DE10118494A1

DE10118494A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Niederdruck-Carbonitrierung von Stahlteilen

Info

Publication number: DE10118494A1
Application number: DE10118494A
Authority: DE
Inventors: Herwig Altena
Original assignee: Aichelin GmbH
Current assignee: Aichelin GmbH
Priority date: 2001-04-04
Filing date: 2001-04-04
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2021-04-05
Also published as: EP1247875A2; DE10118494C2; EP1247875A3; US20020166607A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Niederdruck-Carbonitrierung von Stahlteilen angegeben, bei dem die Teile (24) zunächst in einem Temperaturbereich von etwa 780 DEG C bis 1050 DEG C mit einem Kohlenstoffspendergas bei einem Druck unterhalb von 500 mbar innerhalb mindestens einer evakuierbaren Behandlungskammer (12) aufgekohlt werden und anschließend mit einem Stickstoffspendergas aufgestickt werden, wobei zum Ende der Aufkohlungsphase oder nach einer Abkühlung auf einen Temperaturbereich von etwa 780 DEG C bis 950 DEG C ein Stickstoffspendergas, das Ammoniak enthält, ausgehend von einem Unterdruck bis zu einem Druck von weniger als 1000 mbar in die mindestens eine Behandlungskammer (12) eingelassen wird, um die Teile (24) aufzusticken (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Niederdruck-Carboni trierung von Stahlteilen, bei dem die Teile zunächst in einem Temperaturbereich von etwa 780°C bis 1050°C mit einem Kohlen stoffspendergas bei einem Druck unterhalb von 500 mbar inner halb mindestens einer evakuierbaren Behandlungskammer aufge kohlt werden und anschließend mit einem Stickstoffspendergas aufgestickt werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Behandlung von Stahlteilen, mit der ein solches Verfahren durchgeführt werden kann, mit mindestens einer Behandlungskammer, die mit einer Vakuumpumpe koppelbar ist und mindestens einen Einlaß für ein Kohlenstoffspendergas und für ein Stickstoffspendergas auf weist, mit einer Heizeinrichtung zur Beheizung der mindestens einen Behandlungskammer, und mit einer Steuerung zur Steuerung der Temperatur und der Atmosphäre innerhalb der mindestens ei nen Behandlungskammer.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der DE 199 09 694 A1 bekannt.

Danach ist ein Verfahren zum Carbonitrieren bei Unterdruck prozessen bekannt, wonach zunächst eine Unterdruckaufkohlung durchgeführt wird und anschließend bei Verwendung von molekula rem Stickstoff als Spendergas oder von Ammoniak bei höherem Druck von bis zu einigen bar eine Aufstickung durchgeführt wird. Das bekannte Verfahren stellt demnach eine Kombination eines Unterdruck-Aufkohlens mit einem anschließenden Aufsticken bei Überdruck dar.

Wie das Verfahren jedoch im einzelnen ausgeführt werden soll, um günstige Behandlungsergebnisse zu erzielen, bleibt völlig offen.

Abgesehen von der vorgenannten Veröffentlichung, die dem Fach mann keinen Hinweis dafür liefert, wie denn ein solcher Carbo nitrierprozeß in der Praxis tatsächlich durchgeführt werden kann, wird es in der Fachwelt bislang als nicht möglich angese hen, ein Unterdruck-Carbonitrieren ohne eine Plasmaanregung durchzuführen, womit ausreichende Stickstoffgehalte und Kohlen stoffgehalte in der Randzone der behandelten Teile erzielt wer den. Begründet wird dies durch das sogenannte Sievertsche Gesetz, das besagt, daß mit abnehmendem Stickstoffpartialdruck der Atmosphäre die Stickstofflöslichkeit im Bauteil sinkt und Stickstoff aus dem Bauteil herausdiffundiert.

