DD297053A5 - Verschleissfeste epsilon-eisenkarbinitridschicht auf kohlenstoffhaltigen staehlen und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Verschleissfeste epsilon-eisenkarbinitridschicht auf kohlenstoffhaltigen staehlen und verfahren zu ihrer herstellung Download PDF

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Joachim Kunze
Hans-Joachim Berg
Uwe Huchel
Heinz Zimdars
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Zi Fuer Festkoerperphysik Und Werkstofforschung Der Adw,De
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine verschleiszfeste e-Eisenkarbonitridschicht auf kohlenstoffhaltigen Staehlen und Verfahren zu ihrer Herstellung. Objekte, auf die sich die Erfindung bezieht, sind Bauteile aus Eisenwerkstoffen, die einem Verschleisz oder einer Korrosion unterliegen. Erfindungsgemaesz ist die e-Eisenkarbonitridschicht homogen und poren- und riszarm direkt auf a- oder g-Eisen aufgebracht, enthaelt 3,5 bis 4,5% Masseanteile Stickstoff und 0,8 bis 1,5% Masseanteile Kohlenstoff bei einem Gesamtgehalt an Stickstoff und Kohlenstoff von weniger als 6,0% Masseanteile, und wird hergestellt mittels Gaskarbonitrieren bei Temperaturen oberhalb 575C, indem in der Reaktionszone die NitrierkennzahlrPNH3 PH23/2 auf Werte zwischen r0,05 bar 1/2und r0,30 bar 1/2 und die KohlungskennzahlsPCOPH2 PH2O auf Werte zwischen s0,25 bar und s0,40 bar eingeregelt werden.{e-Eisenkarbonitridschicht; kohlenstoffhaltige Staehle; Eisenwerkstoffe; Verschleisz; Korrosion; a- oder g-Eisen; Gaskarbonitrieren; Nitrierkennzahl; Kohlungskennzahl; Stickstoff; Kohlenstoff}

