DD140761B1 - Verfahren zum lokalen schutz von eisen-und stahlteilen bei waermebehandlungen - Google Patents
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Description
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Titel der Erfindung
Verfahren zum lokalen Schutz von Eisen- und Stahlteilen bei Wärmebehandlungen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum lokalen Schutz der Oberfläche von Eisen- und Stahlteilen vor der Aufnahme von Kohlenstoff, Stickstoff und Bor beim Glühen in gasförmigen und festen Medien bis 1100 0C.
Charakteristik der ^bekannten technischen Lösungen Bei der chemisch-thermischen Wärmebehandlung von Eisen und Stahl ist es oftmals erforderlich ausgewählte Partien der Oberfläche des Werkstückes vor der Einwirkung von Kohlenstoff, Stickstoff oder Bor lokal zu schützen, während andere Partien möglichst vollständig der Einwirkung dieser Uittel ausgesetzt sein sollen. Beispielsv/eise können dadurch bei nachträglichem Abschrecken wesentliche örtliche Härteunterschiede des Werkstückes erreicht werden. Die weicheren Partien die z. B. weniger Kohlenstoff enthalten, können dann leicht mechanisch nachgearbeitet werden, während die ungeschützten Stellen eine hohe Sollhärte erreicht haben. Außerdem sind je nach Beanspruchungsart des Werkstückes auch die unterschiedlichen Festigkeitswerte des Werkstückes von Bedeutung. Es sind eine größere Zahl von Verfahren bekannt, durch die ein lokaler Schutz erreicht werden kann.
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So werden die zu schützenden Stellen des Werkstückes durch Stahlteile abgedeckt, die dann allerdings einem starken Verschleiß unterliegen. Bekannt ist weiterhin das Abdecken mit Mitteln auf der Basis von Borsäure, Wasserglas und Glaspulver, die meistens mit Metalloxiden gemischt und mit organischen Lösungsmitteln und Füllstoffen angereichert sind. Ferner ist bekannt, daß zu diesem Zweck verschiedene Metallschichten aufgebracht werden können. Bei hohen Anforderungen an die Schutzwirkung hat sich aber nur Kupfer bewährt, das auf den betreffenden Stellen des Werkstückes galvanisch abgeschieden wird.
Weiterhin ist bekannt, daß oxidbildende Stahlbegleiter im allgemeinen den Durchtritt von Kohlenstoff und Stickstoff durch die Oberfläche des Eisenwerkstoffes hemmen. Eine notwendige Bedingung für die Wirkung dieser Elemente besteht darin, daß diese trotz ihrer Verdünnung im Stahl, schon bei einem geringeren Sauerstoffpotential als Eisen oxidiert werden und eine entsprechende oxidierende Atmosphäre während des Glühprozesses vorhanden ist. Natürlich kann aus einer solchen allgemeinen Aussage kein Verfahren zum lokalen Oberflächenschutz bei chemisch-thermischen Behandlungen abgeleitet werden, daß darin bestünde, beliebige leicht oxidierbare Metallschichten aufzubringen, da insbesondere über die Haftfestigkeit und die Porosität derartiger Schichten keine allgemeine Voraussage möglich ist.
Andererseits sind eine Vielzahl technischer Lösungen bekannt, die die Y/irkung von leicht oxidierbaren Metallen als Zunder- und Korrosionsschutz nutzen, u.a. das Aufbringen von Kanthai und Aluminium, auch mit Magnesium- und Zinkzusätzen, sowie von einigen hochlegierten Stählen durch chemisch-thermische und spritzmetallurgische Verfahren und durch Tauchverfahren. Bekannt ist, daß Aluminium mit einer Schichtdicke von 200 ,um Schutz vor Verzunderung bis 600 0C bietet. Eine Hemmung der Verzunde-
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rung kann auch bis 950 0C durch Aluminium bewirkt werden, wenn die Schichtdicke ca. 300 /um beträgt. Dazu ist aber eine Vorgliihung des Werkstückes (Alitierung) von mehreren Stunden bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium erforderlich, um es durch eine Pestkörperreaktion vollständig mit den oberflächennahen Gebieten des Stahles umzusetzen, wodurch ein Abtropfen sowohl bei der Alitierung, als auch bei der Anwendung bei höheren Temperaturen ausgeschlossen ist. Die bei der Vorgliihung entstehende breite Verbindungs- und Diffusionszone verhindert die Verzunderung des Grundwerkstoffes. Es ist auch bekannt, daß derartige dicke Aluminiumschichten einen Schutz gegen die Entkohlung hochkohlenstoffhaltiger Stähle bei Glüh- irncl Warmverformungsbehandlung bewirken (DE-OS 23 19 673).
