DE102007038983A1 - Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht an einem weichmagnetischen Bauteil - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht an einem weichmagnetischen Bauteil Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht an einem weichmagnetischen Bauteil mit hoher Korrosionsbeständigkeit, wobei das weichmagnetische Bauteil aus einem chromhaltigen, ferritischen Stahl hergestellt ist, umfassend die Schritte: Eindiffundieren von Stickstoff bei einer Temperatur von 1000°C oder darüber bei einem Stickstoffpartialdruck von 0,1 x 10<SUP>5</SUP> bis 3 x 10<SUP>5</SUP> Pa, so dass eine aufgestickte Randschicht entsteht, Härten der aufgestickten Randschicht und Anlassen des Bauteils bei einer Temperatur von 20°C bis 650°C, um Spannungen im Bauteil zu reduzieren und magnetische Eigenschaften des Bauteils zu verbessern.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht an einem weichmagnetischen Bauteil, wobei die magnetischen Eigenschaften des Bauteils weitestgehend beibehalten werden.
  • Im Allgemeinen ist die Härte weichmagnetischer ferritischer Stähle für viele Anwendungen, bei denen Verschleiß oder eine schlagartige Beanspruchung auftritt, nicht ausreichend. Daher ist es oftmals von Vorteil, weichmagnetische Bauteile z. B. durch Nitrieren, Einsatzhärten oder Hartverchromen mit einer harten Randschicht zu versehen. Aus der DE 44 21 937 C1 ist ein derartiges Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht mittels Nitrieren bekannt. Beim Nitrieren und beim Aufkohlen besteht aber je nach gewählter Verfahrenstemperatur der Nachteil, dass entweder Schichten mit nur sehr geringer Dicke erzeugt werden, oder dass die Korrosionsbeständigkeit der Bauteile wesentlich beeinträchtigt wird. Ferner ist es bekannt, beispielsweise eine harte Schicht auf dem unverändert weichen Grundgefüge z. B. mittels Hartverchromen, aufzubringen. Aufgrund der nur relativ gering ausgeprägten Tragfähigkeit der harten Schicht besteht jedoch ein hohes Versagensrisiko durch Abplatzen der Schicht.
  • Ein besonderes Einsatzgebiet für weichmagnetische Bauteile, die verschleißfest sein sollen, ist beispielsweise bei Einspritzventilen zur Zumessung von Kraftstoff ein Magnetanker. Wenn jedoch lediglich ein Härten des Ankers ausgeführt wird, verschlechtern sich die magnetischen Eigenschaften, so dass ein Ansprechverhalten des Ankers schlecht ist. Dadurch werden kurze Ansprechzeiten für die Einspritzung nicht erreicht.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht an einem weichmagnetischen Bauteil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Bauteil eine nahezu beliebig dicke, harte und verschleißbeständige Randschicht aufweisen kann, ohne die magnetischen Eigenschaften des Bauteils wesentlich zu beeinflussen. D. h. die magnetischen Eigenschaften des Bauteils bleiben erhalten, wobei ferner ein kontinuierlicher Übergang der harten Randschicht in das Ausgangsgefüge des Bauteils sichergestellt werden kann. Ferner weist das Bauteil eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Weiter resultiert eine gute Tragfähigkeit aus der harten Randschicht und dem kontinuierlichen Übergang im Bauteil zur Randschicht. Das Bauteil ist aus einem chromhaltigen, ferritischen Stahl als Ausgangsgefüge hergestellt, wobei die Herstellung der Verschleißschutzschicht ferner ein Kornwachstum im ferritischen Gefüge bewirkt, welches sich positiv auf die magnetischen Eigenschaften des Bauteils auswirkt. Insbesondere kann erfindungsgemäß auch auf eine aufwändige Nachbehandlung des Bauteils verzichtet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die Schritte des Eindiffundierens von Stickstoff, auch als "Aufsticken" bezeichnet, bei einer Temperatur von mindestens 1000°C oder darüber, wobei das Aufsticken in einer Atmosphäre mit einem Stickstoffpartialdruck von 0,1 × 105 Pa bis 3 × 105 Pa erfolgt. In einem nächsten Schritt erfolgt ein Härten der aufgestickten Randschicht. Nach dem Härten erfolgt als weiterer Schritt das Anlassen des Bauteils bei einer Temperatur von 20°C bis 650°C, insbesondere 400°C bis 650°C, um Spannungen im Bauteil zu reduzieren. Erfindungsgemäß wird somit das Aufsticken in einem relativ hohen Temperaturbereich durchgeführt. Durch die erfindungsgemäße Kombination der Schritte kann somit eine vorteilhafte Kombination aus weichmagnetischen Eigenschaften und erforderlicher Randschichthärte des Bauteils kontrolliert eingestellt werden.