Description

_. 3/2
Ph2 aufwerte zwischen r = 0,05bar~1/2 und r = 0,30bar~1/2 und die Kohlungskennzahl
s = Pco · Ph2 Ph2O
aufwerte zwischen s = 0,25 bar und s = 0,40 bar eingeregelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Frischgas Stickstoff zugemischt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoffanteil im Frischgas 40 bis 60% Volumenanteile beträgt.
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wärmebehandlung in gesteuerter Atmosphäre. Objekte, bei denen die Anwendung der Erfindung möglich und zweckmäßig ist, sind Bauteile aus Eisenwerkstoffen, die einem Verschleiß oder einer Korrosion unterliegen.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Die bisher bekannten Gaskarbonitrierverfahren arbeiten bei Temperaturen von 550-600°C mit Gasmischungen auf der Basis von Ammoniak und kohlenstoffhaltigen Komponenten, deren Zusammensetzung so bemessen ist, daß eine Bildung einer Oberflächenschicht aus ε-Eisenkarbonitrid auf einery'-Eisennitridzwischenschicht erfolgt. Dabei kann die ε-Eisenkarbonitridschicht dominieren, wie z. B. aus DE-OS 293016 5 hervorgeht. Die so hergestellten Schichten enthalten mehr als 6 % Masseanteile Stickstoff und weniger als 1 % Masseanteile Kohlenstoff, wobei der Gesamtgehalt an Stickstoff und Kohlenstoff zwischen 6 und 10% Masseanteile beträgt. Diese Schichten sind im Grenzbereich zur Gasphase von zahlreichen Poren durchsetzt. Vor der y'-Eisenitridzwischenschicht bildet sich im α-Eisen eine Zone mit erhöhter Kohlenstoffkonzentration. Durch konstant gehaltene oder schrittweise veränderte Frischgaszusammensetzungen werden Schichten erzeugt, deren chemische und phasenmäßige Zusammensetzungen reproduzierbar sind. Angaben zur Frischgaszusammensetzung werden in der einschlägigen Literatur mitgeteilt (u.a. PRENOSIL, B.: Härterei-techn. Mitt. 20 [1965] 1, S.41/49; WÜNNING, J.: Z. wirtsch. Fertigg. 69 [1974] 2, S.80/85,SCHRÖTER, W., UHLIG, W., AHLISCH, G., GRAF, W.: Stahlberatung 2 [1977], S. 13/17; EYSELL, F. B.: Fachber. Hüttenpr. Metallverarb. 20 [1982] 9, S.618/628; DD-PS 113773; DE-OS 2930165; DE-AS 1521450). In einer theoretischen Untersuchung von J.SIyke, L.Sproger und J.Agren (Scand. J. Metall. 17 [1988], S. 122-126) wurden Zusammenhänge zwischen Stickstoffpotential, Kohlenstoffaktivität und Phasenzusammensetzung angegeben. Zu vor wurden in der DD-AP 281 424 der Zusammenhang zwischen der Nitrierkennzahl r = pNH3/pH; 3'2, der Kohlungskennzahl s = РсоРн/Рн2о ur>d dem Stabilitätsbereich sowie der Zusammensetzung der ε-Phase angegeben und ein Verfahren zur Messung und N ach regelung der im Reaktionsraum vorliegenden r- und s-Werte vorgeschlagen, wobei die Messung bevorzugt nach der in DD-PS 227 802, DD-PS 222415 und DD-PS 222416 mitgeteilten Methode mittels Festelektrolyt-Gassensoren erfolgen soll. Die Nachteile der nach dem bekannten Verfahren hergestellten ε-Eisenkarbonitridschichten bestehen darin, daß sie einerseits aufgrund einer hohen Porosität eine verminderte Verschleißfestigkeit aufweisen (B. Langenhau: Dissertation Freiberg 1990) und andererseits eine geringere Haftfestigkeit auf dem Grundwerkstoff zeigen, da sich vor dery'-Eisenitridschicht eine zementitreiche und dadurch spröde Zone in der an die Nitrierschicht angrenzenden Diffusionszone ausbildet (U.Brock: Dissertation Freiberg 1985 und T.Schubert: Dissertation Freiberg 1985).
Die Nachteile des Verfahrens bestehen darin, daß mit ihm stets nur Schichten hergestellt werden können, die aufgrund des Porensaumes weniger verschleißfest sind und die aufgrund einer Zone mit erhöhter Kohlenstoffkonzentration in der Diffusionsschicht unterhalb der y'-Eisennitridzwischenschicht eine geringere Haftfestigkeit aufweisen.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine ε-Eisenkarbonitridschicht auf kohlenstoffhaltigen Stählen zu erzeugen, die eine hohe Verschleißfestigkeit und eine gute Haftfestigkeit auf dem Grundwerkstoff aufweist, sowie ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem diese Schicht herstellbar ist.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ε-Eisenkarbonitridschicht auf kohlenstoffhaltigen Stählen zu entwickeln, die eine geringe Porosität aufweist und bei der in der an die Nitrierschicht angrenzenden kritischen Diffusionszone keine zementitreiche, spröde Zone ausgebildet ist, und ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem nahezu kein Porensaum mit entsteht und bei dem in der Diffusionsschicht unterhalb dery'-Eisennitridzwischenschicht keine Zone mit erhöhter Kohlenstoffkonzentration sich ausbilden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die verschleißfeste ε-Eisenkarbonitridschicht auf kohlenstoffhaltigen Stählen homogen und poren-und rißarm direkt auf α-oder γ-Eisen aufgebracht ist, 3,5 bis 4,5% Masseanteile Stickstoff und 0,8 bis 1,5 Masseanteile Kohlenstoff, bei einem Gesamtgehalt an Stickstoff und Kohlenstoff von weniger als 6,0% Masseanteile, enthält. Die Schicht wird mittels Gaskarbonitrieren in einem Gasgemisch vorgegebener Zusammensetzung bei Temperaturen oberhalb 575CC hergestellt. Erfindungsgemäß werden bei dem Verfahren in der Reaktionszone die Nitrierkennzahl