Die aus der DE 199 09 694 A1 bekannte Lösung, die Aufstickung im Überdruckbereich durchzuführen, erfordert eine aufwendige Anlagentechnik einer als Druckbehälter ausgeführten Heizkammer sowie einen erheblichen Gasverbrauch, der zum Befüllen dersel ben erforderlich ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermochemischen Behandlung von Stahl teilen anzugeben, durch die bei Unterdruck eine Aufkohlung und eine Aufstickung auf die gewünschten Werte in der Randzone der Teile auf möglichst einfache und kostengünstige Weise erzielbar sind. Ferner soll bei einer anschließenden Härtung der Teile eine ausreichende Einsatzhärtetiefe über einen gewünschten Be reich erzielbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß der eingangs ge nannten Art dadurch gelöst, daß zum Ende der Aufkohlungsphase oder nach einer Abkühlung auf einen Temperaturbereich von etwa 780°C bis 950°C ein Stickstoffspendergas, das Ammoniak ent hält, ausgehend von einem Unterdruck bis zu einem Druck von we niger als 1000 mbar, in die mindestens eine Behandlungskammer eingelassen wird, um die Teile aufzusticken.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen ge löst.

Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei Einlaß eines Stickstoff spendergases, das zumindest Ammoniak enthält oder überwiegend aus Ammoniak besteht, bei Unterdruck in die mindestens eine Be handlungskammer und bei anschließendem Druckanstieg des Stick stoffspendergases auf einen Partialdruck von weniger als 1000 mbar in einem Temperaturbereich von etwa 780°C bis etwa 950°C gute Behandlungsergebnisse erzielbar sind.

Hierbei erfolgt die Aufkohlung in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung bei etwa 850°C bis etwa 1000°C, vorzugsweise bei etwa 850°C bis 950°C, wobei vorzugsweise ein Druck von weniger als 200 mbar, vorzugsweise von weniger als 50 mbar, eingehalten wird.

Die Aufkohlungsphase kann hierbei in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung eine Mehrzahl von Begasungszyklen umfassen, wäh rend derer Kohlenstoffspendergas in die mindestens eine Behand lungskammer eingelassen wird, und wobei eine Mehrzahl von Dif fusionszyklen verwendet wird, während derer kein Kohlenstoff spendergas zugeführt wird.

Hierbei wird vorzugsweise als Kohlenstoffspendergas Propan, Acetylen oder Ethylen verwendet.

In weiter vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur vor oder während der Aufstickung auf etwa 780°C bis 900°C, vorzugsweise auf etwa 830°C bis 870°C, abgesenkt.

Zur Behandlung des Stahles Ck45 und des Stahles 16MnCr5 hat es sich hierbei als vorteilhaft erwiesen, wenn die Aufkohlung in einem Temperaturbereich von etwa 850°C bis 950°C mit einer Mehrzahl von Begasungszyklen bei einem Teildruck von weniger als 50 mbar und einer Gesamtdauer von etwa 10 bis 90 min, mit anschließenden Diffusionszyklen bei Teildruck durchgeführt wird, wobei sich an den letzten Begasungszyklus ein längerer Diffusionszyklus von mindestens 5 min bei einem verringerten Teildruck von weniger als 10 mbar anschließt.

Mit einer derartigen Verfahrensführung läßt sich für die beiden zuvor genannten Stähle und für Stähle mit ähnlichen Eigenschaf ten eine ausreichende Aufkohlung der Randzone gewährleisten.

Die Aufstickung wird vorzugsweise in einem Temperaturbereich von etwa 820°C bis 950°C durchgeführt. Je nach der Art des verwendeten Ausgangsmaterials, insbesondere dessen Affinität zu Stickstoff, die durch die Legierungselemente beeinflußt wird, je nach erforderlicher Einsatzhärtetiefe und der verwendeten Temperatur wird die Zeitdauer entsprechend angepaßt. Hierbei ergeben sich meistens mit einer Behandlungsdauer von etwa 15 bis 60 min gute Ergebnisse.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird bereits wäh rend des letzten Diffusionszyklus der Aufkohlungsphase mit ei nem Einlaß des Stickstoffspendergases in die mindestens eine Behandlungskammer begonnen, bevor mit der Abkühlung bis auf die Temperatur der Aufstickungsphase begonnen wird.

Auf diese Weise kann eine besonders Zeit- und damit kosten sparende Behandlung der Teile erzielt werden.

Vorzugsweise wird das Stickstoffspendergas während der Auf stickungsphase beginnend von einem Teildruck von höchstens 500 mbar, vorzugsweise von höchstens 50 mbar, bis zum Erreichen des Maximaldrucks von weniger als 1000 mbar ständig zugeführt.

