DE10016734A1

DE10016734A1 - Verfahren zur thermochemischen Randschichtbehandlung austenitischer Stähle

Info

Publication number: DE10016734A1
Application number: DE2000116734
Authority: DE
Inventors: Michael Jung; Peter Mayr
Original assignee: Stiftung Institut fur Werkstofftechnik
Current assignee: Stiftung Institut fur Werkstofftechnik
Priority date: 2000-04-04
Filing date: 2000-04-04
Publication date: 2001-10-25

Abstract

Es wird ein Verfahren zur thermochemischen Randschichtbehandlung metallischer Substrate aus austenitischen Stählen beschrieben. Bei diesem Verfahren werden die metallischen Substrate mit einer Metallschmelze in Verbindung gebracht. Die Metallschmelze enthält Fremdatome (meist Interstitionsatome wie C, N, O und/oder B), deren Aktivität in der Metallschmelze größer ist als ihre Aktivität im Substrat. Durch den dadurch verursachten Übergang der Fremdatome in das Substrat kommt es dort zur Eindiffusion der Fremdatome und damit zur Randschichtmodifikation. Durch die Bildung interstitieller und/oder substitutioneller Festkörperlösungen und/oder Ausscheidungsbildung kommt es bei geeigneten Parametern zur Steigerung von Randschichthärte, Verschleißwiderstand und Korrosionswiderstand. Die Fremdatomaktivität in der Metallschmelze wird durch ein mit der Metallschmelze stehendes Spendermedium aufrecht erhalten. Durch die Wahl geeigneter Schmelzen mit hoher Sauerstoffaffinität und guter Benetzungsfähigkeit (z. B. Natrium) können die übergangshemmenden Oxidschichten passivierter austenitischer Stähle überwunden und ungünstige Bauteilgeometrien gleichmäßig behandelt werden.

Description

Austentische Stähle besitzen aufgrund ihres hohen Chromgehaltes eine ausge zeichnete Korrosionsbeständigkeit. Diese beruht auf der Bildung einer passivieren den Chromoxidschicht an der Oberfläche. Austenitische Stähle weisen aber nur eine geringe Härte und somit schlechte Verschleißeigenschaften auf. Aufgrund der Stabi lisierung der γ-Phase weisen austenitische Stähle keine α/γ- bzw. γ/α-Umwandlung auf. Eine wie bei ferritischen Stählen übliche martensitische Härtung zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit ist daher nicht möglich.

Es ist bekannt, daß die Randschichthärte durch Eindiffusion von Interstitionselemen ten wie Kohlenstoff oder Stickstoff gesteigert werden kann. Üblicherweise werden dafür thermochemische Randschichtverfahren mit kohlenstoff- oder stickstoffhaltigen Gasen als Spendermedium verwendet. Durch die Wahl relativ niedriger Behand lungstemperaturen zwischen 350 und 450°C wird die Kinetik zur Bildung von inter mediären Ausscheidungen im Substrat so weit gehemmt, daß der im Substrat enthal tene Chromanteil keine Ausscheidungen bildet, sondern substitutionell gelöst bleibt. Daher besitzt das Substrat auch nach der Behandlung die Fähigkeit zur Passivie rung. Eine Eigenschaftskombination von hoher Härte bzw. Verschleißbeständigkeit und Korrosionswiderstand kann somit eingestellt werden.

Zentrales Problem bei der thermochemischen Randschichtbehandlung von austeni tischen Stählen ist jedoch der Übergang der einzubringenden Fremdatome durch die passivierende Oxidschicht, die sehr dicht und aufgrund der hohen Bildungsenthalpie von Chromoxiden thermodynamisch sehr stabil ist. Aus diesem Grund kommen nach dem derzeitigen Stand der Technik nur Plasmaverfahren, bei denen die Oxidschicht durch Sputterprozesse entfernt werden können, in Frage. Die Anwendbarkeit von Plasmaverfahren wird durch die Behandlung komplexer Geometrien begrenzt. So können mit den Plasmaverfahren z. B. keine Bauteile mit ungünstigen Bohrungen oder Hinterschneidungen (beispielsweise Ventilkörper) behandelt werden.

In der Erfindung wird ein Verfahren zur thermochemischen Randschichtbehandlung metallischer Substrate beschrieben. Bei diesem Verfahren werden die metallischen Substrate mit einer Metallschmelze in Verbindung gebracht. Die Metallschmelze enthält Fremdatome (meist kleine Interstitionsatome wie C, N, O und/oder B), deren Aktivität in der Metallschmelze größer ist als ihre Aktivität im Substrat. Durch den dadurch verursachten Übergang der Fremdatome in das Subtrat kommt es dort zur Eindiffusion der Fremdatome und damit zur Randschichtmodifikation. Durch die Bil dung interstitieller und/oder substitutioneller Festkörperlösungen und/oder Auschei dungsbildung kommt es bei geeigneten Parametern und Substrat/Fremdatomkombi nationen zur Steigerung von Randschichthärte, Verschleißwiderstand und Korrosi onswiderstand. Die Fremdatomaktivität in der Metallschmelze wird durch ein mit der Metallschmelze stehendes Spendermedium aufrecht erhalten. Durch die Wahl ge eigneter Schmelzen mit hoher Sauerstoffaffinität können die übergangshemmenden Oxidschichten passivierter Substrate überwunden werden. Die Behandlungsgleichmäßigkeit bei ungünstigen Geometrien hängt von der Benetzungsfähigkeit des flüs sigen Metalls ab.

