DD286626A5

DD286626A5 - METHOD FOR INCREASING THE WEAR AND CORROSION RESISTANCE OF THERMOPHYLENE-TREATED IRON MATERIALS

Info

Publication number: DD286626A5
Application number: DD31787388A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Lerche
Original assignee: Bergakademie Freiberg,De
Priority date: 1988-07-13
Filing date: 1988-07-13
Publication date: 1991-01-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhoehung des Verschleisz- und Korrosionswiderstandes thermisch-chemisch behandelter Eisenwerkstoffe und dient der Verbesserung der Eigenschaften bereits durch thermisch-chemische Oberflaechenbehandlung erzeugter Randschichten und ist insbesondere im Maschinen- und Anlagenbau anwendbar. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz die randschichtgehaerteten Eisenwerkstoffoberflaechen im Randschichtbereich bis zu 50 Mikrometer mittels einer Waermequelle auf eine zwischen Solidus und Liquidus liegende Temperatur erwaermt und in diesem zweiphasigen Werkstoffzustand feste Werkstoffpartikeln mit einer Groesze zwischen 0,1 und 50 Mikrometer mit einer die Festigkeit der Werkstoffoberflaeche beruecksichtigenden Kraft mechanisch im Bereich von 0,1 bis 50 Mikrometern eingearbeitet werden.{Oberflaechenbehandlung; Werkstoff; Oberflaeche; Verschleisz- und Korrosionswiderstand; Maschinenbau; Werkstoffpartikeln; Temperatur; Solidus; Liquidus}The invention relates to a method for increasing the Verschleisz- and corrosion resistance of thermally-chemically treated ferrous materials and serves to improve the properties already produced by thermal-chemical surface treatment surface layers and is particularly applicable in mechanical and plant engineering. According to the invention, the object is achieved by heating the surface-hardened iron material surfaces in the edge layer region up to 50 micrometers by means of a heat source to a temperature lying between solidus and liquidus and in this two-phase material state solid material particles having a size between 0.1 and 50 micrometers with a strength the surface of the material is mechanically incorporated in the range of 0.1 to 50 micrometers. {surface treatment; Material; Surface; Wear and corrosion resistance; Mechanical engineering; Material particles; Temperature; Solidus; liquidus}

Description

Anwendungsgebiet der Erfn;HungField of application of the invention Hung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften bereits durch thermisch-chemische Oberflechenbehandlung erzeugter Randschichten auf Eisenwerkstoffen.The invention relates to a method for further improving the properties already produced by thermal-chemical Oberflechenbehandlung edge layers on ferrous materials.

Charakteristik des bekannten Stande· der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Durch thermisch-chemische Behandlung ist es möglich, Randschichten auf Eisenwerkstoffen zu erzeugen, die sich in ihren Eigenschaften von dem Ausgangsmaterial grundsätzlich unterscheiden. Dta dafür in der Hauptsache im Oberflächenbereich genutzten Elemente sind der Kohlenstoff und der Stickstoff, welche einzeln oder auch gemeinsam bei den thermisch-chomischon Behandlungsverfahren Aufkohlen, Nitrierhärten und Nitrieren nach üblichen Technologien in der Eisenoberfläche angereichert werden (Technologie der Wärmebehandlung, H.-J. ECKSTEIN.VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 2. AuflageBy thermal-chemical treatment, it is possible to produce surface layers on iron materials, which differ fundamentally in their properties from the starting material. The elements mainly used in the surface area are the carbon and the nitrogen, which are individually or jointly enriched in the thermal-chomischon treatment processes carburizing, nitriding and nitriding according to conventional technologies in the iron surface (technology of heat treatment, H.-J. ECKSTEIN.VEB German publishing house for raw materials industry, Leipzig, 2nd edition

Das Ergebnis nach dem Einsatzhärten ist eine hohe Härte am Rand, die vom erreichten Kohlenstoffgehalt und dem verwendeten Stahl abhängt und 36HRC nicht übersteigt. Dio technisch noch realisierbare Einsatzhärtetiefe beträgt ca. 5mm. Das Ergebnis nach dem Nitrieren ist ein Schichtaufbau, der durch eine nach Geometrie und Struktur variable Verbindungsschicht mit darunter liegender Ausscheidungsschicht gekennzeichnet ist Die erreichbare Härte in der Verbindungsschicht beträgt 1600-2000HV 0,04, diejenige der Ai sscheidungsschicht direkt unter der Verbindungsschicht 1200-1600 HV 0,1 und die Nitrierhärtetiefe kann üblicherweise bis 1 mm betragen, in Sonderfällen darüber. Durch das Nitrierhärten kann ein Schichtaufbau zwischen Einsatzhärten und Nitrieren erzeugt werden, und die erreichbaren Schichtkennwerte ordnen sich ebenfalls dazwischenThe result after case hardening is a high hardness at the edge, which depends on the carbon content achieved and the steel used and does not exceed 36HRC. Dio technically feasible case depth is about 5mm. The result after nitriding is a layer structure characterized by a connection layer variable in geometry and structure with an underlying precipitation layer. The attainable hardness in the connection layer is 1600-2000HV 0.04, that of the deposition layer directly under the interconnection layer 1200-1600 HV 0.1 and the Nitrierhärtiefe can usually be up to 1 mm, in special cases about. By nitriding a layer structure between case hardening and nitriding can be generated, and the achievable layer characteristics also interpose