Neuerdings wurde durch die DE-OS 23 19 678 vorgeschlagen, Aluminium mit Cer und anderen Lanthaniden zu versetzen und durch ein Tauchverfahren und eine nachträgliche Hochtemperaturbehandlung an der Luft, offensichtlich zum Zwecke der Ausbildung einer besonders dicken Cer/Aluminium-Mischoxidschicht als Schutz vor der Verzunderung, aber auch der Kohlenstoffaufnahme bei Pyrolyseprozessen, auszunutzen. Eine technische Lösung, Aluminium zum lokalen Oberflächenschutz bei chemisch-thermischen Behandlungen von Werkstücken zu nutzen, ist nicht bekannt.
Weiterhin wird in der DD-WP 117 893 vorgeschlagen, daß vor der Y/ärmebehandlung auf die zu schützenden Partien der Oberfläche von Eisen- und Stahlteilen eine Schicht eines zur Oberflächensegregation neigende Metalles, insbesondere Antimon oder eine Verbindung eines solchen Metalles aufgebracht wird.
Der Nachteil der angeführten Verfahren besteht in ihrer Störanfälligkeit. Mit Ausnahme der Verwendung galvanisch abgeschiedener Kupferüberzüge zeigen die Verfahren auch nur eine begrenzte Schutzwirkung. Bei Kupferüberzügen tre-
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ten Qualitätsmängel auf, wenn die galvanische Abscheidung keine porenfreie Überzüge liefert. Das Verfahren ist allgemein unwirtschaftlich. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens ist die Gefährdung der Umwelt durch cyanidhaitiger Bäder, bzw. die Notwendigkeit der Verwendung teuerer Entgiftungs- und Neutralisationsanlagen für die Abwasser. Weiterhin haben Kupferüberzüge bei den typischen Anwendungsfällen die unbeabsichtigte Nebenwirkung, daß sie auch nach den chemisch-thermischen Behandlungen noch fest am Werkstück haften und diese bei den Folgeprozessen der Fertigung bestehen bleiben. Nachfolgende Glühbehandlungen, z. B. zum Zwecke der Beseitigung von Abschreckspannungen, werden u. a. auch durch Erwärmung mit Mittelfrequenz durchgeführt, wobei wegen der höheren elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers infolge des Skin-Effektes eine ungenügende Querschnittserwärmung eintritt.
Andere Metallüberzüge, außer Kupfer, z. B. Nickelüberzüge haben keine ausreichende Schutzwirkung oder sind unrentabel, wie im Falle des Verzinnens.
Technische Lösungen, die die Wirkung von stark oxidierenden Metallen als lokales Schutzmittel bei chemisch-thermischen Behandlungen ausnutzen, sind unbekannt. Nicht nachgeglühte Aluminiumschichten der üblichen Art, sind ungeeignet. Alitierschichten, wie sie zum Korrosionsschutz bis 950 C verwendet werden, können zum lokalen Schutz bei chemisch-thermischen Behandlungen nicht angewendet werden, da die Stähle oberhalb 900 C im allgemeinen bis in größere Tiefen auflegiert werden. Um die bekannten Alitierschichten zu nutzen, wären größere Aufmaße notwendig, die mit einem hohen Materialverlust und Arbeitsaufwand bei einer nachträglichen Abarbeitung verbunden sind. Vor allem ist aber die Schutzwirkung, speziell gegen Anreicherung von Kohlenstoff unvollständig. Versuchsweise durch Alitieren geschützte Teile waren an der Oberfläche nach dem Abschrekken zu hart. Sicher wäre die auch bei den dicken Schichten notwendige Vorglühung keine wirtschaftliche Lösung. Offensichtlich sind das die Gründe, daß Aluminium als lokales
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Schutzmittel bei chemisch-thermischen Wärmebehandlungen nicht angewendet wird. Y/eiterhin wird die Begrenzung auf 950 0C al-s Mangel empfunden, da einige Behandlungen * z. B. Borieren bis 1100 0C benötigen. Die Ursache für den zu hohen Kohlenstoffgehalt in randnahen Schichten, der bei üblichen Alitierschichten auftritt, wurde erkannt. Sie soll am Beispiel eines Einsatzstahles mit 0,2 % Kohlenstoff, der mit 300 /Um Aluminium überzogen wird, erläutert werden.
