DE102006054280B4

DE102006054280B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit nitrocarburierter oder nitrocarburierter und oxidierter Oberflächen von aus Stahl bestehenden Bauteilen

Info

Publication number: DE102006054280B4
Application number: DE200610054280
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Baudis
Original assignee: Durferrit GmbH Thermotechnik
Current assignee: Durferrit GmbH Thermotechnik
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2026-11-18
Also published as: DE102006054280A1

Abstract

Verfahren zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von nitrocarburierten oder nitrocarburierten und oxidierten Oberflächen von aus Stahl bestehenden Bauteilen (2), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte
– Entziehung von Wasser aus den Oberflächen der Bauteile (2) in einem Vakuum bei Temperaturen von größer oder gleich 25°C,
– nachfolgendes Aufbringen von Korrosionsschutzmittel (14) auf die Oberflächen der Bauteile (2) zu deren Versiegelung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit nitrocarburierter oder nitrocarburierter und oxidierter Oberflächen von aus Stahl bestehenden Bauteilen.
Zur Erhöhung des Verschleißschutzes stark beanspruchter Bauteile aus Stahl wird seit Jahrzehnten weltweit das Nitrocarburieren im großtechnischen Maßstab angewendet. Bei derartigen Verfahren, die beispielsweise in Liedtke, D. et al, Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen-Nitrierten und Nitrocarburieren, Expert-Verlag, Renningen 2006 beschrieben sind, wird durch Behandlung der Bauteile in stickstoffabgebenden Gasen, meistens Ammoniak-Atmosphäre, in einem stickstoffhaltigen Plasma oder in stickstoffabgebenden geschmolzenen Salzen, meist Schmelzen aus Kaliumcyanat, Natriumcyanat und Soda, bei Temperaturen um 580°C eine verschleißbeständige Eisennitridschicht von circa 20 Mikrometern Dicke auf den Bauteilen erzeugt. Diese sogenannte Verbindungsschicht besteht aus den Eisennitriden Fe_xN x = 2 – 3 (epsilon-Nitrid) und Fe₄N (gamma-Strich-Nitrid). Bei legierten Stählen enthält die Verbindungsschicht auch submikroskopisch fein verteilt die Nitride der Legierungselemente, wie zum Beispiel Chromnitrid, Vanadiumnitrid. Die Verbindungsschicht ist außerordentlich hart und verschleißbeständig, besonders gegen adhäsiven Verschleiß, und hat weniger einen metallischen als vielmehr den Charakter einer Nitridkeramik. Die äußere Randzone dieser verschleißhemmenden Schicht enthält in einem Bereich von 10 bis 50% bezogen auf die gesamte Schichtdicke immer einen Saum von Poren, die das Nitrid durchsetzen. Die Entstehung dieses Porensaums ist beispielsweise erwähnt in Prenosil, Bl., Härterei Technische Mitteilungen 23 (1968) 216–226; Mittemeijer, E., Somers, M., Verbindungsschichtbildung beim Nitrieren und Nitrocarburieren, Härterei-Techn. Mitt. 51 (1996) 3, S. 162–169; Liedtke, D. et al, Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen-Nitrieren und Nitrocarburieren, Expert-Verlag, Renningen 2006, S. 21–26. Ein schematisches Bild einer nitrocarburierten Schicht auf Stahl ist in 1 dargestellt.
Nitrocarburierte Schichten auf unlegiertem Stahl sind etwas korrosionsbeständiger als der Grundwerkstoff, jedoch ist die Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit nicht signifikant. Bei einem Standard–Salzsprühtest mit verdünnter Kochsalzlösung nach DIN 50 021 [DIN 50021, Beuth-Verlag, Burggrafenstr. 6, 10787 Berlin (1988)] kann man davon ausgehen, dass zum Beispiel Bauteile aus dem Stahl 42CrMo4 schon nach kürzester Zeit, im allgemeinen 1–4 Stunden, verrostet sind. Nitrocarburierter und nicht weiter behandelter Stahl würde nach etwa 12–24 Stunden zu rosten beginnen.