Hierbei kann das Stickstoffspendergas über die gesamte Dauer der Aufstickungsphase zugeführt werden oder aber der Druck nach Erreichen des Maximaldrucks konstant gehalten werden.

Es hat sich gezeigt, daß sich besonders dann, wenn der Druck des Stickstoffspendergases während der gesamten Dauer der Auf stickungsphase durch ständigen Gaszutritt bei ansonsten ge schlossener Behandlungskammer ständig erhöht wird, bevorzugte Stickstoffgehalte von ca. 0,2-0,4 Gew.-% in den Randzonen er zielen lassen.

Gleichwohl ist eine sinnvolle Behandlung auch dann möglich, wenn der Druck bei Erreichen des Maximaldrucks von weniger als 1000 mbar konstant gehalten wird. Dabei wird als Stickstoff spendergas vorzugsweise ein Gas verwendet, das überwiegend Am moniak enthält. Dabei kann gegebenenfalls noch molekularer Stickstoff mit einem geringen Teildruck enthalten sein.

Die Aufkohlung wird vorzugsweise so gesteuert, daß sich in den oberflächennahen Schichten ein Kohlenstoffgehalt von etwa 0,5 bis 0,9 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 0,6 bis 0,75 Gew.-%, ein stellt.

Auf diese Weise wird das Entstehen von Restaustenit bei Stick stoffeinlagerung vermieden.

Die Aufstickung kann vorteilhaft in derselben Behandlungskammer wie die Aufkohlung durchgeführt werden.

Jedoch ist es bei größeren Anlagen auch möglich, verschiedene Behandlungskammern für die Aufstickung und die Aufkohlung zu verwenden.

Die Teile werden vorzugsweise nach Beendigung der Aufstickung abgeschreckt, was bevorzugt bei Hochdruck durch Gasabschreckung erfolgt.

Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn eine separate Abschreck kammer verwendet wird. Dadurch ist es möglich, durch eine kalte Abschreckkammer sehr hohe Abschreckraten zu erreichen, was für niedrig legierte und unlegierte C-Stähle besonders günstig ist, die für Carbontrierprozesse bevorzugt verwendet werden.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe der Erfindung bei einer Vorrichtung gemäß der eingangs genannten Art dadurch ge löst, daß die Steuerung dazu ausgebildet ist, zunächst für eine Aufkohlung bei einer Temperatur von etwa 780°C bis 1050°C Kohlenstoffspendergas bis zu einem Druck von weniger als 500 mbar in die mindestens eine Behandlungskammer einzulassen und für eine anschließende Aufstickung bei einer Temperatur von 780°C bis 950°C Stickstoffspendergas, das Ammoniak enthält, bis zu einem Partialdruck von weniger als 1000 mbar in die min destens eine Behandlungskammer einzulassen.

Diese Vorrichtung weist ferner vorzugsweise Mittel zur Hoch druckgasabschreckung der Teile auf.

Eine derartige Vorrichtung ist zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens geeignet, wobei Temperatur und Atmosphäre programmgesteuert vollautomatisch eingehalten werden können, um so eine hohe Reproduzierbarkeit der Behandlung zu gewährlei sten.

Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, daß ammoniakhaltiges Gas nur bis zu einem Teildruck zugeführt wird, der unterhalb des Atmosphärendruckes liegt.

Hierdurch werden die sonst notwendigen Sicherheitsmaßnahmen bei Verwendung von Ammoniak erheblich vereinfacht, was zur kosten günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung und zu einer kostengün stigen Verfahrensführung beiträgt. Auch wird der Verbrauch von Prozeßgas auf ca. 5-30% der bislang notwendigen Volumina ge senkt. Eine aufwendige Ausführung der Heizkammer als Druckbe hälter wird ebenfalls vermieden.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach stehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens geeignet ist;

Fig. 2a), b) ein schematisiertes Temperaturprofil und Druck profil zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Mehrkammer- Behandlungsanlage zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung einer Nieder druck-Carbonitrier-Behandlung von Stahlteilen 24 schematisch dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 umfaßt eine Behandlungskammer 12, die gasdicht von einem Gehäuse 20 umschlossen ist und die allseits von einer Kühlung (z. B. Wasserkühlung) umschlossen ist und an der Vorder seite durch einen Deckel 68 gasdicht verschließbar ist. Inner halb der Behandlungskammer 12 ist eine Heizkammer 13 vorgese hen, die an ihrer dem Deckel 68 zugewandten Vorderseite durch eine Tür 70 verschließbar ist und deren Oberseite und Untersei te durch verfahrbare Türen 64, 66 verschlossen ist.

