DE10049185A1 - Process for the thermochemical edge layer treatment of austenitic steel comprises inserting impurity atoms into the substrate edge layer by contacting with the substrate material in an gas atmosphere enriched with interstitial atoms - Google Patents

Process for the thermochemical edge layer treatment of austenitic steel comprises inserting impurity atoms into the substrate edge layer by contacting with the substrate material in an gas atmosphere enriched with interstitial atoms

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Abstract

Process for the thermochemical edge layer treatment of austenitic steel comprises inserting impurity atoms into the substrate edge layer by contacting with the substrate material in an gas atmosphere enriched with interstitial atoms. Preferred Features: The edge layer modification is carried out in such a way that the surface hardness, the residual stress and the wear and corrosion resistance are increased. The metallic substrate is made partially or completely of martensitic hardenable steel, austenitic steel or duplex steel. The interstitial and/or impurity atoms are made of carbon. The gas atmosphere consists of a carbon dispensing medium.

Description

Der guten Korrosionsbeständigkeit von austenitischen Stählen steht eine nur geringe Verschleißbeständigkeit gegenüber. Häufig werden jedoch zusätzlich zur Korrosionsbeständigkeit auch hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit erhöhte Anforderungen an Bauteile gestellt. Hierfür ist es erforderlich, die Randschichten der betreffenden Bauteile aus austenitischen Werkstoffen insgesamt oder partiell entsprechend zu modifizieren.The good corrosion resistance of austenitic steels is only marginal Resistance to wear. Often, however, in addition to Corrosion resistance also increased with regard to wear resistance Requirements placed on components. This requires the outer layers of the relevant components made of austenitic materials in whole or in part accordingly to modify.

Die Korrosionsbeständigkeit austenitischer Stähle beruht auf ihrem hohen Anteil substitutionell gelösten Chroms von mehr als 12 Gew.-%. Das Chrom bildet bei ausrei­ chender Menge an der Oberfläche eine sehr dünne, passivierende Chromoxidschicht. Diese Passivschicht hemmt aufgrund ihrer hohen thermodynamischen Stabilität chemische Reaktionen zwischen Substrat und Umgebung.The corrosion resistance of austenitic steels is based on their high proportion substitutionally dissolved chromium of more than 12% by weight. The chromium forms at Ausrei a very thin, passivating chromium oxide layer. This Passive layer inhibits chemical due to its high thermodynamic stability Reactions between substrate and environment.

Austenitische Stähle zeichnen sich durch eine stabile γ-Phase aus und weisen bei einer Wärmebehandlung keine α/γ- bzw. γ/α-Umwandlung wie ferritische Stähle auf. Deshalb ist die Durchführung einer martensitischen Härtung zur Steigerung der Oberflächenhärte und des Verschleißwiderstandes nicht möglich.Austenitic steels are characterized by a stable γ phase and have one Heat treatment no α / γ or γ / α transformation like ferritic steels. Therefore the implementation of a martensitic hardening to increase the surface hardness and wear resistance is not possible.

Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Randschichthärte und damit der Verschleißbeständigkeit kann durch Eindiffusion von Interstitionsatomen, wie Stickstoff und Kohlenstoff erreicht werden. Überlicherweise werden dafür thermochemische Randschichtverfahren mit kohlenstoff- oder stickstoffhaltigen Gasen als Spendermedium eingesetzt.Another way to increase the surface hardness and thus the Wear resistance can be achieved by diffusion of interstitial atoms such as nitrogen and Carbon can be achieved. Usually thermochemical Boundary layer process with carbon or nitrogen-containing gases as the donor medium used.

Aus Untersuchungen über die Diffusion von Kohlenstoff und Stickstoff in Eisen bei hohen Temperaturen geht hervor, dass die jeweiligen Diffusionskoeffizienten von Kohlenstoff über denjenigen von Stickstoff liegen. Sofern die Übertragbarkeit auf austenitische Stähle bei niedrigen Temperaturen vorausgesetzt werden kann, ist mit einem schnelleren Schichtwachstum bei Einsatz von Kohlenstoff zu rechnen.From studies on the diffusion of carbon and nitrogen in iron at high Temperatures indicate that the respective diffusion coefficients of carbon exceed that of nitrogen. If the transferability to austenitic steels at low temperatures can be expected with a faster Layer growth to be expected when using carbon.

