DD215335A1 - Verfahren zur einstellung rand-kern-spezifischer eigenschaftskombinationen in eisenwerkstoffen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung rand-kernspezifischer Eigenschaftskombinationen in Eisenwerkstoffen durch Erzeugung ueberwiegend martensitischen Kerngefueges erhoehter Festigkeit oder/und Zaehigkeit kombiniert mit vorteilhaften komplexen Randeigenschaften, insbesondere mit verbessertem Verschleissverhalten, in Konstruktionsteilen und Werkzeugen der metallverarbeitenden Industrie, an die gesteigerte Anforderungen vorrangig an die mechanischen Eigenschaften sowohl von Rand als auch von Kern gestellt werden, mittels Kopplung chemisch-thermischer und thermischer Verfahren der Waermebehandlung. Erfindungsgemaess wird der Anreicherung der Werkstueckrandzone durch bekannte chemisch-thermische Behandlung mindestens mit den Nichtmetallen Stickstoff oder/und Kohlenstoff eine durchgreifende thermische Behandlung angeschlossen, die zur Martensitbildung im Kern fuehrt und dadurch gekennzeichnet ist, dass die primaer angereicherte Randzone keiner nachteiligen Eigenschaftsveraenderung unterliegt. Eine zusaetzliche Steigerung von Festigkeit oder/und Zaehigkeit wird durch abschliessendes Tiefkuehlen oder/und Anlassen erreicht.

Description

Verfahren zur Einstellung rand-kern-spezifischer Eigenschafts-' kombinationen in Eisenwerkstoffen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung vorwiegend martensitischen Gefüges erhöhter Festigkeit oder/und Zähigkeit kombiniert mit besonderen komplexen Randeigenschaften, insbesondere gesteigerter-Resistenz gegenüber Verschleiß, in entsprechend behandelten Werkstücken.

Die Anwendung des Verfahrens bezieht sich auf Konstruktionsteile und Werkzeuge aus Eisenwerkstoffen, insbesondere aus unlegierten und legierten Vergütungs- und Werkzeugstählen, an die erhöhte Anforderungen vorrangig an die mechanischen Eigenschaften sowohl von Rand als auch Kern gestellt werden. Das betrifft zahlreiche Anwendungsgebiete in der metallverarbeitenden Industrie, vorzugsweise im Maschinenbau, im Fahrzeugbau und in der Werkzeugindustrie.'

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Veränderung des chemischen, strukturellen sowie des Gefügeaufb-aues und damit der Werkstoffeigenschaften durch V/ärmebehandlungsverfahren ist bereits eine große Anzal von Technologien, Verfahrensvarianten und -kombinationen bekannt.

Für einen Großteil der Anwendungsfälle genügt es allein, die , Oberfläch.eneigenschaften zu verbessern, während anderenfalls Belastungsbedingungen vorliegen, die spezielle Anforderungen an die Eigenschaften des Bauteils oder Werkzeugs insgesamt stellen.

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Deshalb wurden Wärmebehandlungstechnologien ,entwickelt, die eine gezielte Eigenschaftsbeeinflussung sowohl von Rand als auch Kern zum Ziel haben.

So ist bekannt, daß das Einsatzhärten als Kombination chemischthermischer und thermischer Verfahren der Wärmebehandlung zur Erzielung aufeinander abgestimmter Rand- und Kerneigenschaften seit langem praktiziert wird und derzeit als Verfahrensgruppe zahlreicher technisch-technologischer Varianten industriell in großem Umfang genutzt wird. .'·.-·

Dielachteile, die den bekannten Einsatzhärtetechnologien, insbesondere den Teilprozeß Härten betreffend, in verschiedenster Weise anhaften, führten zur Entwicklung des Direkthärtens von der Aufkoblungstemperatur, wobei bekanntlich vorteilhaft das Neuaustenitisieren¹entfällt« . Das Verfahren stellt jedoch besondere Anforderungen an die Bebandelbarkeit des Werkstoffs hinsichtlich Kornwachsturasverhalten und Restaustenitanfälligkeit»

