DE10109312B4

DE10109312B4 - Verwendung des Gasoxynitrierverfahrens für Bauteile aus austenitischen Nickellegierungen

Info

Publication number: DE10109312B4
Application number: DE10109312A
Authority: DE
Inventors: Jutta Dr.-Ing. Klöwer; Rainer Rudolph; Heinz Dr.-Ing. Zimdars; Heinz-Joachim Prof.Dr.-Ing. Spies
Original assignee: ThyssenKrupp VDM GmbH
Current assignee: VDM Metals International GmbH
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2021-02-28
Also published as: DE10109312A1; WO2002068708A1

Abstract

Verwendung des Gasoxynitrierverfahrens für Bauteile aus austenitischen Nickellegierungen, indem die Bauteile, insbesondere Halbzeuge, zur Erhöhung ihrer Härte und Verschleißfestigkeit im Bereich ihrer oberflächennahen Randschichten zumindest partiell innerhalb eines Temperaturbereiches von 500 – 750°C in Nitriergemischen aus Ammoniak und/oder Stickstoff und/oder Wasserstoff und Sauerstoff behandelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung des Gasoxynitrierverfahrens zur Erhöhung der Härte und Verschleißfestigkeit von Bauteilen

Der DE 3 935 469 A1 ist ein Verfahren zur Gasoxynitrierung von Bauteilen aus Eisenwerkstoffen in Nitrieranlagen bei einem Temperaturbereich von 500 – 600 C° zu entnehmen. Die Bauteile werden in Gasmischungen aus Ammoniak, Stickstoff, Wasserstoff sowie Sauerstoffträgern behandelt, wobei deren schichtrelevante Gaskennwerte für die Sauerstoffgehalte im Frisch- und die Sauerstoffpotentiale des wirksamen Reaktionsgases überwacht und mit Hilfe der Variation des Zusatzes von Sauerstoffträgern zum bereitgestellten Frischgas und des Umfanges der Ammoniakzersetzung einreguliert werden. Diese Druckschrift setzt sich ausschließlich mit der Gasoxynitrierung von Eisenwerkstoffen auseinander, wobei unter anderem abgehoben wird auf Stähle, wie 20MnCr5.

In der genannten Druckschrift ist auch die DD 0 111 098 behandelt, die ein Verfahren zu beschleunigten Erzeugung von Nitrierschichten auf Eisen und Eisenlegierungen in einem Gasgemisch aus Ammoniak und Sauerstoff bei Nitriertemperaturen bis 590 C° offenbart. Hier soll dem Nitriermedium Ammoniak genausoviel Sauerstoff zugesetzt werden, so daß die Reaktion des Sauerstoffs mit dem aus der Dissozitation des Ammoniaks entstandenen Wasserstoff ein Partial-Druckverhältnis p_h2o erreicht wird, das der Grenzkurve für die Oxidation und Reduktion des Eisens entspricht. Auch hier werden bevorzugt Eisenlegierungen angesprochen. Bezug genommen wird auf Stähle 30 CrMoV9.

Beispiele austenitischer Nickellegierungen sind einerseits in der DE 44 02 684 A1 sowie der EP 0292 061 B1 beschrieben.

Der DE 44 02 684 A1 ist eine ausdehnungsarme Nickellegierung zu entnehmen, die (in Masse-%) mindestens 34% Nickel, etwa 63% Eisen sowie Zugaben an Elementen wie Chrom, Mangan, Silizium, Kobalt in Gehalten unter einem Prozent aufweist. Derartige Legierungen zeichnen sich durch besonders niedrige Ausdehnungskoeffizienten aus, wobei auch eine gute Duktiltät und Zähigkeit gegeben ist. Bevorzugte Anwendungen werden als Schattenmasken für Fernsehgeräte und Monitore gesehen.

Die in der EP 0 292 061 B1 beschriebene Legierung beinhaltet 30 – 32% Ni, 26 – 28% Cr, 0,5 – 1,5% Cu, max. 2% Mn, 6 – 7% Mo, 0,1 – 0,25% N, max. 1 % Si, max. 0,2% Al, max. 0,03% Co, Rest Eisen einschließlich unvermeidbarer Beimengungen. Derartige Legierungen werden bisher speziell in der Chemie und Petrochemie, der Umwelttechnik sowie in der Öl- und Gasgewinnung eingesetzt. Sie haben eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit in basischen und auch sauren halogenithaltigen Medien. Gleichzeitig zeigt der Werkstoff eine ausgezeichnete Beständigkeit in reiner und verunreinigter Schwefelsäure über einen weiten Konzentrations- und Temperaturbereich. Bauteile aus derartigen Zusammensetzungen werden bei etwa 830 C° geglüht und anschließend in Wasser abgeschreckt.

Bauteile aus derartigen Werkstoffen werden vielfach lösungsgeglüht und zwar bei Temperaturen zwischen 1150 und 1180 C°. Werkstoffe aus Legierungen, wie sie beispielhaft in der DE 44 02 684 A1 sowie der EP 0 292 061 B1 angesprochen sind, werden bis dato für spezielle technische Gebiete eingesetzt, sind jedoch für Anwendungen, zum Beispiel im Anlagenbau oder der Automobilindustrie, derzeit nicht einsetzbar, da sie Kriterien, wie erhöhte Härte und Verschleißfestigkeit nicht genügen, so daß hier übliche einsatzgehärtete ferritische Stähle zum Einsatz gelangen.