Schon vor längerer Zeit wurde gefunden, dass bei einer zusätzlichen Behandlung nitrocarburierter Bauteile in einer oxidierenden Salzschmelze, z. B. auf Basis von Alkalinitrit, Alkalinitrat, Alkalihydroxid und -carbonat eine Oxidation der nitrocarburierten Schicht im Bereich der porösen Zone stattfindet. In Gasatmosphären kann man mit überhitztem Wasserdampf oder mit Kohlendioxid oxidieren. Dabei bildet sich das schwarzes Eisenoxid Fe₃O₄, welches den Porensaum ausfüllt und eine Passivierung der Oberfläche bewirkt. Auf diese Weise wird neben der Verschleißbeständigkeit zusätzlich noch eine bedeutende Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit erreicht und die Bauteile erhalten eine recht dekorative schwarze Oberfläche. Beispiele hierfür sind in DE 25 14 398 A1 DE 196 07 369 A1 , EP 667 401 A1 , EP 638 661 A1 und EP 524 037 B1 genannt. Beispielsweise wird ein Bauteil aus dem Stahl 42CrMo4, das nitrocarburiert und oixidiert wurde und dessen Oberfläche geschlossen ist und nicht durch Risse, Fehler oder Verwerfungen durchsetzt ist, über 500 Stunden, meist sogar mehr als 1000 Stunden im Salzsprühtest ohne zu rosten bestehen.
Die Nitrocarburierung mit Nachoxidation zur Erhöhung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit wird beispielsweise unter der Bezeichnung Q- beziehungsweise QPQ Verfahren – ein geschütztes Warenzeichen der Fa. Durferrit GmbH – großtechnisch zur Behandlung vieler verschleiß- und korrosionsbelasteter Bauteile angewendet, zum Beispiel von Gasdruckfedern, Hydraulikzylindern, Kugelbolzen, Scheibenwischerachsen, Ventilen, Waffenteilen wie Verschlüssen, Läufen und vielen mehr. Dies ist in Wahl, G., Verbesserung der Bauteileigenschaften durch Nitireren im Salzbad, Zwischenbearbeiten und Oxidieren, Techn. Mitteilungen, Durferrit GmbH, Mannheim/Hanau 1982; Wahl, G., Korrosionsbeständige Oberflächen durch Salzbadnitrieren, Fachberichte Hüttenpraxis-Metallweiterverarbeitung Heft 12, 1981, näher beschrieben.
Die Passivierung der Bauteiloberfläche durch das schwarze Eisenoxid Fe₃O₄ ist jedoch in der Praxis stets mit kleinen Fehlern behaftet. Beispielsweise kann die Oxidation an einzelnen Stellen der Bauteiloberfläche nicht perfekt sein, oder es bilden sich beim Abkühlen der Bauteile in Wasser kleine Risse oder die Ausfüllung des Porensaums mit Eisenoxid Fe₃O₄ ist nicht vollständig oder es hat sich neben dem Fe₃O₄ auch das unerwünschte Fe₂O₃ gebildet, das porös ist und keinen Korrosionsschutz bietet. Auch die Oberflächenbeschaffenheit des Grundwerkstoffs ist zu beachten. So weisen gestanzte, kaltverformte oder nur grob geschliffene Bauteile eine große Zahl von Oberflächendefekten auf, so dass derartige Bauteile durch Nitrocarburierung und anschließende Oxidation alleine meistens nicht ausreichend korrosionsfest gemacht werden können.
Die beschriebenen Fehler sind im allgemeinen statistisch über die Oberfläche der behandelten Bauteile verteilt und werden beispielsweise bei der Prüfung des Bauteils in einer korrosiven Umgebung, wie zum Beispiel dem sogenannten Salzsprühtest nach DIN 50 021, als Punkt-Korrosion sichtbar.
Nun wird in der Technik aber gefordert, dass jedes Bauteil im Salzsprühtest eine gewisse Mindest-Test-Dauer übersteht, die in der Praxis einer bestimmten Mindest-Lebensdauer des Bauteils unter den Bedingungen des Einsatzes im täglichen Leben entspricht.
Es gab daher Versuche, die nicht ganz vermeidbaren Fehlstellen auf den nitrocarburierten und nachoxidierten Bauteilen durch zusätzliche Behandlung mit aushärtbaren Polymeren, Wachsen, Ölen, Kunststoffen und dergleichen zu kaschieren beziehungsweise auszuheilen, wie beispielsweise in EP 524 037 A1 , EP 497 663 A1 , EP 472 957 A1 beschrieben. Alle diese Verfahren kann man unter dem Gesamtbegriff der nachträglichen Versiegelung von Fehlstellen betrachten. Diese Verfahren gehen davon aus, dass die korrosionsschützenden Stoffe wie Polymere, Wachse oder Öle durch Tauchen, Spritzen oder mittels Pinsel, Tuch oder dergleichen mechanisch aufgetragen werden. Durch das Auftragen von Korrosionsschutzmitteln auf nitrocarburierte und oxidierte Schichten wird auch eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit erzielt. Nachteilig ist jedoch, dass die Stoffe in beträchtlicher Menge aufgetragen werden müssen, um überhaupt korrosionsschützend wirksam zu sein. Aus diesem Grund kann es zu einer Reihe anderer Nachteile kommen. So sind zum Beispiel wachsartige oder hochviskose Korrosionsschutzmittel zwar wirksam, bilden auf den Bauteilen aber einen geschlossenen, mehrere Mikrometer dicken Film, der bei den meisten Anwendungen rasch wieder abgerieben wird oder sogar bei der Anwendung der Bauteile unzulässig ist, etwa weil sich der Stoff mit Dichtungswerkstoffen (zum Beispiel bei Gasdruckfedern, Hydraulikzylindern etc.) nicht verträgt. Andere Öle, Wachse und Polymere bewirken klebrige, hässliche Oberflächen, wenn sie in der Menge aufgetragen werden, die für einen besseren Korrosionsschutz notwendig ist. Wieder andere Mittel härten zwar relativ gut aus, bilden aber nur dünne Filme, lassen sich leicht abwischen oder laufen von der Bauteiloberfläche von selbst ab und bewirken de facto keine oder zumindest keine nennenswerte Verbesserung des Korrosionswiderstands des Bauteils.