Während der zur Alitierung gehörenden Vorglühung unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium bildet sich die bekannte Alitierschicht mit ihrer Diffusionszone aus, die sich bei der nachfolgenden chemisch-thermischen Behandlung noch verbreitert. Die Diffusionszone besteht vorwiegend aus aluminiumhaltigen ferritischen Material, in dem sich jedoch nur unbedeutend v/enig Kohlenstoff löst. Dieser wird deshalb gleichzeitig mit der Bildung und dem Wachstum der Diffusionszone in die bei Glühtermperatur austenitischen, tieferen Schichten des Stahles überführt, wodurch sich der Kohlenstoffgehalt an der Phasengrenze zwischen dem Randferrit und dem Stahl bis auf etwa 0,4 % erhöht. Diese Konzentrationszunahme genügt aber bereits, um nach dem Abschrecken ungeeignet hohe Härtewerte zu bewirken. Der hohe Randkohlenstoffgehalt, der bei der versuchsweisen Anwendung von Alitierschichten auftritt, hat nicht seine Ursache in einer ungenügenden Schutzwirkung von Aluminium gegenüber angrenzenden Medien, sondern in dem geschilderten Verdrängungseffekt. Die Verwendung von Cer-Zusätzen zu Aluminium und die damit verbundene Hochtemperaturvorglühung läßt sich zumindest bei hochqualitativen Einsatzstählen nicht durchführen. Abgesehen von der Notwendigkeit einer Glüheinrichtung und dem Einsatz von Cer, die ein solches Verfahren unwirtschaftlich machen.würden, tritt bei Einsatzstählen während der Hochtemperaturglühung eine Kernvergrößerung und in der Folge davon ein Abfall der Festigkeit und der Plastizität des Werkstückes auf. Es ist
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auch zu erwarten, daß der Randkohlenstoffgehalt - durch die gleichen Ursachen bedingt, wie bei gewöhnlichen Alitierschichten - für die Anwendung als lokales Schutzmittel bei chemisch-thermischen Behandlungen noch zu hoch liegt.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, auf die Verwendung von Kupfer als lokales Schutzmittel bei chemisch-thermischen Wärmebehandlungen von Eisen und Stahl zu verzichten, wodurch die damit verbundenen Verfahren bedingten Gefahren für die Umwelt beseitigt werden und einen Weg. aufzuzeichnen, den lokalen Schutz auf billigere und einfachere Y/eise zu bewirken.
Darlegung des Wesens der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum lokalen Schutz gegen die Aufnahme von Kohlenstoff, Stickstoff und Bor bei chemisch-thermischen Wärmebehandlungen bis 1100 ( zu schaffen, das die gleiche Schutzwirkung wie galvanisch abgeschiedene Kupferschichten zeigt, jedoch weniger störanfällig ist. Außerdem soll das Verfahren so gestaltet sein, daß es ohne umfangreiche Vor- und Zwischenbehandlungen auskommt und wesentlich ökonomischer ist als das galvanische Verkupfern.
Das erfinderische Verfahren soll sich besonders für den Einsatz in der Serienproduktion eignen und Automatisierungsmöglichkeiten anbieten.
Die Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß Aluminium zum lokalen Schutz der Oberfläche von Eisen- und Stahlteilen in einer Schichtstärke von 10 bis 100 /um vor der Wärmebehandlung auf die zu schützenden Partien der Oberfläche mit Hilfe eines Flammenspritzverfahrens aufgebracht wird, wobei der Aufbau der vorzugsweise mechanisierten Spritzeinrichtung, die Parameter der Spritzpistole und der Abstand zum Werkstück, der etwa 15 bis 25 cm betragen soll, und die gewählte Zeitdauer sowie
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die Intensität des Strahles so aufeinander abzustimmen sind, daß die Schichtdicke in der angegebenen Toleranz liegt. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, eine Schichtdicke von 10 bis 30 /um aufzuspritzen.
