DE10155671B4

DE10155671B4 - Verfahren zum Einbringen von Chrom in die Oberfläche eines Stahlteiles

Info

Publication number: DE10155671B4
Application number: DE2001155671
Authority: DE
Inventors: Erich Hochbichler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2021-11-14
Also published as: DE10155671A1

Abstract

Verfahren zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit oder chemischen Beständigkeit eines Stahlteiles durch Einbringen von Chrom in dessen Oberfläche, wobei in einem ersten Verfahrensschritt das Stahlteil mit einem Chrom enthaltenden pulverförmigen Strahlmittel gestrahlt wird, und wobei in einem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt das derart gestrahlte Stahlteil einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Chrom in die Oberfläche eines Stahlteiles zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit oder chemischen Beständigkeit des Stahlteils.

Bei Stählen ist bekannt, dass diese durch Zusatz von Chrom vor Korrosion geschützt werden können, so dass handelsübliche Edelstähle zu diesem Zweck vielfach Chrom enthalten. Allerdings beobachtet man bei solchen Stählen vielfach auch, dass sie nach einer Hochtemperaturwärmebehandlung, d.h. einer Wärmebehandlung oberhalb von 800°C, eine Verarmung an Chrom in oberflächennahen Bereichen aufweisen, und dass ihre Korrosionsbeständigkeit danach deutlich nachlässt.

Aus dem Stand der Technik ist schließlich auch bekannt, dass Stahlteile durch übliches Sandstrahlen oder auch Kugelstrahlen, beispielsweise mit Hilfe von Quarzsand, oberflächlich gereinigt werden können.

Aus JP 08333671 A ist ein Kaltzementierbeschichtungsverfahren bekannt, bei dem ein Beschichtungspulver auf ein Metall- oder Keramikwerkstück gespritzt wird. Dabei wird das Beschichtungspulver mit Spritzdruck auf die Substratoberfläche gespritzt und es wird durch Umwandlung von kinetischer Energie in Wärmeenergie ein entsprechender Überzug erzeugt.

Ebenso beschreibt JP 07252667 A ein Verfahren, bei dem Metallteilchen mit großer Geschwindigkeit auf ein Substrat auftreffen und dort einen entsprechenden Überzug bilden.

Weiter ist aus EP 0 933 447 A1 ein Beschichtungsverfahren mit Keramikteilchen bekannt, wobei die Keramikteilchen auf eine ein Metall oder einen Metallbestandteil umfassende Oberfläche eines Werkstücks durch Strahlen geschleudert werden, wodurch die Keramikteilchen in das Werkstück dispergieren. Anschließend wird ein Metallbeschichtungspulver darauf durch Strahlen geschleudert, damit Elemente in der Zusammensetzung des Metallbeschichtungspulvers in das Innere bzw. auf die Oberfläche des Werkstückes diffundieren und eindringen.

In allen bisher zitierten Schriften ist weder ein chromhaltiges Pulver als Strahlenmittel noch eine Wärmebehandlung nach dem Strahlen vorgesehen.