Die JP 10204612 A betrifft ein Verfahren zum Carburieren oder Nitrocarburieren von Maschinenteilen. Nach dem Carburieren oder Nitrocarburieren wird durch eine Vakuumbehandlung bei erhöhten Temperaturen Wasserstroff aus den Maschinenteilen herausgelöst, um Rußbildung auf den Oberflächen der Teile zu vermeiden.
Die DE 42 28 748 A1 betrifft ein Verfahren zum Nitrieren beziehungsweise Nitrocarburieren von Stahlteilen bei welchem während des Abkühlens von der eigentlichen Nitrier- beziehungsweise Nitrocarburiertemperatur bei einer Temperatur im Bereich zwischen da. 150 und 250°C eine mindestens einstündige Haltepause eingelegt wird. Während der mindestens einstündigen Haltepause wird ein Vakuum um die Charge herum erzeugt und aufrecht erhalten.
Die EP 472 957 A betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit nitrocarburierter Bauteile, bei welchem nach Aufbringen von korrosionsbeständigen Schichten auf nitrocarburierten Bauteilen durch Oxidationsbehandlungen ein weiterer Schritt für eine weitere Aufbringung einer Korrosionsschutzschicht durch Aufbringen von Kunstharz generiert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, durch welche die Korrosionsbeständigkeit von nitrocarburierten oder nitrocarburierten und oxidierten Oberflächen von aus Stahl bestehenden Bauteilen erhöht werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung und in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von nitrocarburierten oder nitrocarburierten und oxidierten Oberflächen aus Stahl bestehenden Bauteilen erreicht. Hierzu werden zunächst den Oberflächen der Bauteile in einem Vakuum bei Temperaturen von größer oder gleich 25°C Wasser entzogen. Im nachfolgenden Schritt wird ein Korrosionsschutzmittel auf die Oberflächen der Bauteile zu deren Versiegelung aufgebracht.
Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens umfasst einen beheizbaren Vakuumbehälter, in welchem die Bauteile bei vorgegebenen Temperaturen in einem Vakuum zur Entgasung deren Oberflächen angeordnet sind. Weiter umfasst die Vorrichtung einen ein Korrosionsschutzmittel enthaltenden Tauchbehälter, in welchem die Bauteile mit in Vakuum entgasten Oberflächen mit dem Korrosionsschutzmittel kontaktierbar sind.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann überraschenderweise die Korrosionsbeständigkeit von Stahlbauteilen, welche entweder nitrocarburierte oder nitrocarburierte und oxidierte Oberflächen aufweisen, signifikant erhöht werden.
Bei Bauteilen mit nitrocarburierten und oxidierten Oberflächen ist deren Korrosionsbeständigkeit durch die Oxidation der Oberflächen bereits erhöht. Diese bereits erhöhte Korrosionsbeständigkeit kann durch das erfindungsgemäße Verfahren nochmals signifikant erhöht werden.
Weiterhin kann generell das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Stahlbauteilen angewendet werden, die allein nitrocarburierte, also nicht oxidierte Oberflächen aufweisen. Hier stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine Alternative zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit durch Oxidation der Oberflächen dar. Eine derartige Oxidation der Bauteile kann beispielsweise dann unerwünscht sein, wenn die durch die Oxidation bedingte schwarze Einfärbung der Oberflächen vermieden werden soll.
Wesentlich für die Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Bauteile durch das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass die Bauteile einem Vakuum bei erhöhter Temperatur ausgesetzt werden, bevor das jeweilige Korrosionsschutzmittel auf die Bauteiloberflächen aufgebracht wird. Dabei werden als Korrosionsschutzmittel bevorzugt Öle, Wachse oder insbesondere flüssige Polymere eingesetzt.