Die genannte niedrige Schichtdicke ermöglicht es, auf eine Vorglühung zur Erzeugung einer Alitierschicht zu verzichten, da die Schicht auch bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium infolge der Oberflächenspannung so lange erhalten bleibt, bis die Bildung der Legierungs- und Diffusionszone bei der Temperatur der chemisch-thermischen Wärmebehandlung auch ohne Vorglühung abgeschlossen ist. Bei dickeren Schichten besteht ohne eine längere Vorglühung im Bereich um 600 C die Gefahr des Abtropfens. Außerdem entstehen mit wachsenden Schichtdicken diejenigen Mängel, die auch den Einsatz von Alitierschichten unmöglich machen. Genauso ungünstig, wie eine zu hohe Schichtdicke ist ein Unterschreiten von 10 /um. In diesem Falle lösen sich die intermetallischen Pe Al -
x у
Phasen bei der chemisch-thermischen Wärmebehandlung oberhalb 900 0C vollständig auf und die im allgemein verbleibende aluminiumhaltige ferritische Phase zeigt bei dem relativ geringen Sauerstoffpotential der umgebenden Karburierungs-, Uitrierungs- und Borierungsmedien nicht mehr die ausreichende Schutzwirkung.
Günstig wirkt es sich aus, daß Aluminium bei den Temperaturen der meisten chemisch-thermischen Wärmebehandlungen flüssig wird, so daß sich Ungleichmäßigkeiten im mikroskopischen Sinne, d. h., Poren usw. bereits während des Aufheizvorganges schnell ausgleichen. Das Verfahren versagt auch dann nicht, wenn die spritzmetallurgische Schicht im Mikroskop sichtbare Lücken aufweist, durch die der Grundwerkstoff noch zu erkennen ist.
Von neueren Spritzverfahren ist bekannt, daß diese zwar schnell dicke Schichten auftragen, daß aber bei der Schaffung von dünnen Schichten und den damit verbundenen kürzeren Spritzzeiten Ungleichmäßigkeiten im makroskopischen
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Sinne auftreten, weshalb diese Spritzverfahren im vorliegenden Falle ungeeignet sind.
Zweckmäßig ist es, zum Spritzen drahtförmiges Aluminium zu verwenden. An die Qualität des verwendeten Aluminiums werden keine besonderen Anforderungen gestellt, es kann u. a. Aluminium mit Llagnesiumzusätzen Verwendung finden. Zum Schmelzen des Spritzgutes hat sich ein Brennstoffsauerstoffgemisch insbes. ein Propan-Sauerstoffgemisch oder Butan-Sauerstoffgemisch als vorteilhaft erwiesen. V/eiterhin wird vorgeschlagen, diejenigen Bereiche der Oberfläche des Werkstückes, die nicht mit einer Schutzschicht versehen werden sollen oder gefährdete Teile der Spritzeinrichtung mit Blechen oder ähnlich abzudecken oder/und mit Trennmitteln zu benetzen.
Die aufgespritzten Aluminiumschichten erlauben es aufgrund ihrer Haftfähigkeit, daß das mit einer Schutzschicht versehene Werkstück vor der chemisch-thermischen Wärmebehandlung mechanisch bearbeitet wird.
Die chemisch-thermische Behandlung des Werkstückes kann bis 1100 0C in festen und gasförmigen Medien, z. B. in Einsatzpulvern, in Endogas oder Tropfgas, in Ammoniak oder ammoniakhaltigen Gasen, also auch bei der Nitrierung und Karbonitrierung, und auch in festen Borverbindungen erfolgen. Dabei wird ein wirksamer lokaler Schutz vor der Aufnahme von Kohlenstoff, Stickstoff und Bor erreicht. Im allgemeinen ist nach dem Abhärten des V/ rkstückes eine Reinigung üblich. Diese wird durch mechanisches Strahlen durchgeführt, bei der die noch vorhandenen spröden Pe Al-
Phasen vollkommen beseitigt werden. Eine Entfernung der befindlichen festhaftenden ferritischen Phase ist bei der Verwendung des Werkstückes unter nicht oder wenig korrosiven Bedingung, z. B. in Motoren oder Getrieben nicht erforderlich. In anderen Fällen muß jeweils geprüft werden, ob die relativ weiche ferritische Schicht die beim Einsatz von Aluminiumschichten zwischen Ί0 bis 30 /um nach der Wärmebehandlung etwa 100 /um beträgt, durch längeres Strahlen ebenfalls entfernt werden muß.
