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
Method of Heat Treatment of Steel The present invention provides a method of heat treatment of steels hardenable by heating in the austenitic region and quenching, as well as the steel hardened by the method.
The present process is used to harden all those steels which can be hardened by heating in the austenitic area with subsequent quenching, without the need for additional carbon to be added to the steel during the heating. The method according to the invention thus represents an improved modification of the method according to the main patent. For the sake of simplicity, the steels mentioned above are hereinafter referred to as steels hardenable by heating and quenching. Such steels are carbon and cast steels with a medium Alloy steels with at least 0.25% by weight of carbon can also be used.
The subject of the main patent is a process for the heat treatment of unalloyed and alloyed case-hardening steels and alloy steels with a medium carbon content. According to that method, a surface layer is set-hardened in that this layer is enriched with nitrogen and carbon to form an iron-nitrogen compound. This layer is extremely wear-resistant at high friction pressures. Under this wear-resistant layer, a martensitic hardness layer forms, which also contains nitrogen and carbon and has a high penetration resistance.
According to the main patent, it is provided that a surface layer of the steel is case-hardened to a depth of at least 0.13 mm by placing the steel in an enrichment medium at 800 to 950 C and then for at least 3 minutes in a salt bath of 700 to 770 for equalization C is immersed, which, calculated as NaCNO, contains at least 5 wt .-% alkali metal cyanate, and that the steel is then quenched.
The purpose of the present invention was to improve the process according to the main patent in order to achieve a wear-resistant, nitrogen- and carbon-rich surface layer on steels that can be hardened by heating and quenching, which is followed by a hardened core that has a high penetration resistance.
According to the invention, this purpose is achieved in that the steel is heated in a heating medium, which does not cause enrichment of the steel, in the austenite area and then immersed for at least 3 minutes in a salt bath at 700 to 770 C, which is calculated as NaCNO , contains at least 5 wt .-% alkali metal cyanate, and that the steel is then quenched.
Austenitizing can take place in a known manner in a non-oxidizing gas atmosphere or in a neutral salt bath. In the case of steels with a high carbon content, a known carborating atmosphere or a salt bath with cyanide salt can be used. Although these media usually have a carburizing effect, they are neutral towards steels with a high carbon content.
To carry out the second process step, a salt bath can be used which, in addition to alkali metal cyanate, contains alkali metal cyanide, alkali metal carbonate and preferably alkali metal chloride, as is described in British Patent No. 1052 668 in connection with a so-called carbonitriding process. If the cyanate content of the bath has to be at least 10% by weight, the procedure described in the aforementioned British patent can be used.
Since the treatment temperature is the carbonitriding temperatures specified in the aforementioned British patent, the iron content of the alloyed steel surface of the bath tank and any electrodes in contact with the salt should not exceed 22% by weight and preferably be between 10 and 20% by weight. When using such a bath, the treatment time is preferably 10 minutes. During this treatment, a stick material and carbon-rich composite layer is formed, which can be determined on a microsection of a steel treated in this way.
The depth of this surface layer varies between 0.0076 and 0.0508 mm. The layer thickness varies with the cyanate content and the temperature of the bath, whereby deeper penetration of the nitrogen into the steel is also possible. During this treatment, the steel under the surface layer remains predominantly or entirely in the austenitic area.
Following the second process step, the steel is quickly cooled by a quench. Water, oil or another suitable quenching medium which is particularly suitable for hardening the steel can be used for the quenching. After the quenching, it was found that the steel under the surface layer is hardened, with the hardest zone being adjacent to the surface layer. The surface layer enriched with carbon and nitrogen remains unchanged at a depth of 0.0076 to 0.0508 mm and has a high wear resistance.
The combination of hardened core and wear-resistant surface in the steel treated according to the invention makes the inventive method particularly useful for the production of rocker arms made of steel or cast iron with spheroidal graphite for controlling engine valve elements, gear wheels and tools made of carbon or alloy steel .
To manufacture objects that are exposed to high frictional wear, a salt bath with at least 10% by weight of cyanate is preferably used, calculated as NaCNO, as this achieves maximum wear resistance of the surface. Cyanate contents between 5 and 10% by weight are suitable for objects that are subjected to less stress. In spite of this, the wear resistance achieved is surprisingly high and meets the most varied of usage requirements. The invention is further illustrated by the examples given below.