auf Werte zwischen r = 0,05bar"1/2 und r = 0,30 bar""2 und die Kohlungskennzahl
Pco · Ph2
Ph2O
auf Werte zwischen s = 0,25 bar unds = 0,40 bar eingeregelt. Vorteilhaft ist für das Verfahren, wenn dem Frischgas Stickstoff zugemischt wird. Dabei sind 40 bis 60% Volumenanteile Stickstoff im Frischgas günstig.
Es wurde gefunden, daß bei Einhaltung der genannten Verfahrenbedingungen auf kohlenstoffhaltigen Stählen (mit mehr als ca.
0,05% Masseanteile Kohlenstoff) die erfindungsgemäße stickstoffarme ε-Eisenkarbonitridschicht erzeugt wird. Diese Schicht zeichnet sich dadurch aus, daß sie nahezu poren-und rißfrei, verschleiß-und korrosionsfest und homogen ist und direkt auf dem Grundwerkstoff (α-oder y-Eisen) aufwächst, ohne daß die nach dem Stand der Technik zugleich entstehende y'-Eisennitridschicht gebildet wird. Außerdem wurde gefunden, daß die Schicht aufwächst, ohne daß die nach dem Stand der Technik in kohlenstoffhaltigen Stählen stets entstehende Zone mit erhöhter Kohlenstoffkonzentration gebildet wird.
Die erfindungsgemäße Schicht und das erfindungsgemäße Verfahren sind in nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
Ausführungsbeispiel
Auf einem ferritisch-perlitischem Kohlenstoffstahl soll eine Oberflächenschicht aus ε-Eisenkarbonitrid ohne γ'-Eisennitridzwischenschicht aufgebracht werden. Die erfindungsgemäßen Vorgaben für die Daten in der Reaktionszone sind:
Temperatur T = 5900C = 0,15barl/2
Nitrierkennzahl r Ph1 3'2
Kohlungskennzahl S PCoPh2
Oxidationskennzahl t Ph2O = 0,15
Ρη,ο
Ph2
Aus diesen Vorgaben werden unter Verwendung bekannter Stöchiometriebedingungen die Zusammensetzungen des Reaktionsgases und des Frischgases sowie der einzuregelnde Zersetzungsgrad des Ammoniaks ermittelt. Bei einem Gesamtdruck in der Reaktionszone von 1,013bar betragen die Partialdrücke (angegeben in bar):
Pco Pcoj Phj Ρη,ο PnH3 Pn,
0,057 0,021 0,057 0,038 0,035 0,317
Die Volumenanteile (in %) im Frischgas betragen:
φ NH3 φ CO2 φ N2 0,452 0,108 0,4329
Der Zersetzungsgrad α des Ammoniaks ist auf α = 0,892
einzuregeln.
Zur Realisierung der Gaszusammensetzung des Frischgases werden zwei Gasströme (a) und (b) getrennt in eine dem Ofen vorgelagerte heiße Mischkammer eingeleitet:
a) 45,2% Volumenanteile Ammoniak
b) 54,8% Volumenanteile eines CO2-N2-Gemisches mit einem CO2-Anteil von 19,7% Volumenanteile.
In der Mischkammer werden der Ammoniak partiell zersetzt und das Wassergasgleichgewicht angenähert. Über die empirisch zu optimierende Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit der Gase wird der Zersetzungsgrad eingestellt, der über das
Ph2 -Verhältnis in der Reaktionszone mittels einer Festelektrolytsonde ermittelt wird. In Abhängigkeit von der gewünschten Schichtdicke wird das Gaskarbonitrieren nach 2 bis 4 Stunden beendet. Analysen ergaben eine 8 bis 14μιτι dicke, kompakte und nahezu porenfreie ε-Eisenkarbonitridschicht mit einem Stickstoffgehalt zwischen 4,0 und 4,2% Masseanteile und einem Kohlenstoffgehalt zwischen 1,2 und 1,4% Masseanteile direkt auf dem Grundwerkstoff, ohne y'-Eisennitridzwischenschicht und ohne eine Zone mit erhöhter Kohlenstoffkonzentration.

Claims (2)

1. Verschleißfeste c-Eisenkarbonitridschicht auf kohlenstoffhaltigen Stählen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schicht homogen und poren- und rißarm direkt auf α- oder γ-Eisen aufgebracht ist, 3,5 bis 4,5% Masseanteile Stickstoff und 0,8 bis 1,5 % Masseanteile Kohlenstoff, bei einem Gesamtgehalt an Stickstoff und Kohlenstoff von weniger als 6,0% Masseanteile, enthält.
2. Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten ε-Eisenkarbonitridschicht auf kohlenstoffhaltigen Stählen, die homogen und poren- und rißarm direkt auf α- oder γ-Eisen aufgebracht ist und 3,5 bis 4,5% Masseanteile Stickstoff und 0,8 bis 1,5% Masseanteile Kohlenstoff, bei einem Gesamtgehalt an Stickstoff und Kohlenstoff von weniger als 6,0% Masseanteile, enthält, mittels Gaskarbonitrieren in einem Gasgemisch vorgegebener Zusammensetzung bei Temperaturen oberhalb 575°C, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionszone die Nitrierkennzahl
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