Dabei werden vorteilhaft die Bauteile in einem Vakuum bei Drucken von 0,01 bis 800 mbar, vorzugsweise bei 0,1 bis 5 mbar und bei Temperaturen von 15 bis 300°C, vorzugsweise bei 50°C bis 110°C und während einer Zeitspanne von 5 bis 120 Minuten, vorzugsweise 20 bis 30 Minuten behandelt. Erst danach werden die Öle, Wachse oder dünnflüssigen Polymere als Korrosionsschutzmittel durch Tauchen, Spritzen oder mechanisches Auftragen aufgebracht.
Die Ursache für die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der nitrocarburierte oder nitrocarburierte und oxidierte Oberflächen aufweisenden Stahlbauteile besteht in einem Verdrängungsmechanismus.
Bei Stahlbauteilen mit nitrocarburierten Oberflächen enthalten die Randzonen dieser Oberflächen generell einen Porensaum, wobei das in den Poren der Nitridschicht gebildete Eisenoxid (Fe₃O₄) selbst noch eine Restporosität besitzt. Diese und andere Poren, die nicht durch Eisenoxid gefüllt wurden, enthalten stets Gase oder Flüssigkeiten aus dem ursprünglichen Nitrocarburierprozess, in erster Linie Reste von Feuchtigkeit.
Entsprechende Verhältnisse liegen auch bei Stahlbauteilen mit nitrocarburierten und oxidierten Oberflächen vor. Beim Oxidieren nitrocarburierter Bauteile in der Gasatmosphäre wird die Oxidation im Porensaum durch Anwendung von Wasserdampf und CO₂ bewerkstelligt. Die anschließende Abkühlung erfolgt unter Schutzgas, an Luft oder im Einzelfall in speziellen Abschreckölen, wässrigen polymeren Abschreckmedien oder in Wasser. Bei der Salzbadnitrocarburierung mit nachfolgender Oxidation in einer Nitratschmelze werden die Bauteile zum Schluss in Wasser abgeschreckt und gewaschen. Bei allen diesen Vorgängen dringt unvermeidlich immer Wasser in die feinen Poren sowohl des Eisenoxids wie auch in Risse, Fehlstellen oder in freie Poren der Nitridschicht ein.
Werden nun auf die Oberflächen dieser genannten Bauteile zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit Korrosionsschutzmittel in Form von Ölen, Polymeren oder Wachsen durch Tauchen oder Besprühen dieser Oberflächen oder durch einfachen mechanischen Stoffauftrag aufgebracht, kann so gut wie kein Stoffaustausch erfolgen, da das in den Poren enthaltende Gas oder Wasser durch sehr hohe Kapillarkräfte festgehalten wird. Selbst hochkriechfähige Öle können das in den feinsten Poren enthaltene Wasser nicht verdrängen, so dass zwangsläufig mit dem Korrosionsschutzmittel eine nur unzureichende Versiegelung erhalten wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch durch das Einbringen der Bauteile in ein Vakuum erreicht, dass das Wasser aus den Poren der Oberflächenschichten der Bauteile entweicht.
Durch diese Behandlung werden also die Poren der nitrocarburierten beziehungsweise nitrocarburierten und oxidierten Oberflächenschichten der Bauteile ebenso wie feinste Risse und die im Eisenoxid enthaltenen Defektstellen geöffnet, das Wasser und/oder adsorbierte Gase werden entzogen. Damit kann das Korrosionsschutzmittel anschließend eindringen und eine perfekte Versiegelung der Oberfläche bewirken.
Bedingt durch das Eindringen des Korrosionsschutzmittels in die Poren des Porensaums der Oberflächenschichten der Bauteile wird nicht nur die Güte der Versiegelung dieser Schichten verbessert, es ergeben sich daraus auch weitere vorteilhafte Effekte.
Ein wesentlicher vorteilhafter Effekt besteht darin, dass ein breites Spektrum von Korrosionsschutzmitteln zur Versiegelung der Oberflächenschichten eingesetzt werden kann.
Insbesondere ist es nun möglich, Korrosionsschutzmittel anzuwenden, die auch andere erwünschte Eigenschaften haben, also zum Beispiel solche, die nur einen dünnen, abwischbaren Film bilden oder solche, die aushärten. Es ist sogar möglich, das Korrosionsschutzmittel (Öl, Wachs oder dünnflüssiges Polymer) nach der Behandlung von der Oberfläche wieder abzuwischen oder mittels Pressluft abzublasen, ohne dass der zusätzliche Korrosionsschutz dadurch zunichte gemacht würde.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es wesentlich, dass die Bauteile nach Einbringen in das Vakuum mit dem Korrosionsschutzmittel versiegelt werden, ohne dass die Bauteile zuvor einer feuchten, wasserhaltigen Umgebung ausgesetzt werden.