Wesentlich höhere HärteweMo weisen Hartstoffe auf. Für TiC und TiN werden nach Mathssius (VDI-Bericht, Düsseldorf, 1986, Nr. 624, S.37-48)Werto von 3400-4000 bzw. 180O-24O0HV 0,5 angegeben, ihre Abscheidung auf der Eisonoberfläche, beispielsweise mit don modernen Verfahren CVD oder PVD (Kiefor, J. u. Pachor, O.; Freiberger Forschungsheft B261, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, 1987, S.36-46), läßt oberflächlich äußerst große Härten erreichen. Dio so erzeugten Schichtdicken sind allerdings gering und betragen üblicherweise wuniger als 10 Mikrometer.Much higher hardness We have hard materials. According to Mathssius (VDI Report, Dusseldorf, 1986, No. 624, pp. 37-48), values of 3400-4000 or 180O-24O0HV 0.5 are given for TiC and TiN, their deposition on the Eison surface, for example with don CVD or PVD (Kiefor, J. and Pachor, O., Freiberger research book B261, VEB German publishing house for basic industry Leipzig, 1987, pp. 36-46), can reach superficial extremely great hardness. However, layer thicknesses produced in this way are small and are usually less than 10 micrometers.

Während thermisch-chemische Verfahren das Erzeugen großer Schichtdickon mit einem technisch nutzbaren Härteanstieg ermöglichen, sind superhart«) Schichten nur mit geringen Schichtdicken oberflächlich abzuscheiden. Durch diese Härteunterschiede sind Unterschiede im Verhalten bei Verschleißbeanspruchung bedingt, während durch das Erzeugen einer vorwiegend aus Epsilon-Nitrid bestehenden Vorbindungsschicht beim Nitrieren die Eisenoberfläche korrosionsfester wird, sind durch das Erzaugen einor Einsatzschicht keine solchen positivon Folgewirkungen zu verzeichnen. Dagegen wird durch das Hartstoffbeschichten der Korrosionswiderstand erhöht.While thermal-chemical processes make it possible to produce large layer thicknesses with a technically usable increase in hardness, superhard ") layers can be deposited superficially only with small layer thicknesses. Due to these differences in hardness differences in the behavior under wear stress are caused, while the iron surface is more corrosion-resistant by the production of a predominantly made of epsilon nitride precoat nitriding, are by Erzaugen einor use layer no such positivon follow-up effects recorded. By contrast, the corrosion resistance is increased by the hard coating.

Ziel dor ErfindungAim of the invention

Ziel dor Erfindung ist eine weitere Eigenschaftsver besserung bereits thermisch-chemisch an der Oberfläche behandelter Eiscnwerkstoffo, um die die Lebensdauer solcher Bauteile, Werkzeuge usw. zu verbessern.The goal dor invention is a further property improvement already thermally-chemically treated on the surface Eiscnwerkstoffo to improve the life of such components, tools, etc.

-2- 286 626 Darlegung des Wesens der Erfindung-2- 286 626 Presentation of the Essence of the Invention

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, unter Nuüung der erreichbaren großen Schichtdicken nach der thermischchemischen Behandlung von Eisenwerkstoffen diese im Randbereich hinsichtlich ihrer Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit noch zu verbessern.The invention is based on the technical object, under Nuüung the achievable large layer thicknesses after the thermal-chemical treatment of iron materials to improve these in the edge region in terms of their wear and corrosion resistance yet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Eisenwerkstoffe nach ihrer thermisch-chemischen Oberflächenbehandlung durch Einsauhärten, Karbonitrierhärten'oder Nitrieren im Bereich von 0,05 bis 5mm mil oder ohne nachfolgende Umwandlungsbehandlung im Randschichtbereich bis zu 50 Mikrometern mittels einer Wärmequelle auf eine tischen Solidi/S und Liquidus liegendo Temperatur erwärmt werden. In diesem zweiphasigen Werkstoffzustand werden feste Wdrkstoffpartikeln aus einem Werkstoff oder einem Gemisch von verschiedenen Werkstoffen mit einer Partikolgrößo von 0,1 bis 50 MiRromotern mechanisch durch Walzen oder Pressen in die Oberfläche in einem einmaligen oder mehrmaligen Arbeitszyklus eingearbeitet.According to the invention, the object is achieved by iron materials after their thermal-chemical surface treatment by soaking, Karbonitrierhärten'oder nitriding in the range of 0.05 to 5mm mil or without subsequent conversion treatment in the surface layer area up to 50 microns by means of a heat source on a table Solidi / S and liquidus are heated to the temperature. In this two-phase material state, solid particles of a material or mixture of different materials having a particle size of from 0.1 to 50 milliliters are mechanically incorporated by rolling or pressing into the surface in a single or multiple working cycle.