Schließlich wird in DE 38 36 585 A1 ein Verfahren zum Vorbereiten spezieller metallischer Legierungen und anderer Sonderwerkstoffe für ein nachfolgendes Löten, Fügen, Schweißen, Umgießen oder Metallspritzen erläutert. Dabei wird eine Behandlung und Reinigung der Werkstoff-Oberfläche durchgeführt, wobei chromhaltiges Pulver als Strahlenmittel eingesetzt werden kann. Allerdings sind keine Stahlteile als Werkstoffe vorgesehen. Ein wesentliches Ziel des Verfahrens ist es, dass nach dem Strahlen auf eine thermische oder thermomechanische Nachbehandlung des fertigen Werkstückes verzichtet werden kann.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass damit in sehr effektiver und einfacher Weise Chrom in die Oberfläche eines Stahlteils eingebracht werden kann, um diesen so vor Korrosion oder chemischen Angriffen zu schützen.
Diese Chromanreichung wird dabei dadurch erzielt, dass die Stahlteile vor einer nachfolgenden Wärmebehandlung mit einem chromhaltigen Strahlgut analog dem üblichen Kugelstrahlen gestrahlt werden, wobei das chromhaltige Strahlgut auf der gestrahlten Oberfläche des Stahlteils zunächst einen Chromabrieb und/oder Chromablagerungen hinterlässt. Gleichzeitig bewirkt das Strahlen auch einen Abtrag von passiven, diffusionshemmenden Schichten an der Oberfläche des Stahlteils, so dass das mit Hilfe des Strahlens oberflächlich eingebrachtes oder aufgebrachtes Chrom im Rahmen der nachfolgenden Wärmebehandlung besonders effektiv und weit in die Oberfläche des Stahlteils eindiffudieren kann, was zu der gewünschten verbesserten Korrosionsbeständigkeit bzw. chemischen Beständigkeit führt.
Insbesondere zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch einen geringen apparativen Aufwand aus, da zu dessen Durchführung auf übliche Vorrichtungen, wie sie für das Sandstrahlen oder Kugelstrahlen vielfach eingesetzt werden, zurückgegriffen werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren vor allem zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit bzw. chemischen Beständigkeit von unlegierten, niedrig legierten und auch mittel- bis hochlegierten Stählen durch Anreicherung der äußeren Randschicht des Stahlteils mit Chrom.
Als besonders geeignete Wärmebehandlung hat sich eine Wärmebehandlung herausgestellt, im Laufe derer der behandelte Körper zumindest zeitweise mit einer Temperatur von mindestens 800°C, insbesondere einer Temperatur zwischen 800°C bis 950°C, beaufschlagt wird.
Besonders vorteilhaft ist eine Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 850°C und 890°C, wobei diese bevorzugt in einem Vakuumofen, d. h. analog einem üblichen Vakuumhärteprozess, oder auch in einer Edelgasatmosphäre, beispielsweise einer Argonatmosphäre, einer Stickstoffatmosphäre oder einer sauerstofffreien Reaktivgasatmosphäre wie einer Wasserstoffatmosphäre erfolgt.
Insgesamt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, dass vor allem bei mittel- bis hochlegierten Stählen die nach einer Wärmebehandlung normalerweise auftretenden Verarmung an Chrom an der Oberfläche eines entsprechenden Stahlteils wieder kompensiert wird, so dass dieses vor Korrosion geschützt bleibt.
Im Übrigen ist vorteilhaft, wenn der Zeitraum zwischen dem Strahlen des Körpers mit dem Strahlgut und der nachfolgend ausgeführten Wärmebehandlung möglichst kurz ist, damit sich keine ausgeprägten diffusionshemmenden Passivierschichten bilden bzw. erneut bilden können, die die Eindiffusion des mit Hilfe des Strahlmittels in die Oberfläche des Stahlteils eingebrachten Chroms hemmen könnten. Bevorzugt wird die Wärmebehandlung daher unmittelbar im Anschluss an das Strahlen durchgeführt.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung geht zunächst aus von einem üblichen Bauteil aus Stahl, beispielsweise aus einem legierten, chromhaltigen Stahl aus. Konkret wird im Rahmen des erläuterten Ausführungsbeispiels ein Stahlbauteil aus dem Werkstoff 16MnCrS5 oder 16MnCr5Pb eingesetzt, dessen Chromgehalt zwischen 0,8 und 1,1 Gewichtsprozent liegt.
Dieser Werkstoff wurde zunächst in üblicher Weise einsatzgehärtet und danach vorzugsweise partiell boriert, bevor er mit einem pulverförmigen metallischen Strahlgut nach Art des Kugelstrahlens oder Sandstrahlens mit Hilfe einer üblichen Satelliten-Drehtischanlage gestrahlt wurde.