Dabei ist es möglich, aber nicht notwendig, den Auftrag des Korrosionsschutzmittels im Vakuum vorzunehmen, zum Beispiel durch Absenken der Charge in einen Tauchbehälter, der im Inneren eines Vakuumbehälters untergebracht ist und der das entsprechende Korrosionsschutzmittel enthält.
Es ist aber ebenso möglich, und in der Praxis einfacher, das Vakuum durch Einlassen von sauberer, trockener Luft oder von Stickstoff oder Argon in den Vakuumbehälter aufzuheben und die Bauteile sofort danach in einen externen Tauchbehälter mit dem geeigneten Korrosionsschutzmittel umzusetzen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
1: Schematischer Aufbau einer nitrocarburierten Schicht auf Stahl.
2: Erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen
3: Zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen
4: Standzeit von Scheibenwischerachsen im Salzsprühtest nach DIN 50021
Die 2 und 3 zeigen zwei Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung 1 zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit nitrocarburierter oder nitrocarburierter und oxidierter Oberflächen von aus Stahl bestehenden Bauteilen 2.
Die Vorrichtung 1 gemäß 2 umfasst einen Vakuumbehälter 3 in Form einer Vakuumretorte. Diese Vakuumretorte ist mit einem Deckel 4 abschließbar, wobei die Nahtstellen zwischen der Vakuumretorte und dem Deckel 4 durch O-Ringe 5 abgedichtet werden. Die so ausgebildete Dichtung kann bei Bedarf gekühlt werden. Zur Generierung eines Vakuums im Innenraum des Vakuumbehälters 3 ist eine Vakuumpumpe 6 vorgesehen, die über ein erstes Absperrventil 7 mit dem Vakuumbehälter 3 gekoppelt ist. Mit einem Vakuum-Manometer 8 ist der Druck innerhalb des Vakuumbehälters 3 messbar. Als Sicherheitselement bei Druckanomalitäten im Vakuumbehälter 3 ist ein Sicherheitsventil 9 vorgesehen.
Zur Beheizung des Vakuumbehälters 3 ist ein Retorten-Ofen 10 mit Heizwendeln vorgesehen.
Die Beheizung des Vakuumbehälters 3 kann generell von außen elektrisch durch Strahlungswärme, Dampf, Wärmeträgeröl oder dergleichen erfolgen, auch eine innenliegende Beheizung durch Heizwendeln, Graphitfolien oder Metallfolien ist denkbar.
Die zu behandelnden Bauteile 2 sind auf einem Gestell 11 innerhalb des Vakuumbehälters 3 gelagert. Dabei werden in einem ersten Verfahrensschritt die Bauteile 2 im Vakuumbehälter 3 einem Vakuum ausgesetzt, wobei der Druck im Vakuumbehälter 3 im Bereich zwischen 0,01 mbar und 800 mbar liegt. Mit dem Retorten-Ofen 10 wird dabei der Innenraum des Vakuumbehälters 3 auf Temperaturen im Bereich zwischen 25°C und 300°C, bevorzugt zwischen 50°C und 110°C aufgeheizt. Die Bauteile 2 werden dem Vakuum für eine Zeitdauer zwischen 5 min. und 120 min., bevorzugt zwischen 20 min. und 30 min., ausgesetzt. Dadurch wird erreicht, dass Wasser aus den Poren der Porenzonen der Oberflächen der Bauteile 2 (wie beispielsweise in 1 dargestellt) entweichen kann.
Danach wird durch Öffnen eines weiteren Absperrventils 12 Gas, insbesondere trockene Luft, Argon oder Stickstoff in den Vakuumbehälter 3 eingeleitet und damit das Vakuum aufgehoben. Dieses Gas verhindert ein erneutes Eindringen von Wasser in die Poren der Porenzonen der Bauteile 2.
Unmittelbar anschließend wird der Vakuumbehälter 3 durch Abnehmen des Deckels 4 geöffnet und das Gestell 11 mit den Bauteilen 2 wird mittels eines nicht dargestellten Transportmittels wie einem Kran in einen Tauchbehälter 13 eingeführt, in welchem sich ein Korrosionsschutzmittel 14 befindet. Als Korrosionsschutzmittel 14 können Öle, Wachse oder insbesondere flüssige Polymere verwendet werden.