Beispiel

Proben aus austenischem Stahl der Qualität 1.4435 werden bei 400°C für eine Dau er von 168 h in eine Natriumschmelze eingetaucht. Durch die hohe Sauerstoffaffini tät des Natriums wird die Chromoxidschicht des Substrats reduziert und somit aufge löst. Die Substratoberfläche besitzt dann keine übergangshemmende Sperrschicht mehr. Die Oberfläche der Metallschmelze wird kontinuierlich mit getrocknetem Pro pan begast. Propan ist bei einer Temperatur von 400°C thermodynamisch instabil und zersetzt sich an der metallischen Oberfläche der Schmelze langsam in seine Komponenten Kohlenstoff und Wasserstoff. Ein bestimmter Anteil des Kohlenstoffs wird dabei in der Schmelze gelöst. Durch Diffusions- und Konvektionsvorgänge wird die gesamte Schmelze mit Kohlenstoff angereichert. Aufgrund des geringen Kohlen stoffgehaltes des austenitischen Stahles und der damit verbundenen geringen Koh lenstoffaktivität kommt es zum Übergang des in der Schmelze gelösten Kohlenstof fes in das Substrat. In der Randschicht bildet sich eine Diffusionszone aus, in der Kohlenstoff aufgrund der niedrigen Temperatur interstitiell gelöst bleibt und keine Ausscheidungen bildet. Die auf diese Weise eingestellte Randschicht weist eine hohe Härte und somit eine gegenüber dem unbehandelten Grundwerkstoff deutlich verbesserte Verschleißbeständigkeit auf. Durch die erhalten gebliebene Passivierfä higkeit ist die hohe Verschleißbeständigkeit zudem mit einer guten Korrosionsbe ständigkeit verbunden. Durch die gute Benetzungsfähigkeit des flüssigen Natriums ist die gleichmäßige Behandlung auch schwer zugänglicher Bauteilbereiche gewähr leistet.

Claims

1. Verfahren zur thermochemischen Randschichtbehandlung austenitischer Stähle, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Kontakt des Substrates aus austeniti schem Stahl mit einer mit Fremdatomen angereicherten Metallschmelze Fremd atome in die Substratrandschicht eingebracht und somit Randschichtmodifika tionen vorgenommen werden können.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rand schichtmodifikation derart erfolgt, daß insbesondere eine Erhöhung von Oberflä chenhärte, Verschleiß- und/oder Korrosionswiderstand (Eigenschaften jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination)erzielt wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdato me insbesondere aus Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Bor (jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination) bestehen.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metalli schen Substrate ganz oder teilweise aus austenitischem Stahl oder Duplexstahl (ferrtitisch-austenitisch oder martensitisch-austenitisch) bestehen.

5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metalli schen Substrate ganz oder teilweise aus reinem oder technisch reinem Eisen, Titan, Nickel, Aluminium und/oder Magnesium oder aus Eisen-, Titan-, Nickel-, Aluminium- oder Magnesiumbasislegierungen bestehen.

6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall schmelze aus Einstoffsystemen wie z. B. Na, K, Li, Pb besteht.

7. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall schmelze aus Mehrstoffsystemen wie z. B. Na-K, Pb-Li, Bi-Pb oder höheren Sys temen besteht.

8. Verfahren nach Patentanspruch 1, 3, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Substratrandschicht einzubringenden Fremdatome in der Metallschmelze enthalten sind.

9. Verfahren nach Patentanspruch 1, 3, und 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Substratrandschicht einzubringenden Fremdatome durch ein oder mehrere mit der Metallschmelze in Kontakt befindliches gasförmiges, flüssiges und/oder festes Spendermedium in die Metallschmelze eingebracht werden.

10. Verfahren nach Patentanspruch 1, 3, und 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschmelze direkt oder indirekt wirkende Zusätze hinzugegeben werden, die die Fremdatomaufnahme aus dem Fremdatomspender beeinflussen.

11. Verfahren nach Patentanspruch 1, 3, und 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschmelze direkt oder indirekt wirkende Zusätze hinzugegeben werden, die die Fremdatomabgabe an das Substrat beeinflussen.

12. Verfahren nach Patentanspruch 1, 3, und 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschmelze direkt oder indirekt wirkende Zusätze hinzugegeben werden, die Sauerstoff-, Kohlenstoff-, Bor- und/oder Stickstoffaktivität der Me tallschmelze beeinflussen.

13. Verfahren nach Patentanspruch 1, 3, und 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Aktivitätserniedrigung von Chrom in der Randschicht eine Anrei cherung des Chroms in der Randschicht bewirkt wird.

14. Verfahren nach Patentanspruch 1, 3, und 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Zugabe von Chrom und/oder chromhaltiger Verbindungen in die Metallschmelze eine Eindiffusion von Chrom in die Randschicht bewirkt wird.

15. Verfahren nach Patentanspruch 1, 3, und 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Metallschmelze nach unten durch die Schmelztempera tur der Metallschmelze und nach oben durch die Bildung von ungewollten Aus scheidungen im Substrat begrenzt wird.

16. Verfahren nach Patentanspruch 1, 3, und 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Metallschmelze nach unten durch die Schmelztempera tur der Metallschmelze und nach oben durch Schmelztemperatur des Substrats begrenzt wird.

17. Verfahren nach Patentanspruch 1, 3, und 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Metallschmelze nach unten durch die Schmelztempera tur der Metallschmelze und nach oben durch die Siedetemperatur der Metall schmelze begrenzt wird.