Die Besonderheit bei der Aufkohlung austenitischer Stähle ist die Abbindung des substitutionell in der austenitischen Eisenmatrix gelösten Chroms zu Chromcarbid. Dies erhöht einerseits die Randschichthärte und Verschleißbeständigkeit erforderlich, führt andererseits aber zur lokalen Chromverarmung oberflächennaher Schichten und somit zur Depassivierung der Bauteiloberfläche. Durch die Wahl relativ niedriger Behandlungstemperaturen zwischen 350°C und 450°C wird die Ausscheidungskinetik intermediären Verbindungen im Substrat unterdrückt bzw. so weit gehemmt, dass der im Substrat enthaltene Chromanteil substitutionell gelöst bleibt und keine Chromausscheidungen bildet. Dadurch bleibt auch nach der thermochemischen Randschichtbehandlung die Fähigkeit zur Passivierung erhalten. Als Ergebnis dieser Wärmebehandlung stellt sich eine erhöhte Härte und damit erhöhte Verschleißbeständigkeit bei gleichbleibendem Korrosionswiderstand ein. Das Problem bei der Aufkohlung austenitischer Stähle stellt die für eine thermochemische Randschichtbehandlung erforderliche Überwindung der Passivschicht dar. Bei konventionellen thermochemischen Randschichtverfahren werden dafür Vorbehandlungen zur Oberflächenaktivierung durchgeführt. Nach dem derzeitigen Stand der Technik bieten hier die Plasmaverfahren, bei dem das Vorsputtern zur Depassivierung integraler Prozessbestandteil ist, erhebliche Vorteile. Die Anwendbarkeit von Plasmaverfahren wird allerdings durch die Behandlung komplexer Geometrien begrenzt.The peculiarity of carburizing austenitic steels is the setting of the Chromium dissolved in the austenitic iron matrix to chromium carbide. This on the one hand increases the surface hardness and wear resistance required, leads on the other hand for local chromium depletion of layers close to the surface and thus for Depassivation of the component surface. By choosing relatively lower Treatment temperatures between 350 ° C and 450 ° C becomes the excretion rate suppressed intermediate compounds in the substrate or inhibited so far that the im Chromium content contained in the substrate remains dissolved substitutionally and none  Forms chromium precipitates. This also remains after the thermochemical Surface treatment is given the ability to passivate. As a result of this Heat treatment results in increased hardness and thus increased wear resistance with constant corrosion resistance. The carburizing problem austenitic steels are used for thermochemical surface treatment required overcoming of the passive layer. In conventional thermochemical Surface layer processes are pretreatments for surface activation carried out. According to the current state of the art, the plasma processes offer here which pre-sputtering for depassivation is an integral part of the process Benefits. However, the applicability of plasma processes depends on the treatment complex geometries limited.

In der Erfindung wird ein Verfahren zur thermochemischen Randschichtbehandlung metallischer Werkstoffe beschrieben. Bei dem Verfahren werden die metallischen Substrate in einer Vakuumaufkohlungsanlage in kohlenstoffabgebenden Gleichgewichtsatmosphären im Unterdruck mit geeigneten kohlenstoffhaltigen Spendermedien aufgekohlt. Ein vorgeschalteter Prozess, vorzugsweise ein Sputterprozess, soll es ermöglichen, die Passivschichten des hochchromhaltigen Werkstoffes zu überwinden, dadurch den Übergang der Interstitionsatome (hier Kohlenstoff) zu ermöglichen und durch diese Eindiffusion von Kohlenstoff eine Randschichtmodifikation zu erreichen. Dabei wird aufgrund der niedrigen Behandlungstemperaturen und bei geeigneten Parametern eine Chromcarbidauscheidung im Substrat unterdrückt und die Korrosionsbeständigkeit bleibt weitestgehend erhalten. Der eindiffundierte Kohlenstoff liegt nach der Behandlung feinst dispers in der Matrix gelöst vor, wodurch eine starke Gitterverzerrung erzeugt wird. Diese Gitterverzerrung, die mit hohen Druckeigenspannungen einhergeht, führt zu einer Erhöhung der Oberflächenhärte und damit zu einer Zunahme der Verschleißbeständigkeit. Üblicherweise werden Unterdruckauf­ kohlungsprozesse in Propan-haltigen Atmosphären durchgeführt. In der Erfindung werden Gase wie Ethin verwendet, deren Zerfall bei tieferen Temperaturen stattfindet und die so prozesssicher eingesetzbar sind.In the invention there is a method for thermochemical surface treatment described metallic materials. In the process, the metallic substrates in a vacuum carburizing plant in carbon-emitting equilibrium atmospheres carburized in a vacuum with suitable carbon-containing donor media. On upstream process, preferably a sputtering process, is intended to enable the Overcoming passive layers of the high-chromium material, thereby the transition of the interstitial atoms (here carbon) and through this diffusion of Carbon to achieve a boundary layer modification. It is due to the low Treatment temperatures and, with suitable parameters, chromium carbide precipitation suppressed in the substrate and the corrosion resistance is largely preserved. The after the treatment, diffused carbon is very finely dispersed in the matrix, which creates a strong lattice distortion. This lattice distortion, with high Compressive stresses are accompanied by an increase in the surface hardness and thus to an increase in wear resistance. Usually negative pressure is applied carbonization processes carried out in propane-containing atmospheres. In the invention Gases such as ethyne are used, which decompose at lower temperatures and so can be used reliably.