Das Strahlgut ist im erläuterten Ausführungsbeispiel ein legiertes, chromhaltiges Stahlpulver, eine Eisenlegierung mit bis zu 30 Gewichtsprozent Chrom, insbesondere 10 Gewichtsprozent bis 30 Gewichtsprozent Chrom, 38 Gewichtsprozent Nickel und 11 Gewichtsprozent Mangan, dessen Schmelzpunkt bei ca. 1400 bis 1550°C liegt, und das eine Dichte von 7,7 bis 8,1 g/cm³ bei einer Schüttdichte von 1100 bis 2100 kg/m³ aufweist.
Konkret erfolgte das Strahlen mit dem genannten pulverförmigen bzw. körnigen Strahlmittel, das bevorzugt eine mittlere Korngröße von 0,05 mm bis 1 mm, insbesondere 0,1 mm bis 0,3 mm, aufweist, über eine Strahlzeit von 1 Minute bis zu 60 Minuten. Durch Verwendung eines bevorzugt vergleichsweise weichen Strahlgutes wird im Übrigen ein besonders effektiver Chromabrieb und damit ein besonders effektiver Eintrag von Chrom in die Oberfläche des gestrahlten Teils erreicht.
Unmittelbar nach dem Strahlen des eingesetzten Stahlteils mit diesem Strahlgut wurde das Stahlteil dann bei einer Tem peratur von 860°C bis 880°C über eine Haltezeit von 10 Minuten bis 90 Minuten in einem Vakuumofen vakuumgehärtet.
Daraufhin konnte eine Chrom-Anreicherung auf bis zu 3 Gewichtsprozent unmittelbar in der Umgebung der Oberfläche des Stahlteils festgestellt werden, die von der Oberfläche abnehmend bis zu einer Tiefe von einigen μm reichte.
Durch weitergehende Analysen wurde festgestellt, dass durch das Strahlen und die nachfolgende Wärmebehandlung in einer Tiefe von 1,5 μm von der Oberfläche des Stahlteils aus gesehen der Chromgehalt von zunächst 0,8 bis 1,1 Gewichtsprozent im Ausgangsmaterial auf ca. 1,8 Gewichtsprozent gesteigert werden konnte. In größerer Tiefe wurden Werte von ca. 1,2 Gewichtsprozent ermittelt, d.h. es hat sich ein deutlicher Gradient in der Chrom-Konzentration im Bereich der Oberfläche des Stahlteils eingestellt, der von ca. 3 Gewichtsprozent an der Oberfläche ausgeht und auf ca. 1,2 Gewichtsprozent in einigen μm Tiefe sinkt.
Insgesamt hat man somit durch das Strahlen und die nachfolgende Wärmebehandlung eine Steigerung des Chromgehalts an der Oberfläche des Stahlteils etwa um den Faktor 3 erreicht.
Nach Anschluss des erläuterten Verfahrens wurde an den erhaltenen Stahlteilen eine deutlich erhöhte Korrosionsbeständigkeit bei Kontakt mit wässrigen Kühlschmierstoffen beobachtet, d. h. auch ein längerer Kontakt mit einem solchen Kühlschmierstoff führte zu keinerlei Rostansatz.
Neben der Wärmebehandlung im Vakuum hat sich schließlich auch eine Wärmebehandlung in einer in Edelgasatmosphäre, beispielsweise einer Argonatmosphäre, einer Stickstoffatmosphäre, einer Prozessgasatmosphäre wie einer Wasserstoffat mosphäre oder in einem anderen sauerstofffreien Gasen zur Erhöhung des Chromgehalts an der Oberfläche der Stahlteils als eignet erwiesen.

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit oder chemischen Beständigkeit eines Stahlteiles durch Einbringen von Chrom in dessen Oberfläche, wobei in einem ersten Verfahrensschritt das Stahlteil mit einem Chrom enthaltenden pulverförmigen Strahlmittel gestrahlt wird, und wobei in einem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt das derart gestrahlte Stahlteil einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlteil aus einem unlegierten, niedriglegierten oder mittel- bis hochlegierten Stahl wie 16MnCrS5 oder 16MnCr5Pb eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlmittel ein chromhaltiges Metallpulver, insbesondere ein pulverförmiger chromhaltiger Stahl, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung zumindest zeitweise bei einer Temperatur von mindestens 800°C, insbesondere von 800°C bis 950°C, vorzugsweise von 850°C bis 890°C, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einem Vakuumofen, unter Inertgasatmosphäre oder in einer sauerstofffreien Reaktivgasatmosphäre erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Chrom lediglich in den oberflächennahen Bereich des Körpers eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlteil vor dem Strahlen zunächst oberflächlich insbesondere partiell boriert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung unmittelbar nach dem Strahlen vorgenommen wird.