Die der Werkstoffoberfläche in diesem Werkstoffzustand angepaßte Kraft zum mechanischen Einarbeiten beträgt 0,1 bis 500MPa und wird konturenerhaltend oder auchim Bereich der zu erzeugenden Schichtdicke konturenbildend ausgewählt. Der Bonich, in dem die festen Werkstoffpartikeln mechanisch eingearbeitet werden, beträgt 0,1 bis 50 Mikrometer. Beim Einsatz eines Gemisches aus verschiedenen Werkstoffpartikeln bei mehrmaligem Arbeitszyklus wird ein Schichtauftrag bis zu 1 mm erreicht. Während des mechanischen Einarbeitens kann gleichzeitig ein Abschreckvorgang in der Oberfläche eingeleitet werden.The force for mechanical incorporation adapted to the material surface in this state of the material is 0.1 to 500 MPa and is contour-preserving or also contour-forming in the region of the layer thickness to be produced. The Bonich, in which the solid material particles are mechanically incorporated, is 0.1 to 50 microns. When using a mixture of different material particles with repeated working cycle, a layer application of up to 1 mm is achieved. During the mechanical incorporation, a quenching process can be initiated in the surface at the same time.

embodiment

Eine Wolle aus dem Stahl 20MoCr 5 mit einem Durchmesser von 50mm und einer Länge von 250mm wird in einer Kammerofenanlage nach der Trägergasaufkohlung bei einem C-Potential von 0,8 bis 0,9 über 5 Stunden bei 930 Grad C aufgekohlt, innerhalb von 30 Minuten auf 830 Grad C rückgekühlt und dann sofort in Öl abgeschreckt. Dann erfolgen ein Waschen und ein Anlassen bei 260 Grad C über 2 Stunden. Nach dieser Einsatzhärtung weist die Welle eine Einsatzhärtetiefo h (500 HV10) von 0,8m auf. Nach dieser Einsatzhärtebehandlung wird die Welle zwischen Spitzen drehbar gelagert und mittels einer Hochfrequenzspule bei einer Frequenz von 5 MHz auf eine Temperatur zwischen Solidus und Liquidus von 1400 Grad C erwärmt, und sofort nach dem Erwärmungsbeginn wird eine Arbeitswalze unter Zuführung von Siliziumkarbidpartikeln mit einer durchschnittlichen Korngröße von 5 Mikrometei η mit einer Kraft von 50MPa an dio Welle angepreßt, so daß die zwischen Welle und Arbeitswalze befindlichen Siliziumkarbidpartikeln in den zweiphasigen Oberflächenzustand konturenerhaltend eingearbeitet werden.A 20MoCr 5 steel wool 50mm diameter and 250mm long is carburized in a chamber furnace after carrier gas carburization at a C potential of 0.8 to 0.9 for 5 hours at 930 degrees C, within 30 minutes cooled back to 830 degrees C and then immediately quenched in oil. Then, washing and tempering are carried out at 260 degrees C for 2 hours. After this case hardening, the shaft has a case hardening depth (500 HV10) of 0.8m. After this case hardening treatment, the shaft is rotatably supported between tips and heated by means of a high frequency coil at a frequency of 5 MHz to a solidus to liquidus temperature of 1400 ° C, and immediately after the start of heating, a work roll is fed to supply silicon carbide particles having an average grain size of 5 micrometei η with a force of 50MPa pressed against dio wave, so that the present between shaft and work roll silicon carbide particles are incorporated into the two-phase surface state contour preserving.

In einem einmaligen Arbeitszyklus worden an der Wollenoberfläche in einer durchschnittlichen Tiefe von 3 bis 5 Mikromotern Siliziumkarbidteilchon mechanisch durch Walzen eingebracht. Damit ist an der Workstoffoberflächo der Wolle ein Zustand wie nach der Hartstoffbeschichtung erreicht worden, und die Welle weist bei erhöhtem Verschleißwiderstand im Oberflächenberoich noch die für die boi der Beanspruchung im Einsatz erforderliche Einsatzhärtetiefe von 0,8 mm auf.In a one-time cycle, silicon carbide particles were mechanically introduced by rolling at the wool surface at an average depth of 3 to 5 micromoters. Thus, a state as in the hard material coating has been achieved on the Worstoffoberflächo the wool, and the shaft has increased wear resistance in Oberflächenberoich still required for the boi the stress in use case hardening depth of 0.8 mm.