Schließlich wird in der DD 276 889 A1 ein Schutzmittel zum Isolieren partieller Oberflächenbereiche beim Gasnitrieren von metallischen Werkstücken beschrieben. Das Schutzmittel besteht aus 80 – 90 Masse-% inhomogenem mit Zinn legiertem Kupferpulver sowie 10 – 20 Masse-% Polyvinylazetatlösung bzw. aus 35 – 65 Masse-% Zinnpulver, 25 – 55 Masse-% Kupferpulver und gleichfalls 10 – 20 Masse-% Polyvinylazetatlösung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das an sich bekannte Gasoxynitrierverfahren zur Erhöhung von Härte und Verschleißfestigkeit von Bauteilen, insbesondere von Halbzeugen aus austenitischen Legierungen bereitzustellen, wodurch der Einsatzbereich derartiger Werkstoffe erweitert werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung des Gasoxynitrierverfahrens für Bauteile aus austenitischen Nickellegierungen, indem die Bauteile, insbesondere Halbzeuge, zur Erhöhung ihrer Härte und Verschleißfestigkeit im Bereich ihrer oberflächennahen Randschichten zumindest partiell innerhalb eines Temperaturbereiches von 500 – 750°C in Nitriergemischen aus Amoniak und/oder Stickstoff und/oder Stickstoff und/oder Wasserstoff und/oder Sauerstoff behandelt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Bevorzugt soll das Gasoxynitrierverfahrens zur Erhöhung der Härte und Verschleißfestigkeit, insbesondere der oberflächennahen Randschichten von aus austenitischen Nickellegierungen bestehende Bauteilen angewendet werden, und zwar für

– Werkzeuge und Formen
– Befestigungselemente, wie Bolzen und Schrauben
– Bauteile von Pumpen
– Bauteile von Ventilen, insbesondere von Verbrennungskraftmaschinen, wie Dieselmotoren

Vorzugsweise erfolgt das Gasoxynitrieren im Anschluß an die Umformung des Halbzeuges, insbesondere an Endabmessung, so daß bei guter Umformbarkeit eine entsprechend hohe Härte und Verschleißfestigkeit im oberflächennahen Bereich der ausgeformten Bauteile eingestellt werden kann.

Anhand eines Beispieles wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben:
Tabellen A – D zeigen einige austenitische Legierungen, die nach der Gasoxynitrierung für die angeführten Anwendungen einsetzbar sind.
Tabelle A
Tabelle B
Tabelle C
Tabelle D
Aus Stangenmaterial wurden Proben mit ca. 20mm Durchmesser und 15mm Dicke hergestellt. Die Schnittfläche wurde vor der Nitrierbehandlung metallurgraphisch geschliffen. Die Proben wurden vor dem Gasoxynitrieren geglüht. Das Gasoxynitrieren erfolgte im Temperaturbereich zwischen 550 und 720 C°. Im Anschluß an die Gasoxynitrierung wurden die Proben unter Reaktionsgas (Schutzgas) abgekühlt. Von allen Proben wurden Konzentrationstiefenprofile aufgenommen. Proben die bei 550 C° gasoxynitriert wurden, wiesen eine Stickstoffkonzentration von ca. 12 ma – % bei einer Tiefe von 11,5 μm auf. Die Oberflächenhärte wurde nach Vickers mit einer Prüfkraft von 100 p ermittelt. Die Wahl der Prüfkraft ergab sich aus der Diffusionstiefe des Stickstoffes (11,5μm), wobei Härten von über 1000 HV 0,1 erreicht wurden.

Claims

Verwendung des Gasoxynitrierverfahrens für Bauteile aus austenitischen Nickellegierungen, indem die Bauteile, insbesondere Halbzeuge, zur Erhöhung ihrer Härte und Verschleißfestigkeit im Bereich ihrer oberflächennahen Randschichten zumindest partiell innerhalb eines Temperaturbereiches von 500 – 750°C in Nitriergemischen aus Ammoniak und/oder Stickstoff und/oder Wasserstoff und Sauerstoff behandelt werden.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile, insbesondere Halbzeuge, mit Nickelgehalten (in Masse-%) > 24% der Gasoxynitrierung unterzogen werden.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile, insbesondere Halbzeuge, mit Eisengehalten (in Masse-%) > 5%, insbesondere > 10% gasoxynitriert werden.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile, insbesondere Halbzeuge, mit Gehalten an Chrom (in Masse-%) > 15%, insbesondere > 22% gasoxynitriert werden.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur beschleunigten Erzeugung von Nitrierschichten auf den Bauteilen, im Temperaturbereich von 500 bis 750 C°, in einem Gasgemisch aus Ammoniak und Sauerstoff dem Nitriermedium Ammoniak die gleiche Menge an Sauerstoff zugesetzt wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasoxynitrierung im Anschluß an die Umformung des Halbzeuges, insbesondere an Endabmessung, durchgeführt wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Erhöhung der Härte und Verschleißfestigkeit, insbesondere der oberflächennahen Randschichten, von Bauteilen für Werkzeuge und Formen.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Erhöhung der Härte und Verschleißfestigkeit, insbesondere der oberflächennahen Randschichten von Befestigungselementen, wie Bolzen und Schrauben.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Erhöhung der Härte und Verschleißfestigkeit, insbesondere der oberflächennahen Randschichten, von Bauteilen von Pumpen.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Erhöhung der Härte und Verschleißfestigkeit, insbesondere der oberflächennahen Randschichten, von Ventilen, insbesondere von Verbrennungskraftmaschinen, wie Dieselmotoren.