Comparative experiment This experiment shows, for the purpose of comparing the observation, the results as they are achieved with the conventional hardening of carbon steel.
Test specimens made from 0.9% carbon tool steel WUR hardened in a known manner. The test specimens consisted of discs 0.4 cm in diameter. Their dimensions were chosen so that they could be checked on an Amsler wear testing machine. For hardening, the test specimens were heated in a neutral salt bath made of sodium chloride and soda to 780 C for 10 minutes and then quenched in water. The Rockwell hardness of the hardened test specimens was C 65 to 66.
Two hardened test specimens A and B were then tested on an Amsler wear testing machine. In this test, the disks were turned edge against edge under a load of 20 kg. The speed of rotation was 400 or 440 rpm and was opposite at the point of contact. The discs were lubricated with an SAE 30 mineral oil. The test was stopped after <B> 1000, </B> 9,000 and 25,000 revolutions and the disks were weighed again. The test was aborted at 25,000 revolutions because of the severe wear on the disk.
The weight loss of the slices was:
EMI0002.0032
Washer <SEP> A <SEP> 1.2623 <SEP> g
<tb> Disc <SEP> B <SEP> <B> 0.1122g </B>
<tb> Weight loss <SEP> total <SEP> <B> 1,3745- </B>
<tb> <B> C </B> Example <I> 1 </I> For the Amsler wear test, discs with a diameter of 0.4 cm made from 0.9% carbon tool steel were tested in a similar way to the comparative test according to inventive method treats. The disks were austenitized for 10 minutes at 800 ° C. in a neutral salt bath. The salt bath consisted of a mixture of sodium and potassium chloride. The slices were then placed directly in a salt bath at 730.degree. The bath contained 26.1% NaCN and 13.7% NaCNO; the remainder consisted of alkali metal carbonate.
The disks were held in this bath for 10 minutes and then quenched in water.
An examination of the treated panes revealed the following hardness characteristics:
EMI0002.0037
Vickers hardness <SEP> HV <SEP> 2Y2 <SEP> 445 <SEP> to <SEP> 463
<tb> Vickers hardness <SEP> HV <SEP> 30 <SEP> 413 <SEP> to <SEP> 418
<tb> Rockwell hardness <SEP> RHC <SEP> 38 <SEP> to <SEP> 40 The disks A and B examined were subjected to a wear test on an Amsler wear testing machine, as is shown in the comparison test. The disks were removed from the machine at certain intervals and weighed. The discs showed no wear after 1,000,000 revolutions.
The weight loss of the slices was:
EMI0002.0043
Disk <SEP> A <SEP> 0.0056 <SEP> g
<tb> disc <SEP> B <SEP> 0.0048 <SEP> g
<tb> Weight loss <SEP> total <SEP> <B> 0.0104g </B> Example <I> 2 </I> discs for the Amsler wear test with a diameter of 0.4 cm from a 0.90 / o Carbon steel was austenitized for 10 minutes in a neutral salt bath at 800 C, as described in Example 1. The discs were then placed directly in a salt bath at 750 ° C. containing 23.0% NaCN, 11.3% NaCNO, the remainder being alkali metal carbonate. The disks were held in this bath for 10 minutes and then quenched.
An examination of the disks treated in this way revealed the following hardness properties.
EMI0002.0048
Vickers hardness <SEP> HV <SEP> 21 / <SEP> 445 <SEP> to <SEP> 454
<tb> Vickers hardness <SEP> HV <SEP> 30 <SEP> 680 <SEP> to <SEP> 690
<tb> Rockwell hardness <SEP> RHC <SEP> 61 <SEP> to <SEP> 63 Two disks A and B treated and subjected to the Amsler wear test as in Example 1 showed no wear after 1000,000 revolutions. The following weight loss resulted:
EMI0002.0051
Washer <SEP> A <SEP> 0.3256 <SEP> g
<tb> disc <SEP> B <SEP> 0.2430 <SEP> g
<tb> Weight loss <SEP> total <SEP> 0.5686 <SEP> g