In die Heizkammer 13 ist eine Teilehalterung 22 einfahrbar, in der die Teile 24 aufgenommen werden können. In der Heizkammer ist eine Mehrzahl von Heizelementen 26 vorgesehen. Seitlich ne ben der Heizkammer 13 sind ein von einem Motor 72 angetriebener Ventilator 30 sowie ein davor befindlicher Kühlwasser- Wärmeaustauscher 28 für eine Gasabschreckung unter Hochdruck vorgesehen.

Die Vorrichtung 10 weist ferner eine Vakuumpumpe 14 auf, die über ein Ventil 16 und eine Leitung 18 mit der Behandlungs kammer 12 koppelbar ist, um diese zu evakuieren.

Ferner weist die Behandlungskammer 12 eine Reihe von Gaseinläs sen auf, um verschiedene Gase, insbesondere Stickstoff, Propan, Acetylen oder Eythylen und Ammoniak, in geeigneter Weise zufüh ren zu können. Hierzu ist ein unter Druck stehender Stickstoff tank 48 über einen Druckminderer (nicht dargestellt) und ein Ventil 46 mit einem Einlaß 44 verbunden, der in die Behand lungskammer 12 mündet.

Ferner ist ein unter Druck stehender Behälter 42 zur Aufnahme von Propan wiederum über einen Druckminderer (nicht darge stellt) und ein Ventil 40 mit einem Einlaß 34 verbunden, der in die Behandlungskammer 12 mündet. Schließlich ist ein unter Druck stehender Behälter 38 zur Aufnahme von Ammoniak wiederum über einen Druckminderer (nicht dargestellt) und ein Ventil 36 mit einem Einlaß 32 verbunden, der in die Behandlungskammer 12 mündet.

Ferner weist die Vorrichtung 10 eine zentrale Steuerung 50, vorzugsweise in Form einer programmierbaren Steuerung auf, die über eine Reihe von Steuerleitungen 52, 54, 56, 58, 60, 62 mit den betreffenden Ventilen 46, 40, 36 bzw. den damit gekoppelten Druckminderern für die Behälter 48, 42, 38 sowie mit dem Ventil 16 und der Vakuumpumpe 14, sowie mit den Heizelementen 26 ge koppelt ist, um die Temperatur, den Druck und die Gasatmosphä renzusammensetzung innerhalb der Behandlungskammer 12 gezielt beeinflussen zu können. Ferner ist die Steuerung mit einem Be tätigungsmechanismus 67 für die obere und untere Tür 64, 66 der Heizkammer 13 und dem Ventilator 30 über Leitungen 63, 60 ge koppelt, um eine Hochdruckgasabschreckung durchführen zu kön nen.

Zur Durchführung einer Gasabschreckung werden die oberen und unteren Türen 64, 66 der Heizkammer 13 geöffnet, Kühlgas in die Behandlungskammer 12 eingelassen und über den Wärmetauscher 28 mittels des Ventilators 30 umgewälzt.

Eine abgewandelte Ausführung einer Vorrichtung zur Durchführung der Niederdruck-Carbonitrier-Behandlung ist in Fig. 3 äußerst schematisch skizziert und insgesamt mit der Ziffer 100 bezeich net. Hierbei ist die Vorrichtung als Mehr-Kammeranlage ausge führt, bei der der Carbonitrierprozeß in einer Behandlungskam mer 102 und die Abschreckung in einer davon getrennten Ab schreckkammer 103 durchgeführt werden können.

Die Vorrichtung 100 ist wiederum von einem gasdichten Gehäu se 101 umschlossen, in dem die Behandlungskammer 102 zur Carbo nitrier-Behandlung von Teilen 24 über eine Tür 104 verschließ bar angeordnet ist. Davor ist eine Abschreckkammer 103 vorgese hen, die über Türen 105, 106 verschließbar ist und die mit ei ner Abschreckluftführung 107 mit Gebläse und Wärmetauscher zum Abschrecken der Teile versehen ist.

