht. Die Umdrehungsgeschwindigkeit betrug 400 bzw. 440 U/min und war am Berührungspunkt gegenläufig. Die Scheiben wurden mit einem SAE 30 Mineralöl ge schmiert. Die Prüfung wurde nach<B>1000,</B> 9 000 und 25 000 Umdrehungen abgebrochen und die Scheiben er neut gewogen. Der Abbruch der Prüfung bei 25 000 Um drehungen erfolgte wegen des starken Verschleisses der Scheibe.
Der Gewichtsverlust der Scheiben betrug:
EMI0002.0032
Scheibe <SEP> A <SEP> 1,2623 <SEP> g
<tb> Scheibe <SEP> B <SEP> <B>0,1122g</B>
<tb> Gewichtsverlust <SEP> total <SEP> <B>1,3745-</B>
<tb> <B>C</B> Beispiel <I>1</I> Für die Amsler-Verschleissprüfung bestimmte Schei ben mit einem Durchmesser von 0,4 cm aus einem 0,9% Kohlenstoffwerkzeugstahl wurden analog dem Vergleichs versuch nach der erfindungsgemässen Verfahren behan delt. Die Scheiben wurden während 10 Minuten bei 800 C in einem neutralen Salzbad austenitisiert. Das Salz bad bestand aus einer Mischung von Natrium- und Ka liumchlorid. Anschliessend wurden die Scheiben direkt in ein Salzbad von 730 C gebracht. Das Bad enthielt 26,1% NaCN und 13,7% NaCNO; der Rest bestand aus Alkalimetallkarbonat.
Die Scheiben wurden in diesem Bad während 10 Minuten gehalten und anschliessend in Wasser abgeschreckt.
Eine Untersuchung der behandelten Scheiben ergab die nachstehende Härtecharakteristik:
EMI0002.0037
Vickershärte <SEP> HV <SEP> 2Y2 <SEP> 445 <SEP> bis <SEP> 463
<tb> Vickershärte <SEP> HV <SEP> 30 <SEP> 413 <SEP> bis <SEP> 418
<tb> Rockwellhärte <SEP> RHC <SEP> 38 <SEP> bis <SEP> 40 Die untersuchten Scheiben A und B wurden auf einer Amsler-Verschleissprüfmaschine einem Verschleissver- such unterworfen, wie dies im Vergleichsversuch darge stellt ist. Die Scheiben wurden nach bestimmten Inter vallen der Maschine entnommen und gewogen. Die Schei ben zeigten nach 1000 000 Umdrehungen noch keinen Verschleiss.
Der Gewichtsverlust der Scheiben betrug:
EMI0002.0043
Scheibe <SEP> A <SEP> 0.0056 <SEP> g
<tb> Scheibe <SEP> B <SEP> 0,0048 <SEP> g
<tb> Gewichtsverlust <SEP> total <SEP> <B>0,0104g</B> Beispiel <I>2</I> Scheiben für die Amsler-Verschleissprüfung mit einem Durchmesser von 0,4 cm aus einem 0,90/o Kohlenstoff stahl wurden während 10 Minuten in einem neutralen Salzbad bei 800 C austenitisiert, wie dies im Beispiel 1 beschrieben ist. Anschliessend wurden die Scheiben di rekt in ein Salzbad von 750 C, enthaltend 23,0% NaCN, 11,3% NaCNO, Rest Alkalimetallkarbonat, gebracht. Die Scheiben wurden in diesem Bad während 10 Minuten ge halten und anschliessend abgeschreckt.
Eine Untersuchung der derart behandelten Scheiben ergab die nachstehenden Härteeigenschaften.
EMI0002.0048
Vickershärte <SEP> HV <SEP> 21/ <SEP> 445 <SEP> bis <SEP> 454
<tb> Vickershärte <SEP> HV <SEP> 30 <SEP> 680 <SEP> bis <SEP> 690
<tb> Rockwellhärte <SEP> RHC <SEP> 61 <SEP> bis <SEP> 63 Zwei behandelte und wie im Beispiel 1 der Amsler- Verschleissprüfung unterworfene Scheiben A und B zeigten nach 1000 000 Umdrehungen keinen Verschleiss. Es ergab sich dabei der folgende Gewichtsverlust:
EMI0002.0051
Scheibe <SEP> A <SEP> 0,3256 <SEP> g
<tb> Scheibe <SEP> B <SEP> 0,2430 <SEP> g
<tb> Gewichtsverlust <SEP> total <SEP> 0,5686 <SEP> g