Wird an Stelle von Siliziumkarbid ein Gemisch aus 80% Siliziumkarbidteilchon mit einer durchschnittlichen Korngröße von 5 Mikrometern und 20% Aluminiumpulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 6 Mikromotern verwendet, dann wird neben der durch die mechanisch eingearbeiteten Siliziumkarbidteilchen erreichten Härtesteigorung auch noch die Korrosionsbeständigkeit an der Oberfläche der einsatzgohärtoton Welle vorbessert. Durch sich wiederholende Arbeitszyklen ist «in Si-hichtauftrag bis zu 0,2 mm erreichbar. Durch Profilieren der Arbeitswalze kann erforderlichenfalls im Bereich der zu erzeugenden Schichtdicke dio Schichtbildung konturenbildend vorgenommen worden. Durch die Arbcitswalze selbst wird ein Abschreckvorgang an der Wellenoborfläche eingeleitet.If, instead of silicon carbide, a mixture of 80% Siliziumkarbidteilchon with an average particle size of 5 micrometers and 20% aluminum powder with an average particle size of 6 micromoters used, then in addition to the hardness achieved by the mechanically incorporated Siliziumkarbidteilchen also the corrosion resistance at the surface of einsatzgohärtoton wave vorbessert. Due to repetitive working cycles, it is possible to achieve a thickness of up to 0.2 mm. By profiling the work roll, it is possible, if necessary, to make contouring in the region of the layer thickness to be produced. The quenching roller itself initiates a quenching operation on the shaft surface.

Example 2 A WeIIo made of steel 20 MnCr 5 with a diameter of 50 mm and a Lilngo of 250m is in normalized Condition at a temperature of 550 degrees C for 16 hours at a nitriding ability of the atmosphere characteristic Partialdruckvorteils Pnh / Pm / Vi less than 3 Gasoxinitriert. After this nitriding treatment, the resulting nitriding layer can be marked as follows: Thickness of the bonding layer h (VS) = 8pm, Nitriding hardness depth: h (KH + 50HV0,1) = 0,5mm Edge hardness: 700HV 0.1 After this Nitrierbohandlung dio wool is rotatably mounted between tips and by means of a high-frequency coil at a Frequency of 5MHz heated to a temperature between solidus and liquidus of 14C0 degrees C, and immediately after The extinction curve becomes an average of the Arboitswalzo with the feeder for dio silicon carbide particles Grain size of 5 microns with a force of 40MPa pressed to the wool, so that between WeIIo and Arbeitswalzo silicon carbide particles incorporated in the two-phase Oberflächonzustand konturonerhaltend

werden. In einem einmaligen Arboitszyklus worden an der Wellonoberflächo in einer durchschnittlichen Tiefe von 3 bis7 Miktometern Siliziumkarbidteilchcn mechanisch durch Walzen eingearbeitet. Durch einen vierfachen Arbeitszyklus beträgt diobecome. In a one-off arc cycle, silicon carbide particles were machined by rolling at the corrugated surface at an average depth of 3 to 7 micrometers. By a fourfold working cycle is dio

Layer thickness, in which Siliciumkar bidtoilchon mechanically eingoarbeitot are 10 microns. This is the dor surface dor wave

ein Zi isiand wio nach der Hartstoffbeschichtung erreicht worden, und dio Welle weist bei einem erhöhten Verschleißwiderstandim Obüfflächenbercich noch dio für dio Beanspruchung erforderliche Nitrierhärtetiefe von 0,5mm auf.a Zi isiand wio has been achieved after the hard coating, and the wave still has a nitriding hardening depth of 0.5mm required for dio stress with increased wear resistance in the cradle area.

Claims

A process for increasing the wear and corrosion resistance of thermo-chemically treated ferrous materials produced by semi-hardening, carbonitriding or nitriding in the range of 0.05-5 mm, characterized in that the edge-hardened iron material surfaces up to 50 microns in the surface layer area Heat source heated to a temperature lying between solidus and liquidus and heated in this two-phase material state, the solid material particles with a size of 0.1 to 50 micrometers with a strength of the respective material surface taking into account force of 0.1 to 500 MPa mechanically in the range of 0.1 up to 50 microns are incorporated.

2. The method according to claim 1, characterized in that the mechanical incorporation by rolling or pressing contour preserving or contour-forming takes place in the region of the layer thickness produced.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the solid Werksioffpartikeln

a material or consist of a mixture of materials.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the mechanical incorporation of the solid material particles in a single work cycle or for layer application takes place in several cycles.