Beim Einsatzhärten zur Erzeugung stickstoff- oder stickstoff- und kohlenstoffmartensitischer Randschichten (z. B. DD-WP 198 385) ist aufgrund des thermischen Regimes, das hier infolge der Verschiebung der Umwandlungslinien durch Stickstoff sowie aufgrund äer 'Bereitsteilbarkeit des Stickstoffs als Diffusionselement (Stickstoffpotentialbildung) sinnvoll bei niedrigeren Temperaturen als beim Aufkohlungshärten geführt wird, eine durch Mar tens it bildung festigkeitssteigernde Beeinflussung des 7/erkstückkerns im Direkthärteprozeß nicht erreichbar.

In der DE-OS 2 263 6O3 werden technologische Gestaltungsmöglichkeiten des Aufkohlungshärtens beansprucht, wobei das beschriebene Verfahren Vorteile insbesondere durch eine erhöhte Aufkohlungstemperatur in der ersten Phase der Behandlung, eine anschließende Umwandlung in der Bainitstufe, direkt oder mit Zwischenabkiihlung auf Raumtemperatur, eine darauffolgende rasche Reaustenitisierung mit kurzer Haltedauer und anschließender rascher Abkühlung zum Zwecke- der Härtung der mit Kohlenstoff angereicherten Randzone aufweist, Nachteile dieses Verfahrens ergeben sich durch die Vielzahl der Verfahrensschritte, den damit verbundenen hohen gerätetecbnischen und.zeitlichen-Aufwand und die Tatsache, daß die Wirkung einer raschen Erwärmung auf die aufgekohlte Randzone beschränkt bleibt und der erzielte Effekt

durch das Halten bei Austenitisierungstemperatur zum Teil wieder rückgängig gemacht wird.

Die Erfindungsbescbreibung US-PS 3 137 596 bezieht sich auf \ eine nachträgliche induktive Wärmebehandlung von Nitrierscbichten auf Stahl, durch die eine Erhöhung der Härte an der Werkstückoberfläche und eine dickere harte.Zone als beim konventionellen Nitrieren erreicht wird, Nachteil dieser Verfahrenskombination ist, daß allein in einem relativ schmalen Bereich, der im wesentlichen von den Parametern der nach dem !Titrieren durchgeführten induktiven Wärmebehandlung bestimmt wird, eine höhere Härte erzielt wird, die Kerneigenschaften jedoch nicht verbessert werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, unter Beseitigung der Nachteile bekannter Verfahren in Konstruktionsteilen und Werkzeugen aus Sisenwerkstoffen, insbesondere aus unlegierten und legierten Vergütungsund Werkzeugstählen, vorwiegend martensitiscbes Kerngefüge erhöhter Festigkeit oder/und Zähigkeit mit vorteilhaften komplexen Randeigenschaften, insbesondere mit verbessertem Verschleißverhalten, zu kombinieren, um so gesteigerten Anforde-. rungen vorwiegend an die mechanischen Eigenschaften sowohl von Rand als auch Kern zu entsprechen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ökonomisches und techni-sch-tecbnologiscb wirkungsvolles Verfahren zu entwickeln, -mit dem durch zielgerichtete rand-kern-spezifische Veränderung des chemischen, strukturellen sowie Gefügeaufbaus und damit der Werkstoffeigenschaften vorwiegend martensitisches Kerngefüge mit erhöhter Festigkeit oder/und Zähigkeit kombiniert mit besonderen komplexen Randeigenschaften, insbesondere mit verbessertem Verschleißverhalten, in Konstruktionsteilen und Werkzeugen aus Eisenwerkstojffen, insbesondere aus unlegierten und legierten Vergütungs- und Werkzeugstählen, herstellbar ist.