  • Gemäß einem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht an einem weichmagnetischen Bauteil mit hoher Korrosionsbeständigkeit werden lediglich zwei Schritte ausgeführt. Bei dem weichmagnetischen Bauteil aus einem chromhaltigen, ferritischen Stahl wird im ersten Schritt Stickstoff bei einer Temperatur von 1000°C oder darüber, bei einem Stickstoffpartialdruck von 0,1 × 105 bis 3 × 105 Pa aufgestickt, so dass eine aufgestickte Randschicht entsteht. Die aufgestickte Randschicht weist dabei eine Dicke auf, welche kleiner oder gleich 30 μm ist. Im zweiten Schritt wird dann die aufgestickte Randschicht gehärtet. Somit kann gemäß diesem erfindungsgemäßen Verfahren auf ein zusätzliches Anlassen verzichtet werden, da die aufgestickte Randschicht nur eine minimale Dicke aufweist, wodurch Spannungen im Bauteil vernachlässigbar sind bzw. die dünne Randschicht keine negativen Auswirkungen auf die magnetischen Eigenschaften des Bauteils hat.
  • Ferner hat die geringe Dicke von 30 μm oder weniger den Vorteil, dass beispielsweise bei einer Verwendung des Bauteils als Anker in einem Einspritzventil aufgrund der sehr guten magnetischen Eigenschaften eine kurze Ansprechzeit realisiert werden kann.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Besonders bevorzugt erfolgt das Anlassen des Bauteils bei einem Temperaturbereich von 520°C bis 550°C. Hierbei können die Spannungen im Bauteil signifikant reduziert werden und die gewünschten magnetischen Eigenschaften des Bauteils eingestellt werden, ohne dass die Oberflächenhärte wesentlich reduziert wird. Allgemein sei angemerkt, dass je höher die Anlasstemperatur gewählt wird, desto besser werden die weichmagnetischen Eigenschaften des Bauteils und desto geringer wird die Oberflächenhärte. Vorzugsweise beträgt hierbei eine Anlassdauer zwischen 1 Sekunde und bis zu 10 Stunden, vorzugsweise zwischen 1 Minute und 2 Stunden.
  • Vorzugsweise erfolgt das Aufsticken in einer reinen Stickstoffatmosphäre oder einer reinen Ammoniakatmosphäre oder einem stickstoffhaltigen und/oder ammoniakhaltigen Gasgemisch. Weiter bevorzugt enthält die Atmosphäre zusätzlich Argon.
  • Um zusätzlich noch eine Aufkohlung während des Aufstickvorgangs zu erreichen, umfasst die Atmosphäre während des Aufstickens ein Gasgemisch aus Stickstoff und/oder Ammoniak und einem Kohlenstoff spendenden Gas, wie z. B. Methan, Propan oder Acetylen. Bei Durchführung des Verfahrens in einem Gasgemisch mit einem Kohlenstoff spendenden Gas muss für einen ausreichenden Verschleißschutz sichergestellt werden, dass der Kohlenstoffgehalt in der Randschicht des Bauteils den Stickstoffgehalt nicht übertrifft. Weiter bevorzugt kann in dem Gasgemisch auch noch Wasserstoff verwendet werden.