Auf die Darstellung der zusätzlichen Teile wie Gasleitungen, Steuerleitungen, Ventile, Steuerungen u. dgl. wurde bei Fig. 3 der Einfachheit halber verzichtet.

Für einen bestimmten Werkstoff, eine gegebene Geometrie der zu behandelnden Teile 24 und für bestimmte Zielwerte betreffend den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt in der Randzone sowie für eine gewünschte Einsatzhärtetiefe erfolgt der gesamte Verfah rensablauf vorzugsweise programmgesteuert, so daß der Ablauf vollautomatisch erfolgen kann, sofern die Behandlungsparameter für den jeweiligen Einsatzfall zuvor optimiert wurden.

Die Behandlungskammer 12 ist ausreichend druckfest ausgebildet, um auch eine Hochdruckgasabschreckung bei einem Gasdruck von 15 bar oder mehr durchführen zu können.

Im folgenden wird der Behandlungsablauf, der typischerweise zur Niederdruck-Carbonitrierung und anschließenden Gasabschreckhär tung durchgeführt werden kann, näher anhand von Fig. 2a) und b) erläutert.

Nach einer Entfettung der Teile, die durch einen Waschprozeß oder lediglich auf thermische Weise erfolgen kann, folgt eine Aufheizung der Teile auf eine Temperatur T₁, bei der eine Auf kohlung durchgeführt wird. Die Temperatur zur Aufkohlung kann grundsätzlich in einem Bereich von 780°C bis 1050°C liegen, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 900°C bis 1000°C gear beitet wird, und wobei im dargestellten Fall eine Temperatur von 930°C gewählt wurde. Eine Aufheizung auf die Temperatur T₁ kann beispielsweise innerhalb von 30 min erfolgen. Gleichzeitig wird der Druck P vom Atmosphärendruck zunächst so weit wie mög lich erniedrigt, um Restsauerstoff zu entfernen und sodann auf einen Druck P₁, der unterhalb von 50 mbar liegt, vorzugsweise bei etwa 1 oder 0,8 mbar, erhöht. Es wird sodann eine Haltestu fe bei konstantem Druck P₁ und konstanter Temperatur T₁ einge legt, die beispielsweise 1 bis 2 h, z. B. 1,5 h, dauern kann. Während nun die Temperatur T₁ weiter konstant gehalten wird, erfolgt eine Aufkohlung mit einer Folge von Begasungszyklen, während derer Kohlenstoffspendergas, z. B. Propan, in die Be handlungskammer 12 eingelassen wird. An jeden Begasungszyklus schließt sich vorzugsweise eine kurze Diffusionszeit ohne Gas zufuhr an, während sich an den letzten Begasungszyklus eine längere Diffusionszeit ohne Gaszufuhr anschließt. Die Anzahl der Begasungszyklen, die Dauer der jeweiligen Gaszufuhr und die Gasflußrate hängen von der verwendeten Stahlsorte und der ge wünschten Kohlenstoffkonzentration ab, die in der Randzone an gestrebt wird.

Bei dem Stahl Ck45 oder 16MnCr5 können beispielsweise 4 Zyklen à 3 min Gaseinlaß mit 600 l/h Propan mit 20 mbar durchgeführt werden, die jeweils von einem Diffusionszyklus von 1 min ge folgt sind, woran sich beispielsweise 6 Zyklen à 3 min Gas einlaß mit 400 l/h Propan bei 20 mbar anschließen, die jeweils von einem Diffusionszyklus von 1 min gefolgt sind, wobei sich an den letzten Begasungszyklus ein längerer Diffusionszyklus bei dem Teildruck P₃, der etwa dem Teildruck P₁ entsprechen kann, und der z. B. 0,5 bis 2 h, beispielsweise 65 min. dauern kann, anschließt.

Am Ende dieses Diffusionszyklus wird die Temperatur T₁ auf eine niedrigere Temperatur T₂ abgesenkt, bei der die Aufstickung durchgeführt wird. Die Aufstickung kann grundsätzlich in einem Temperaturbereich von etwa 780°C bis 950°C unter Verwendung eines Stickstoffspendergases erfolgen, das überwiegend Ammoniak enthält, wobei bevorzugt ein Temperaturbereich zwischen etwa 800°C und 900°C gewählt wird, oder von etwa 860°C, wie im dargestellten Fall.