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Eventuell erforderlich Mittelfrequenzerwärmungen von geschützten Werkstücken können nach der Härtung ohne eine Entfernung der Schutzschichten unmittelbar ausgeführt werden, da die elektrischen Kenngrößen der Diffusionszone denen des Grundwerkstoffes nahekommen.
Ausführungsbeispiel
Bei Pleuelstangen für Vergasermotoren aus dem Werkstoff 16 MnCr 5 müssen die Pleuelaugen einsatzgehärtet werden. Die chemisch-thermische Wärmebehandlung erfolgt in einer geregelten Gasatmosphäre bei 930 0C mit einem C-Potential von 0,9 %.
Die Einsatzhärtetiefe beträgt 1,2 mm. Der Schaft hat bei ausreichender Festigkeit noch erhöhte Plastizität zu besitzen. Deshalb ist es erforderlich, den Schaft vollständig vor dem Aufkohlen zu schützen.
Der Schutz wird dadurch gewährleistet, daß die Pleuelstangen nach der Eeinigung und Aufrauhung der Oberfläche durch mechanisches Strahlen mit einer Schicht aus Aluminium von 10 bis 30 #um versehen werden. Das Auftragen des Aluminiums, das als drahtföriniges Halbzeug vorliegt, erfolgt mittels Plamnenspritzen durch ein Propan-Sauerstoffgeiaisch. Der Abstand zwischen der Spritzdüse und der Pleuelstange beträgt 20 cm.
Das Aufspritzen des Aluminiums auf den Schaft der Pleuelstange wird in einer mechanisierten Anlage vorgenommen. Diese Anlage besteht im wesentlichen aus zwei hintereinanderliegenden, abgesetzten Transportbändern, auf denen die Pleuelstangen an den Spritzdüsen vorbeigeführt werden. Das Ausrichten der Pleuelstangen erfolgt mit Leitblechen. Zwischen beiden Transportbändern werden die Pleuelstangen ebenfalls mittels Leitblechen gewendet.
Gefährdete Teile der Spritzanlage werden mit Trennmitteln benetzt, die Pleuelaugen werden abgedeckt. Die weitere spanende Bearbeitung an den Pleuelstangen erfolgt nach dem Flammenspritzen.
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Nach dem Aufkohlen der ungeschützten Partien und dem Härten werden die Pleuelstangen nochmals mechnisch gestrahlt, wobei die spröden Anteile der Aluminiumschicht beseitigt werden. Es folgt eine induktive Mittelfrequenzerwärmung des Schaftes zur Erreichung der geforderten erhöhten Plastizität.
Claims (7)
1. Verfahren zum lokalen Schutz der Oberfläche von Eisen- und Stahlteilen gegen die Aufnahme von Kohlenstoff, Stickstoff und Bor bei Wärmebehandlungen in karburierenden, nitrierenden und borierenden gasförmigen und festen Medien bis 1100 0C, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Wärmebehandlung die zu schützenden Bereiche der Oberfläche des Werkstückes durch ein Flammenspritzverfahren mit einer Aluminiumschicht von 10 bis 100 /um versehen werden, wobei der Aufbau der vorzugsweise mechanisierten Spritzeinrichtung, die Parameter der Spritzpistole und der Abstand zum Werkstück, der etwa 15 bis 25 cm beträgt, und die gewählte Zeitdauer sowie die Intensität des Strahles, so aufeinander abzustimmen sind, daß die Schichtdicke in der angegebenen Toleranz liegt.
2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht von 10 bis 30 /um aufgespritzt wird.
3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Spritzen drahtfö'rmiges Halbzeug aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen verwendet werden.
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4· Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schmelzen des Spritzgutes ein Brennstoff-Sauerstoffgemisch verwendet wird.
5. Verfahren nach Punkt 4» dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff Propan oder Butan verwendet werden.
6. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche der Oberfläche des Werkstückes, die nicht gespritzt werden sollen, und gefährdete Teile der Spritzeinrichtung abgedeckt· oder/und mit Trennmittel benetzt werden.
7» Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Schutzschicht versehene Werkstück vor der chemisch-thermischen Wärmebehandlung bearbeitet wird.
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