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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zunächst durch bekannte chemisch-thermische Behandlung eine Anreicherung der Werkstückrandzone mindestens mit den Nichtmetallen Stickstoff oder/und Kohlenstoff und gegebenenfalls unter Zusatz weiterer Kichtmetall-Diffusionselemente bewirkt wird, die im Werkstoff interstitiell gelöst werden oder/und zur Bildung von Verbindungen mit dem Basismetall oder/und dessen Legierungselementen führen. Es folgt darauf eine eigenständige durchgreifende thermische Behandlung, deren Ziel in der Erzeugung überwiegend martensitiscben Kerngefüges erhöhter Festigkeit oder/und Zähigkeit ist,,wobei das thermische Regime erfindungsgemäß mit einer derart hohen Geschwindigkeit geführt wird, daß die angereicherte Randzone keine nachteilige'Eigenschaftaveränderung erfährt, indem die gebildeten Verbindungen erbalten bleiben oder/und die im Randbereich interstitiell gelösten Anteile der Diffusionselemente durch raartensitische Umwandlung in einen Zwangslösungszustand überführt werden.

Wesentlich ist, daß das thermische Regime mit geeigneten Ge-

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schwindigkeiten, bevorzugt größer¹ 50 Ks , auf Temperaturen über die A^-Temperatur des Kerns geführt wird und die sich unmittelbar anschließende Abkühlung mi.t einer Geschwindigkeit erfolgt, die zur Bildung von überwiegend martensitiscbem Kerngefüge führt.

Im Anschluß daran kann durch Tiefkühlen vorzugsweise bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs oder/und Anlassen, insbesondere Hochgeschwindigkeitsanlassen mit Aufbeizge3chwindigkeiten größer 50 Ks ,.. im bevorzugten Temperaturbereich von 473 K bis A₁-Temperatur des Kerns ein weiterer Festigkeitsoder/und Zähigkeitsanstieg erzielt werden.

Zur Realisierung der erfindungsgemäß durchzuführenden durchgreifenden, thermischen Behandlung zur Erzeugung des vorwiegend martensitischen Kerngefüges sowie zur Anlaßbehandlung, insbesondere einer Hochgeschwindigkeitsanlaßbehandlung, kommt vorzugsweise die Methode der konduktiven Schnellerwärmung zur Anwendung, die sich gegenüber konventionellen Methoden durch vergleichsweise geringen Energieverbrauch, extrem kurze Behandlungszeiten und einfache Realisierbarkeit der geforderten technologischen.Parameter auszeichnet.

V/eiterbin ist aufgrund der günstigen technologischen Bedingungen beim konduktiven Erwärmen die Anwendung dieser Methode auch mit Erwärmungsgeschwindigkeiten kleiner oder gleich 50 Ks" möglich.

Andere bekannte Verfahren zur Hochgeschwindigkeitswärmebehandlung, wie die induktive, Flammen-, Salzbad-, Metallbad- oder Plasma-Schnellerwärmung, können ebenfalls zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens angewendet werden, falls sie die Realisierung der für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlichen Parameter gestatten und diesbezüglich spezifische Vorteile gegenüber konventionellen Erwärmungsmethoden aufweisen.

Das Verfahren insgesamt kann vorteilhaft sowohl im stationären als auch im kontinuierlich Durchlaufbetrieb unter den Bedingungen automatisierter Fertigung angewendet werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Beispiel 1 :

In einem ammoniakaliscben Reaktionsgas wird die Rändzone von Werkstücken aus dem legierten Vergütungsstahl 5OCrV4 bei 843 K 4 Stunden mit Stickstoff und Kohlenstoff angereichert. Im Ergebnis dieser Behandlung entsteht eine karbonitridhaltige Schicht mit einer durchschnittlich 15 /im dicken Verbindungszone. Die Werkstücke werden danach einer durchgreifenden thermischen Behandlung zur Erzeugung martensitischen Kerngefüges unterzogen. Die Aufheitzgeschwindigkeit beträgt 500 Ks, die Austenitisierungstemperatur 1133 K und die Abkühlungsgeschwindigkeit ist größer als·die obere kritische. Es folgt ein Hochgeschwindigkeitsanlassen mit einer Temperatur von 843 K nach Schnellerwärmung mit 500 Ks" .