  • Weiter bevorzugt ist ein Stickstoffpartialdruck in der verwendeten Atmosphäre zwischen 0,2 × 105 Pa bis 1,5 × 105 Pa. Dabei ist es weiter bevorzugt möglich, dass der Stickstoffpartialdruck während des Schrittes des Aufstickens variiert wird. Hierdurch können unterschiedliche Eigenschaften des Bauteils in Abhängigkeit von der Variation des Stickstoffpartialdrucks eingestellt werden.
  • Vorzugsweise ist die Temperatur während des Aufstickens zwischen 1050°C und 1150°C und liegt insbesondere bei 1100°C. Insbesondere bei einer Temperatur von ca. 1100°C werden sehr gute Ergebnisse hinsichtlich Verschleiß und magnetischen Eigenschaften des Bauteils erreicht. Es sei ferner angemerkt, dass es auch möglich ist, die Temperatur während des Aufstickens zu variieren.
  • Vorzugsweise erfolgt der Schritt des Härtens durch ein Einfachhärten oder durch ein Doppelhärten. Durch den Schritt des Härtens wird die aufgestickte Randschicht gehärtet. Dabei bleibt im Kern des Bauteils ein hauptsächlich ferritischer Bereich. In einem Übergangsbereich zwischen der Randschicht und dem Kern treten sowohl martensitische als auch ferritische Gefügebestandteile auf. An der Bauteiloberfläche bildet sich eine martensitische Randschicht aus, welche dem Bauteil die gewünschten Verschleißeigenschaften gibt.
  • Bevorzugt wird die Temperatur während des Aufstickens variiert. Hierdurch können gewünschte Eigenschaften des Bauteils eingestellt werden.
  • Um eine möglichst kurze Verfahrensdauer sicherzustellen, werden vorzugsweise die Verfahrensschritte des Aufstickens, des Härtens und des Anlassens unmittelbar nacheinander ausgeführt.
  • Weiter bevorzugt erfolgt zwischen dem Schritt des Härtens und dem Schritt des Anlassens zusätzlich noch ein Schritt des Tiefkühlens. Zum Tiefkühlen wird hierbei eine Temperaturabsenkung des Bauteils nach dem Härten auf unter 0°C, vorzugsweise ca. –80°C, ausgeführt. Der Schritt des Tiefkühlens hat dabei den Vorteil, dass ein eventuell vorhandener Restaustenit in Martensit umgewandelt wird. Im anschließenden Anlassschritt können dann die eventuell auftretenden Gefügespannungen reduziert werden.
  • Vorzugsweise erfolgt eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Behandlung von weichmagnetischen Bauteilen für Magnetventile, z. B. einen Magnetanker. Insbesondere wird das Verfahren für Bauteile von Brennstoffeinspritzventilen oder Brennstoffeinblasventilen verwendet.
  • Zeichnung
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
  • 1 eine schematische Darstellung eines typischen Prozessverlaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 2 ein Diagramm der Abhängigkeit der Magnetkraft des Bauteils und der Randschichthärte des Bauteils von der Anlasstemperatur.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht an einem weichmagnetischen Bauteil aus einem chromhaltigen, ferritischen Stahl können die weichmagnetischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils kontrolliert eingestellt werden. Als Ausgangsmaterial des weichmagnetischen Bauteils sind grundsätzlich alle chromhaltigen, ferritischen Stähle geeignet. Beispiele für besonders bevorzugte Stähle sind in der nachfolgenden Tabelle 1 entnehmbar. Tabelle 1
    Bezeichnung C % Si ≤ % Mn ≤ % P ≤ % S ≤ % Cr ≤ % Sonstige
    X6Cr13 1.4000 ≤ 0,08 1,00 1,00 0,040 0,015 12,0–14,0 -
    X6CrAl13 1.4002 ≤ 0,08 1,00 1,00 0,040 0,015 12,0–14,0 Al 0,10–0,30
    X6Cr17 1.4016 ≤ 0,08 1,00 1,00 0,040 0,015 16,0–18,0 -
  • In der Tabelle 1 sind alle Prozentangaben in Masseprozent.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst gemäß einer ersten Variante drei Hauptschritte, nämlich erstens das Aufsticken bei einer Temperatur von oder über 1000°C bei einem Stickstoffpartialdruck von 0,1 × 105 Pa bis 3 × 105 Pa, zweitens das anschließende Härten der aufgestickten Randschicht, und dann drittens das Anlassen des Bauteils bei einer Temperatur zwischen 20°C und 650°C, vorzugsweise zwischen 400°C und 650°C.