Durch die Kontaktierung mit dem Korrosionsschutzmittel 14 werden die Oberflächen der Bauteile 2 versiegelt.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen 2 aus Stahl mit nitrocarburierten oder nitrocarburierten und oxidierten Oberflächen. Die Vorrichtung 1 gemäß 3 entspricht hinsichtlich der Ausführung des Vakuumbehälters 3 sowie dessen Beheizung weitgehend der Ausführungsform gemäß 2.
Die Vorrichtung 1 gemäß 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform dadurch, dass der Tauchbehälter 13 im Vakuumbehälter 3 selbst integriert ist. Wie aus 3 ersichtlich, bildet der untere Teil des Vakuumbehälters 3 den Tauchbehälter 13. Dieser ist durch eine Trennwand 15 vom oberen Teil des Vakuumbehälters 3 abgetrennt, der eine Vakuumkammer bildet. 3 zeigt den Vakuumbehälter 3 bei geschlossener Trennwand 15. Das Gestell 11 mit den Bauteilen 2 steht dabei auf der Trennwand 15 auf. Unterhalb der Trennwand 15, im Tauchbehälter 13, befindet sich des Korrosionsschutzmittel 14.
Die geschlossene Trennwand 15 bildet eine gasdichte Trennung zwischen der Vakuumkammer und deren Tauchbehälter 13.
Analog zur Ausführungsform gemäß 2 wird in einem ersten Verfahrensschritt in der Vakuumkammer des Vakuumbehälters 3 ein Vakuum erzeugt. Die hierfür vorgesehenen Einrichtungen, nämlich die Vakuumpumpe 6, das Vakuum-Manometer 8 und das Sicherheitsventil 9, sind analog zur Ausführungsform gemäß 2 ausgebildet. Ebenso entspricht die Dauer der Erzeugung des Vakuums, der Druck innerhalb der Vakuumkammer sowie die Aufheizung der Vakuumkammer der Ausführungsform gemäß 2.
Nachdem durch die Vakuum-Behandlung der Bauteile 2 das Wasser aus den Poren der Porenschichten in den nitrocarburierten oder nitrocarburierten und oxidierten Oberflächenschichten entfernt wurde, erfolgt die Kontaktierung der Bauteile 2 mit dem Korrosionsschutzmittel 14 zur Versiegelung der Bauteiloberflächen. Hierzu wird die Trennwand 15 mittels eines Stellglieds geöffnet und das Gestell 11 mit den Bauteilen 2 in das Korrosionsschutzmittel 14 eingetaucht. In diesem Fall erfolgt also der Auftrag des Korrosionsschutzmittels 14 noch im Vakuum. Damit kann bei der Vorrichtung 1 gemäß 3 das bei der Vorrichtung 1 gemäß 2 notwendige Absperrventil 12 entfallen, da kein Gas zur Aufhebung des Vakuums in die Vakuumkammer eingeleitet werden muss.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung durch spezifische Ausführungsformen:
Beispiel 1
33 Stück Schlauchschellen (Schlauchfedern) aus dem Werkstoff Cf 76 wurden 90 Minuten in einem TF1^®-Nitrocarburier-Salzbad mit einem Gehalt von 36% Cyanat, 27% Carbonat und 3% Cyanid sowie einem Verhältnis der Kationen K+ zu Na+ von 80:20 bei 580°C nitrocarburiert, anschließend 20 Minuten in einem oxidierenden AB1 Salzbad, bestehend aus 35% Natriumnitrat, 2% Natriumnitrit, Rest Natriumcarbonat und Kaliumhydroxid bei 390°C oxidiert, danach poliert mittels Glasperlenstrahlen und nochmals 15 Minuten im gleichen Salzbad oxidiert, danach in Wasser abgeschreckt und mit Leitungswasser und zuletzt mit entsalztem Wasser gesäubert. Diese Verfahrensweise ist als QPQ-Verfahren bekannt, welches in Wahl, G., Verbesserung der Bauteileigenschaften durch Nitrieren im Salzbad, Zwischenbearbeiten und Oxidieren, Techn. Mitteilungen, Durferrit GmbH, Mannheim/Hanau, 1982 und Wahl, G., Korrosionsbeständige Oberflächen durch Salzbadnitrieren, Fachberichte Hüttenpraxis-Metallweiterverarbeitung Heft 12, 1981, beschrieben ist.
11 Stück der so nitrocarburierten Werkstücke wurden ohne Versiegelung im Salzsprühtest nach DIN 50 021 überprüft. Alle 11 Schlauchschellen zeigten bereits nach 24 Stunden Testdauer starke Korrosionspunkte.