Figur 1 läßt dazu«folgendes erkennen: Der nach erfindungsgemaßer Behandlung entsprechend Beispiel 1 ermittelte Härte-Tiefe-Verlauf A weist eine hohe Kernhärte bei gleichzeitig hoher Maximalhärte dicht unterhalb der Werkstückoberfläche mit einem allmählichen Härteübergang von Rand zum Kern aus. Zum unmittelbaren Vergleich ist der Härte-Tiefe-Verlauf nach Verfabrensschritt Anreicherung der Randzone zur Erzeugung der -

karbonitridhaltigen Schicht B und der Härte-Tiefe-Verlauf nach Verfahrenaschritt Anreicherung mit anschließendem konventionellen Vergüten G dargestellt. ,

Beispiel 2:

Werkstücke aus 5OCrV4 werden entsprechend Beispiel 1 4 Stunden, bei 843 K mit einer karbonitridhaltigen Schicht verseben und an-

1 schließend konduktiv mit 400 Ks auf 1173 K erwärmt und mit oberer kritischer Geschwindigkeit abgekühlt. Als dritter Verfahrensschritt folgt ein Tiefkühlen in flüssigem Stickstoff.

Figur 1 enthält die ermittelte Kärte-Tiefe-Kurve als Ergebnis dieser Behandlung D, die den gleichen tendenziellen Verlauf wie Kurve A aus Beispiel 1 bei gesteigerter Rand- und Kernhärte aufweist.

Die Kennwerte des statischen Biegeversuchs, insbesondere die Biegefließgrenze, die Biegefestigkeit und die Durchbiegung der erfindungsgemäß behandelten Werkstücke übertreffen maßgeblich die Werte, die nach Verfahrensschritt Anreicherung der Randzone zur Erzeugung der karbonitridhaltigen Schicht bzw. nach Verfahrensschritt Anreicherung mit anschließendem konventionellen Vergüten ermittelt wurden.

Eine Qualitätsminderung der Werkstückoberfläche und der Randzone durch die erfindungsgemäß durchgeführte durchgreifende konduktive Hochgeschwindigkeitswärmebebandlung ist nicht feststellbar ... ' . ' ,/

Claims (7)

Erfindungsanspruch Γ ·

1. Verfahren zur Einstellung rand-kern-spezifischer Eigenschaftskombinationen in Eisenwerkstoffen durch Kopplung chemisch-thermischer und thermischer Prozesse der Wärmebehandlung, gekennzeichnet dadurch, daß die zu behandelnden Konstruktionsteile oder Werkzeuge nach einer Anreicherung der Randzone mindestens mit den Niehtmetallen Stickstoff oder/und Kohlenstoff einem durchgreifenden thermischen Regime zur Bildung ,überwiegend martensitischen Kerngefüges erhöhter Festigkeit oder/und Zähigkeit ausgesetzt werden, welches mit einer solchen Geschwindigkeit realisiert wird, daß in der angereicherten Randzone keine nachteilige Eigenschaftsveränderung eintritt, indem gebildete Verbindungen, der Diffu- ., sionselemente mit dem Baiswerkstoff oder/und dessen Legierungselementen erhalten bleiben oder/und die in der Randzone interstitiell gelösten Anteile der Diffusionselemente durch martensitische Umwandlung'in einen Zwangslösungszustand überführt werden.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Erwärmungsgeschwindigkeit des durchgreifenden tberrai- . sehen Regimes größer. 50 Ks"" ist.

3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß sich an das durchgreifende thermische Regime ein Tiefkühlen oder/und Anlassen anschließt.

4· Verfahren nach Punkt 1 bis 3> gekennzeichnet dadurch, daß das Tiefkühlen durch Tauchen in flüssigen Stickstoff oder/und Sauerstoff erfolgt.

5. Verfahren nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Anlassen im Temperaturbereich von 473 -^:- bis A₁-Temperatur des Kerns mit einer Erwarmungsgeschwindigkeit größer 50 Ks durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Punkt 1 bis 3 und 5, gekennzeichnet da-. durch, daß das durchgreifende thermische Regime und die Anlaßbehandlung mit der Methode der konduktiven Schnellerwärmung realisiert werden.

7. Verfahren nach Punkt 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die spezifischen Eigenscbaftskombinationen in Konstruktionsteilen und Werkzeugen aus Vergütungs- und Wer.kzeugstählen eingestellt werden.

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