  • 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Prozessablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt A wird das Bauteil erwärmt. Die Erwärmung erfolgt dabei auf ca. 1100°C, wobei die Erwärmung ca. 50 Minuten dauert. In einem zweiten Schritt B erfolgt das Aufsticken bei einer konstanten Temperatur von ca. 1100°C. Das Aufsticken wird dabei über einen Zeitraum von ca. 30 Minuten ausgeführt. Während des zweiten Schrittes B wird, wie in 1 durch die gestrichelte Linie P angedeutet, ein Stickstoffpartialdruck von 2 × 105 Pa aufrecht erhalten.
  • Hierbei wird eine Randschicht mit einer Dicke von ca. 100 μm erhalten. Wenn die Dicke der martensitischen Randschicht nach dem Aufsticken kleiner als 30 μm ist, ergeben sich weniger Spannungen im Bauteil, so dass gegebenenfalls auf den Schritt des Anlassens verzichtet werden kann. In einem dritten Schritt C wird ein Direkthärten durch unmittelbares Abschrecken des Bauteils auf ca. 20°C ausgeführt. Der dritte Schritt wird über ca. 15 Minuten ausgeführt. In einem anschließenden vierten Schritt D wird ein Tiefkühlen des Bauteils auf ca. –80°C durchgeführt. Das Kühlen erfolgt dabei über einen Zeitraum von ca. 35 Minuten, wobei das Bauteil dann bei Umgebungsluft zwischengelagert wird. In einem letzten Schritt E erfolgt das Anlassen des Bauteils auf ca. 500°C. Die Zeit für das Anlassen beträgt dabei ca. 1 Stunde.
  • 2 zeigt schematisch die Abhängigkeit einer Magnetkraft F in N eines Bauteils und der Rand schichthärte H in HV 0,1 in Abhängigkeit von der Anlasstemperatur T in °C. Wie aus 2 ersichtlich ist, weist die Härte bei ca. 450°C einen Höhepunkt von 650 HV 0,1 auf und sinkt dann bei 700°C auf ca. 250 MV 0,1. Die Magnetkraft F steigt dabei mit zunehmender Anlasstemperatur T, wobei sich die Steigung der Kurve bei ca. 600°C deutlich reduziert. Bei 600°C beträgt die Magnetkraft ca. 13 N.
  • Bei einer Anlasstemperatur von ca. 500°C, wie bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ergibt sich somit eine Magnetkraft des Bauteils von ca. 10 N bei einer Härte von ca. 550 HV 0,1.
  • Erfindungsgemäß kann somit ein Bauteil mit einer harten Verschleißschutzschicht bei hoher Korrosionsbeständigkeit bereitgestellt werden, welches auch die gewünschten magnetischen Eigenschaften aufweist. Durch eine Variation der Anlassdauer und/oder Anlasstemperatur können dabei in gewissem Umfang die Härte H und die magnetischen Eigenschaften, insbesondere die Magnetkraft F des Bauteils, beeinflusst werden. Je nach Anlassverfahren sind dabei unterschiedliche Anlasszeiten zwischen 1 Sekunde und mehreren Stunden denkbar.
  • Die Dauer des Aufstickprozesses im Schritt A bestimmt dabei die Dicke der martensitisch umgewandelten Randschicht. Bei einer Temperatur von 1100°C und einer Aufstickzeit von 5 Minuten ergibt sich eine Schichtdicke mit rein martensitischem Gefüge von 20 μm. Im Übergangsbereich zum Ausgangsmaterial können dabei in diesem Fall noch vereinzelt martensitische Körner bis in eine Tiefe von 80 μm auftreten. Bei einer Aufstickzeit von 10 Minuten liegt die erzeugte Schichtdicke dabei ungefähr zwischen 50 μm bis 150 μm.