11 Stück der so nitrocarburierten Schlauchschellen wurden nach dem Waschen mit Heißluft getrocknet und in ein wasserverdrängendes Korrosionsschutzöl Type Kaltol 4214 HFAF der Firma Houghton getaucht, 24 Stunden abtropfen lassen und anschließend im Salzsprühtestest untersucht. Etwa die Hälfte der so behandelten Bauteile zeigte nach ca. 48 Stunden erste Korrosionspunkte, die mittlere Test-Standzeit (erreichte Teststandzeit aller 11 Bauteile dividiert durch Anzahl, hier 11) betrug 72 Stunden.
11 Stück der so nitrocarburierten Schlauchschellen wurden nach dem Waschen getrocknet und zunächst im Vakuum in einer Metallretorte bei einem absoluten Druck von 0,2 mbar 20 Minuten bei 80°C behandelt. Danach wurde das Vakuum mit trockener Luft aufgehoben, die Bauteile entnommen und unmittelbar danach in das gleiche Korrosionsschutzmedium (Kaltol 4214 HFAF) getaucht und abtropfen lassen. Danach wurde die Oberfläche mit sauberen Lappen von Ölresten freigewischt und anschließend wurden die so behandelten Bauteile im Salzsprühtest untersucht.
Die dabei erreichte mittlere Test-Standzeit (erreichte Teststandzeit aller 11 Bauteile dividiert durch Anzahl, hier 11) betrug in diesem Fall 185 Stunden.
Ergebnis:
Die erreichte Verbesserung der Standzeit von Schlauchschellen im Salzsprühtest betrug 156% verglichen mit der Behandlung ohne Vakuum.
Beispiel 2
25 Stangen aus Ck 15 mit den Abmessungen 10 mm Durchmesser, 120 mm Länge und einer Oberflächenrauhigkeit von Rz = 0,5 bis 1,15 μm wurden 90 Minuten in einem TF1^®-Salzbad bei 580°C nitrocarburiert, danach in einem oxidierenden AB1 Salzbad bei 390°C 20 Min. oxidiert und in Wasser abgeschreckt.
Anschließend wurden die Stangen mit Glasperlen gestrahlt und nochmals 25 Minuten im AB1 Bad nachoxidiert und in Wasser abgekühlt. Diese Verfahrensweise ist als QPQ-Verfahren bekannt.
5 der so behandelten Stangen wurden im Salzsprühtest nach DIN 50021 geprüft. Die mittlere Standzeit betrug 432 Stunden.
10 der so behandelten Stangen wurden in das Rostschutzmittel Kaltol 4214 HFAF der Fa. Houghton getaucht, das Öl abgewischt, und im Salzsprühtest geprüft. Die mittlere Standzeit der Stangen betrug 487 Stunden.
Die restlichen 10 der nitrocarburierten und oxidierten Stangen wurden 30 Minuten in einer Metallretorte bei 0,2 mbar und 100°C entgast und erst danach in das Rostschutzmittel Kaltol getaucht. Das überschüssige Öl wurde abgestreift und die Bauteile im Salzspühtest nach DIN 50021 geprüft. Die Standzeit aller 10 Stangen lag über 696 Stunden, bei dieser Zeit wurde der Test abgebrochen.
Ergebnis:
Die mittlere Korrosionsbeständigkeit wurde durch die erfindungsgemäße Behandlung von 487 Stunden auf über 696 Stunden erhöht.
Beispiel 3
60 Stück Antriebsachsen für Scheibenwischer wurden in einem TF1^®-Salzbad mit einem Cyanatgehalt von 36,9%, einem Cyanidgehalt von 4,9% und 100 ppm Eisen 90 Minuten bei 580°C behandelt. Die Teile wurden anschließend in einem AB1 Bad mit 14,6% Natriumnitrat, 1,2% Natriumnitrit und 32,7% Natriumcarbonat bei 400°C 20 Minuten lang oxidiert. Die Abschreckung erfolgte in Wasser. Diese Verfahrensweise ist als Q-Verfahren bekannt.
20 Stück der Q-behandelten Antriebsachsen wurden getrocknet und danach direkt und ohne weitere Nachbehandlung dem Salzsprühtest nach DIN 50021 unterzogen. Alle 20 Stangen zeigten bereits nach 24 Stunden erste Rostpunkte.
20 Stück der Q-behandelten Antriebsachsen wurden getrocknet und in einer ca. 16%igen Emulsion des Rostschutzmittels Corolac^® der Firma Castrol bei 40°C 20 Minuten lang versiegelt. Nach Entnahme wurden die Bauteile 24 Stunden an der Luft getrocknet und anschließend dem Salzsprühtest unterzogen. Die mittlere Standzeit der so behandelten Scheibenwischerantriebsachsen betrug 362 Stunden.