Beispielexample

Proben aus dem austenitischen Stahl X2CrNiMo18-14-3 (1.4435) werden im Unterdruck bei p = 5 mbar und T = 350°C für eine Behandlungsdauer von t = 40 h mit einem anorganischen Kohlenstoffspendermedium aufgekohlt. Zur Überwindung bzw. Entfernung der Passivschicht wurde zuvor ein zweistündiges Vorsputtern im Plasma einer Glimmentladung unter Argon /Wasserstoffgemisch bei 350°C durchgeführt. Durch diese Maßnahme wird die Oberfläche aktiviert und somit ein optimaler Kohlenstoffübergang gewährleistet. Samples from the austenitic steel X2CrNiMo18-14-3 (1.4435) are under negative pressure p = 5 mbar and T = 350 ° C for a treatment time of t = 40 h with an inorganic Carbon donor carburized. To overcome or remove the passive layer was previously a two-hour pre-sputtering in the plasma of a glow discharge under argon / Hydrogen mixture carried out at 350 ° C. This measure the surface activated and thus an optimal carbon transfer guaranteed.  

Der Aufkohlungsprozeß erfolgte in einer strömenden Ethin-Atmosphäre: (C2H2) mit anschließender Ofenabkühlung. Ethin ist bei einer Temperatur von T = 350°C thermodynamisch instabil und zersetzt sich an der metallischen Oberfläche in seine Komponenten Kohlenstoff und Wasserstoff. Aufgrund des geringen Kohlenstoffgehaltes des austenitischen Stahles und des dadurch entstehenden Diffusionsgradienten kommt es zur Eindiffusion des freien Kohlenstoffes in die Oberfläche und zur Ausbildung einer Diffusionsschicht im Randbereich der Proben. Der eindiffundierte Kohlenstoff liegt im Bereich der Diffusionsschicht aufgrund der niedrigen Temperaturen interstitiell gelöst vor, da die für eine Ausscheidung notwendige Bildungskinetik unterdrückt wird. Aufgrund der durch den eindiffundierten Kohlenstoff nach der Abkühlung hervorgerufenen Gitterverzerrungen kommt es zu einer Steigerung der Oberflächenhärte und damit zu einer Erhöhung der Verschleißbeständigkeit, die mit einer dem Grundwerkstoff vergleichbaren Korrosionsbeständigkeit verbunden ist.The carburizing process took place in a flowing ethine atmosphere: (C 2 H 2 ) with subsequent furnace cooling. At a temperature of T = 350 ° C, ethyne is thermodynamically unstable and decomposes into its components carbon and hydrogen on the metallic surface. Due to the low carbon content of the austenitic steel and the resulting diffusion gradient, the free carbon is diffused into the surface and a diffusion layer is formed in the edge area of the samples. The diffused carbon is interstitially dissolved in the area of the diffusion layer due to the low temperatures, since the formation kinetics necessary for excretion are suppressed. Due to the lattice distortions caused by the carbon which has diffused in after cooling, there is an increase in the surface hardness and thus an increase in the wear resistance, which is associated with a corrosion resistance comparable to that of the base material.

Claims (15)