Mit Erreichen der Temperatur T₂ wird ausgehend von dem Druck P₃ Stickstoffspendergas, also beispielsweise Ammoniak mit 1 m³/h, bei geschlossenem Vakuumventil 16 zugeführt. Bei einem Volumen der Behandlungskammer 12 von z. B. 5,3 m³ steigt der Druck über eine Zeitdauer von 30 min auf den Druck P₄ an, der knapp 400 mbar in dargestelltem Beispiel beträgt.

Gemäß einer Verfahrensvariante ist es möglich, die Behandlungs kammer zunächst mit einem Inertgas, etwa mit N₂, z. B. bis auf 500 mbar zu fluten und erst dann NH₃ einzulassen.

Daran schließt sich vorzugsweise eine Gashochdruckabschreckung mit Stickstoff an, wozu der Druck kurzzeitig beispielsweise auf etwa 15 bar erhöht werden kann und sodann eine Schnellabkühlung mit Unterstützung des Ventilators 30 innerhalb von etwa 5 min auf Raumtemperatur erfolgen kann. Alternativ kann zunächst der Druck durch Evakuieren abgesenkt werden und anschließend mit Kühlgas (N₂) geflutet werden.

Es versteht sich, daß die in Fig. 2a) und b) dargestellten Tem peratur- und Druckprofile vereinfacht sind, um lediglich den idealen Verlauf zu erläutern, während in der Realität natur gemäß nicht immer ein Aufheizen bzw. Abkühlen mit konstanter Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit erfolgt und auch die Druck änderungen in der Regel nicht geradlinig erfolgen.

Jedoch ist das Prinzip anhand von Fig. 2a) und b) ohne weiteres erkennbar.

Die besten Aufstickungsergebnisse in der Randzone wurden mit der zuvor dargestellten stetigen Zufuhr von Ammoniak bei ge schlossenem Vakuumventil 16 über die gesamte Aufstickungsphase erzielt.

Im Durchfluß, d. h. bei einer stetigen Zufuhr von Stickstoff spendergas bei gleichzeitig geöffnetem Vakuumventil 16, ist bei sonst gleichen Randbedingungen mit einem Zufluß von 1 m³ NH³ über 30 min während der Temperaturhaltephase auf Temperatur T₂, gleichfalls eine wunschgemäße Einlagerung von Stickstoff in die Randschicht erreichbar, wobei jedoch höhere NH₃-Begasungsmengen notwendig sind.

Es ist denkbar, wie mit der strichpunktierten Linie in Fig. 2b) angedeutet, die Ammoniakzufuhr schon vor dem Ende des letzten Diffusionszyklus, d. h. also noch während der Aufkohlungsphase, bei Temperatur T₁ zu beginnen und stetig fortzusetzen, bis nach dem Ende des Diffusionszyklus die Temperatur von T₁ auf T₂ auf die Haltetemperatur für die Aufstickungsphase abgesenkt wird.

Bekanntlich dissoziiert bei höherer Temperatur der Ammoniak schneller in N₂ und H₂, wodurch der Stickstoff bei der höheren Temperatur nicht so schnell in den Austenit eingelagert werden kann, da die Zwischenprodukte NH₂, NH, N und H sich schneller zu den Endprodukten H₂ und N₂ umbilden. Insoweit sind die Auf stickungsergebnisse bei niedrigerer Temperatur T₂ besser als bei höherer Temperatur T₁. Jedoch kann durch die Vorverlegung der Begasung mit NH₃ die notwendige Gesamtzeit bis zum Errei chen der gewünschten Endstickstoffkonzentration verkürzt wer den.

Als weitere Möglichkeit ist in Fig. 2b) der Gasdurchfluß mit der doppelstrichpunktierten Linie angedeutet, der zu einem niedrigeren, konstanten Enddruck P₄" führt und der insgesamt jedoch nicht zu gleichermaßen vorteilhaften Ergebnissen für die stetige Druckerhöhung bei konstanter Gaszufuhr mit geschlosse nem Vakuumventil 16 führt.