Die restlichen 20 Stück der Q-behandelten Antriebsachsen wurden vor der Behandlung mit der Rostschutzemulsion Corolac^® in einer Stahlretorte bei 12 mbar und 155°C 1 Stunde lang entgast. Anschließend erfolgte die Versiegelung mit Corolac^® wie oben beschrieben. Die mittlere Standzeit der so behandelten Scheibenwischerantriebsachsen betrug 533 Stunden.
Die Standzeiten der einzelnen Scheibenwischerachsen sind in 3 dargestellt.
Ergebnis:
Bei der Q-Behandlung von Scheibenwischerantriebsachsen wird durch die erfindungsgemäße Vakuumentgasung vor der Versiegelung mit einem Rostschutzmittel eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von 47% erreicht.
Beispiel 4:
Bei einer Modifikation des Beispiels 3 dahingehend, dass die Antriebsachsen für Scheibenwischer nur nitrocarburiert und in Wasser abgeschreckt wurden, nicht jedoch nachoxidiert wurden, wird durch die erfindungsgemäße Vakuumentgasung eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von 10% erhalten.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Bauteil
3: Vakuumbehälter
4: Deckel
5: O-Ringe
6: Vakuumpumpe
7: Absperrventil
8: Vakuum-Manometer
9: Sicherheitsventil
10: Retoren-Ofen
11: Gestell
12: Absperrventil
13: Tauchbehälter
14: Korrosionsschutzmittel
15: Trennwand

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von nitrocarburierten oder nitrocarburierten und oxidierten Oberflächen von aus Stahl bestehenden Bauteilen (2), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte – Entziehung von Wasser aus den Oberflächen der Bauteile (2) in einem Vakuum bei Temperaturen von größer oder gleich 25°C, – nachfolgendes Aufbringen von Korrosionsschutzmittel (14) auf die Oberflächen der Bauteile (2) zu deren Versiegelung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (2) für einen Zeitraum von 5 Minuten bis 120 Minuten dem Vakuum ausgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (2) für einen Zeitraum von 20 Minuten bis 30 Minuten dem Vakuum ausgesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entziehung des Wassers ein Vakuum mit einem Druck zwischen 0,01 mbar und 800 mbar erzeugt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Entziehung des Wassers bei einer Temperatur im Bereich zwischen 25°C und 300°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entziehung des Wassers bei einer Temperatur im Bereich zwischen 50°C und 110°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Korrosionsschutzmittel (14) Öle, Wachse oder Polymere verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (2) im Vakuum dem Korrosionsschutzmittel (14) ausgesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der im Vakuum erfolgten Entziehung von Wasser die Bauteile (2) einer Gasatmosphäre ausgesetzt werden, wonach die Bauteile (2) in Kontakt mit dem Korrosionsschutzmittel (14) gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Gasatmosphäre Argon, Stickstoff oder trockene Luft verwendet wird.
Vorrichtung (1) zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von nitrocarburierten oder nitrocarburierten und oxidierten Oberflächen von aus Stahl bestehenden Bauteilen (2) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein beheizbarer Vakuumbehälter (3) vorgesehen ist, in welchem die Bauteile (2) bei vorgegebenen Temperaturen in einem Vakuum zur Entziehung von Wasser aus deren Oberflächen angeordnet sind, dass ein Korrosionsschutzmittel (14) enthaltender Tauchbehälter (13) vorgesehen ist, wobei die Bauteile (2) mit in Vakuum behandelten Oberflächen mit dem Korrosionsschutzmittel (14) kontaktierbar sind, und dass der Tauchbehälter (13) innerhalb des Vakuumbehälters (3) angeordnet ist, wobei der Tauchbehälter (13) durch eine Trennwand (15) von einer Vakuumkammer innerhalb des Vakuumbehälters (3), in welcher das Vakuum erzeugbar ist, gasdicht abgetrennt ist, wobei die Trennwand (15) mittels eine Stellglieds geöffnet und geschlossen werden kann, wobei bei geöffneter Trennwand (15) die Bauteile (2) von der Vakuumkammer in den Tauchbehälter (13) einführbar sind, oder dass der Tauchbehälter (13) außerhalb des Vakuumbehälters (3) angeordnet ist, wobei ein Absperrventil (12) vorgesehen ist und durch Öffnen des Absperrventils (12) Gas in den Vakuumbehälter (3) einleitbar ist, wodurch das Vakuum im Vakuumbehälter (3) aufhebbar ist, und wobei Transportmittel vorgesehen sind, mittels derer die Bauteile (2) unmittelbar nach Aufheben des Vakuums vom Vakuumbehälter (3) in den Tauchbehälter (13) überführbar sind.