1. Das Verfahren zur thermochemischen Randschichtbehandlung austenitischer Stähle ist dadurch gekennzeichnet, dass durch den Kontakt des Substratwerkstoffes mit einer mit Interstitionsatomen angereicherten Gasatmosphäre Fremdatome in die Substratrandschicht eingebracht werden und dadurch eine Randschichtmodifikation durchgeführt werden kann.1. The process for the thermochemical boundary layer treatment of austenitic steels is characterized in that foreign atoms are introduced into the substrate boundary layer by the contact of the substrate material with a gas atmosphere enriched with interstitial atoms, and thereby a boundary layer modification can be carried out. 2. Das Verfahren ist nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Randschichtmodifikation derart erfolgt, dass insbesondere eine Erhöhung der Oberflächenhärte, des Eigenspannungszustandes sowie des Verschleiß- und/oder Korrosionswiderstandes (Eigenschaften jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination) erzielt wird.2. The method is characterized according to claim 1, that the The boundary layer is modified in such a way that in particular an increase in the Surface hardness, the state of internal stress as well as wear and / or Corrosion resistance (properties individually or in any combination) is achieved. 3. Das Verfahren ist nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Substrate ganz oder teilweise aus martensitisch härtbaren Stählen, austenitischen Stahl oder Duplex-Stahl (ferritisch-austenitisch oder martensitisch-austenitisch) bestehen.3. The method is characterized according to claim 1, characterized in that the metallic All or part of substrates made of martensitic hardenable steels, austenitic steel or duplex steel (ferritic-austenitic or martensitic-austenitic). 4. Das Verfahren ist nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Interstitions- bzw. Fremdatome aus Kohlenstoff bestehen.4. The method is characterized according to claim 1, that the interstitial or foreign atoms consist of carbon. 5. Das Verfahren ist nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Gasatmosphäre aus anorganischen Kohlenstoffspendermedien besteht.5. The method is characterized according to claim 1, that the Gas atmosphere consists of inorganic carbon donation media. 6. Das Verfahren ist nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Gasatmosphäre aus organischen Spendermedien besteht.6. The method is characterized according to claim 1, that the Gas atmosphere consists of organic donor media. 7. Das Verfahren ist nach Patentanspruch 1, 3, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass die in die Substratrandschicht einzubringenden Fremdatome in der Gasatmosphäre enthalten sind.7. The method is characterized according to claim 1, 3, 5 and 6 in that the foreign atoms to be introduced into the substrate edge layer in the gas atmosphere are included. 8. Das Verfahren ist nach Patentanspruch 1, 3 und 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Gasatmosphäre direkt oder indirekt wirkende Zusätze hinzugegeben werden, die die Fremdatomabgabe an das Substrat beeinflussen oder Fremdatome an das Substrat abgeben.8. The method according to claim 1, 3 and 5 to 7, characterized in that the gas atmosphere directly or indirectly acting additives are added to the Influence of foreign atoms on the substrate or foreign atoms on the substrate submit. 9. Das Verfahren ist nach Patentanspruch 1, 3 und 5 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Gasatmosphäre direkt oder indirekt wirkende Zusätze hinzugegeben werden, die die Kohlenstoff- und/oder Wasserstoffaktivität des Spendermediums beeinflussen.9. The method is according to claim 1, 3 and 5 to 8, characterized in that the gas atmosphere directly or indirectly acting additives are added to the Affect carbon and / or hydrogen activity of the donor medium. 10. Das Verfahren ist nach Patentanspruch 1, 3 und 5 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die in die Substratrandschicht einzubringenden Fremdatome in Flüssigkeiten enthalten sind, die über Verdampfen oder durch Einspritzen in der Atmosphäre vorliegen. 10. The method is according to claim 1, 3 and 5 to 9, characterized in that contain the foreign atoms to be introduced into the substrate edge layer in liquids are in the atmosphere through evaporation or by injection.   11. Das Verfahren ist nach Patentanspruch 1, 3 und 5 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorbehandlung zur Oberflächenaktivierung durchgeführt werden kann.11. The method is according to claim 1, 3 and 5 to 10, characterized in that a pretreatment for surface activation can be carried out. 12. Das Verfahren ist nach Patentanspruch 1, 3 und 5 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die in die Substratrandschicht einzubringenden Fremdatome im Unterdruck erzeugt werden.12. The method is according to claim 1, 3 and 5 to 11, characterized in that the foreign atoms to be introduced into the substrate edge layer are generated under negative pressure become. 13. Das Verfahren ist nach Patentanspruch 1, 3 und 5 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung durch die für das Verfahren notwendigen Druckbereiche nach oben und unten begrenzt wird.13. The method is according to claim 1, 3 and 5 to 12, characterized in that the treatment through the pressure ranges necessary for the process upwards and is limited below. 14. Das Verfahren ist nach Patentanspruch 1, 3 und 5 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Gasatmosphäre nach unten durch das thermodynamische Zerfallsgleichgewicht des Spendermediums und nach oben durch die ungewollte Bildung von Ausscheidungen im Substrat begrenzt wird.14. The method is characterized according to claim 1, 3 and 5 to 13 in that the temperature of the gas atmosphere down through the thermodynamic Decay equilibrium of the donor medium and upwards due to the unwanted formation is limited by excretions in the substrate. 15. Das Verfahren ist nach Patentanspruch 1, 3 und 5 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass das Spendermedium im Temperaturbereich 300-400°C thermodynamisch instabil ist und beispielsweise Ethin enthält.15. The method is according to claim 1, 3 and 5 to 14, characterized in that the donor medium is thermodynamically unstable in the temperature range 300-400 ° C and contains, for example, ethyne.
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WO2008013765A1 (en) * 2006-07-24 2008-01-31 Swagelok Company Metal article with high interstitial content

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