Ausführungsbeispiel

In einer Behandlungskammer 12 mit einem Volumen von ca. 5,3 m³ wurden ca. 50 Stäbe mit einem Durchmesser von 20 mm und 500 mm Länge aus Ck15 (Ballast) und 2 polierten Proben aus Ck45 und zwei polierten Proben aus 16MnCr5 behandelt.

Hierbei erfolgte zunächst über eine Zeitdauer von 30 min eine Aufheizung auf eine Temperatur T₁ von 930°C bei weitgehender Evakuierung, woran sich eine Haltestufe bei 930°C und einem Teildruck von 0,8 mbar über 70 min anschloß. Daran schloß sich eine Aufkohlungsphase über eine Gesamtdauer von 104 min an, mit 4 Zyklen von je 3 min Gaseinlaß (Propan) mit 600 l/h bei 20 mbar, jeweils gefolgt von einem Diffusionszyklus von einer min. Daran schlossen sich 6 Zyklen zu jeweils 3 min Gaseinlaß mit 400 l/h Propan bei 20 mbar an, gefolgt von einem Diffusi onszyklus von jeweils 1 min. An den letzten Begasungszyklus schloß sich ein Diffusionszyklus weiterhin bei der Temperatur T₁ von 930°C von 65 min bei einem Teildruck von 0,8 mbar an. Danach erfolgte eine Abkühlung auf die Temperatur T₂ von 860°C, worauf sich eine Aufstickungsphase bei T₂ über 30 min anschloß, und zwar mit 1 m³/h NH₃-Begasung bei geschlossenem Vakuumventil 16.

Daran schloß sich eine Gasabschreckung mit 15 bar N₂ an.

An den so hergestellten Proben wurde der Kohlenstoffgehalt und der Stickstoffgehalt in der Randzone mittels GDOS-Analysen bestimmt. Es ergab sich ein Gehalt von etwa 0,75% C und von etwa 0,5% N, beim Stahl 16MnCr5 bis zu einer Tiefe von ca. 0,3 mm. Bei Ck45 wurde ein Kohlenstoffgehalt von 0,77% C und ein Stickstoffgehalt von etwa 0,3% N in der Randzone ermittelt, bis zu einer Tiefe von ca. 0,4 mm. Dabei ergab sich bei Ck45 eine Oberflächenhärte von etwa 600 HV.

Die stärkere Einlagerung von Stickstoff bei 16MnCr5 mit etwa 0,5% N im Vergleich zu etwa 0,3 % N bei Ck45 ist auf die höhe re Affinität der Legierungselemente zu Stickstoff und die Bil dung von fein verteilten Cr-Nitriden zurückzuführen.

Übliche Rand-Stickstoffgehalte von 0,25 bis 0,4% lassen sich bevorzugt durch Gaseinlaß bei gleichzeitigem Druckanstieg er zielen. Vergleichsversuche zeigten, daß sich bei Gasdurchfluß eine Gleichgewichtskonzentration in Abhängigkeit vom NH₃-Durch satz und Temperatur einstellt, die zum Teil erheblich niedriger als bei Gaseinlaß ist.

Ein Diffundieren von Stickstoff aus der randnahen Zone wurde trotz Evakuierung (und Transport der Charge in der evakuierten Anlage gemäß Fig. 3) nicht festgestellt.

Eine Aufstickung lediglich mit 1 bar N₂ führte dagegen nicht zu dem gewünschten Stickstoffgehalt im Werkstoff.

Claims

1. Verfahren zur Niederdruck-Carbonitrierung von Stahlteilen, bei dem die Teile (24) zunächst in einem Temperatur bereich von etwa 780°C bis 1050°C mit einem Kohlen stoffspendergas bei einem Partialdruck unterhalb von 500 mbar innerhalb mindestens einer evakuierbaren Behand lungskammer (12, 102) aufgekohlt werden und anschließend mit einem Stickstoffspendergas aufgestickt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ende der Aufkohlungsphase oder nach einer Abkühlung auf einen Temperaturbereich von etwa 780°C bis 950°C ein Stickstoffspendergas, das Ammoniak enthält, ausgehend von einem Unterdruck bis zu einem Par tialdruck des Stickstoffspendergases von weniger als 1000 mbar in die mindestens eine Behandlungskammer (12, 102) eingelassen wird, um die Teile (24) aufzusticken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufkohlung bei etwa 850°C bis 1000°C, vorzugsweise bei etwa 850°C bis 950°C erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufkohlung bei einem Druck von weniger als 200 mbar, vorzugsweise bei weniger als 50 mbar erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufkohlungsphase eine Mehrzahl von Begasungszyklen umfaßt, während derer Kohlenstoffspender gas in die mindestens eine Behandlungskammer (12) einge lassen wird, und eine Mehrzahl von Diffusionszyklen um faßt, während derer kein Kohlenstoffspendergas zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenstoffspendergas Propan, Ace tylen oder Ethylen verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur vor oder während der Aufstickung auf etwa 780°C bis 900°C, vorzugsweise auf etwa 830°C bis 870°C abgesenkt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufkohlung in einem Temperatur bereich von etwa 850°C bis 950°C eine Mehrzahl von Bega sungszyklen bei einem Teildruck von weniger als 50 mbar und einer Gesamtdauer von etwa 10 bis 90 Minuten, mit an schließenden Diffusionszyklen bei Teildruck umfaßt, wobei sich an den letzten Begasungszyklus ein Diffusionszyklus von mindestens 5 Minuten bei einem verringerten Teildruck von weniger als 10 mbar anschließt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstickung in einem Temperatur bereich von etwa 820°C bis 950°C über eine Zeitdauer von etwa 10 bis 90 Minuten durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bereits während des letzten Diffusi onszyklus noch während der Aufkohlungsphase mit einem Ein lassen des Stickstoffspendergases in die mindestens eine Behandlungskammer (12, 102) begonnen wird, bevor mit der Abkühlung bis auf die Temperatur der Aufstickungsphase be gonnen wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stickstoffspendergas während der Aufstickungsphase beginnend von einem Teildruck von höch stens 500 mbar, vorzugsweise von höchstens 50 mbar, bis zum Erreichen des Maximaldrucks ständig zugeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Stickstoffspendergas über die gesamte Dauer der Auf stickungsphase zugeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß der Druck nach Erreichen des Maxi maldrucks konstant gehalten wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stickstoffspendergas überwiegend Ammoniak enthält.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufkohlung so gesteuert wird, daß sich in den oberflächennahen Schichten ein Kohlenstoff gehalt von etwa 0,5 bis 0,9 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 0,6 bis 0,75 Gew.-% einstellt.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (24) nach Beendigung der Aufstickung abgeschreckt werden, vorzugsweise bei Hoch druck gasabgeschreckt werden.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstickung in derselben Behand lungskammer (12) wie die Aufkohlung erfolgt.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstickung und die Aufkohlung in einer von einer Abschreckkammer (103) getrennten Behand lungskammer (102) durchgeführt werden.

18. Stahlteile hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.

19. Vorrichtung zur Behandlung von Stahlteilen, mit mindestens einer Behandlungskammer (12, 102), die mit einer Vakuum pumpe (14) koppelbar ist und einen Einlaß (32, 34) für ein Kohlenstoffspendergas (42) und für ein Stickstoffspender gas (38) aufweist, mit einer Heizeinrichtung (28) zur Be heizung der mindestens einen Behandlungskammer (12, 102), und mit einer Steuerung (50) zur Steuerung der Temperatur und der Atmosphäre innerhalb der mindestens einen Behand lungskammer (12, 102), dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (50) dazu ausgebildet ist, zunächst für eine Aufkohlung bei einer Temperatur von etwa 780°C bis 1050°C Kohlenstoffspendergas (42) bis zu einem Par tialdruck von weniger als 500 mbar in die mindestens eine Behandlungskammer (12) einzulassen und für eine anschließende Aufstickung bei einer Temperatur von 780°C bis 950°C Stickstoffspendergas, das Ammoniak enthält, ausge hend von einem Unterdruck, bis zu einem Partialdruck des Stickstoffspendergases von weniger als 1000 mbar in die mindestens eine Behandlungskammer (12, 102) einzulassen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch Mittel (30, 44, 46, 48, 107) zur Hochdruckgasabschreckung der Teile (24).