  • Erfindungsgemäß werden bei einem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren die Vorteile dadurch erlangt, dass nach dem Schritt des Aufstickens bei einer Temperatur von über 1000°C bei einem Stickstoffpartialdruck von 0,1 × 105 Pa bis 3 × 105 Pa ein Schritt des Härtens der aufgestickten Randschicht erfolgt, wobei eine Dicke der aufgestickten Randschicht kleiner oder gleich 30 μm ist. Wenn die aufgestickte Randschicht so dünn ist, kann bei diesem Verfahren auf ein nachfolgendes Anlassen verzichtet werden, da aufgrund der sehr dünnen aufgestickten Randschicht fast keine, die weichmagnetischen Eigenschaften des Bauteils beeinflussenden Auswirkungen vorhanden sind. Zur Erzeugung einer derartig dünnen Randschicht liegt die Aufstickdauer dabei zwischen ca. 5 bis 15 Minuten.
  • In der nachfolgenden Tabelle 2 sind weitere Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verfahren schematisch dargestellt. Tabelle 2
    Aufsticken Härten Tiefkühlen Anlassen Dicke Randschicht
    Temperatur Parialdruck N2 Zeit Temperatur Zeit Temperatur Zeit Temperatur Zeit
    Bsp. 1 1100°C 2 × 105 Pa 5 min. 1100°C x) –80°C 1 h 500°C 1 h 40 μm
    Bsp. 2 1100°C 2 × 105 Pa 30 min. 1100°C x) –80°C 1 h 530°C 1 h 100 μm
    Bsp. 3 1050°C 1 × 105 Pa 30 min. 1050°C x) –80°C 1 h 500°C 1 h 35 μm
    • x) Gasabschreckung 5 × 105 Pa, N2, 15 min.
  • Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, kann durch eine Variation der Zeit beim Aufsticken und/oder des Partialdrucks beim Aufsticken sowie der Temperatur beim Anlassen die Dicke der Randschicht beeinflusst werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4421937 C1 [0002]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht an einem weichmagnetischen Bauteil mit hoher Korrosionsbeständigkeit, wobei das weichmagnetische Bauteil aus einem chromhaltigen, ferritischen Stahl hergestellt ist, umfassend die Schritte: – Aufsticken bei einer Temperatur von 1000°C oder darüber bei einem Stickstoffpartialdruck von 0,1 × 105 bis 3 × 105 Pa, so dass eine aufgestickte Randschicht entsteht, – Harten der aufgestickten Randschicht und – Anlassen des Bauteils bei einer Temperatur von 20°C bis 650°C, insbesondere 400°C bis 650°C, um Spannungen im Bauteil zu reduzieren und magnetische Eigenschaften des Bauteils zu verbessern.
  2. Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht an einem weichmagnetischen Bauteil mit hoher Korrosionsbeständigkeit, wobei das weichmagnetische Bauteil aus einem chromhaltigen, ferritischen Stahl hergestellt ist, umfassend die Schritte: – Aufsticken bei einer Temperatur von 1000°C oder darüber bei einem Stickstoffpartialdruck von 0,1 × 105 bis 3 × 105 Pa, so dass eine aufgestickte Randschicht entsteht, wobei die aufgestickte Randschicht eine Dicke von kleiner oder gleich 30 μm aufweist, und – Härten der aufgestickten Randschicht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Anlassens bei einer Temperatur von 520°C bis 550°C ausgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Anlassens über einen Zeitraum zwischen 1 Sekunde bis 10 Stunden, insbesondere zwischen 1 Minute bis 2 Stunden, ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufsticken in einer reinen Stickstoffatmosphäre oder einer reinen Ammoniakatmosphäre oder einem stickstoffhaltigen und/oder ammoniakhaltigen Gasgemisch erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Aufstickens in einem Gasgemisch aus einem Kohlenstoff spendendes Gas, insbesondere Methan oder Propan oder einem Kohlenwasserstoff, und Stickstoff und/oder Ammoniak erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffpartialdruck zwischen 0,2 × 105 bis 1,5 × 105 Pa liegt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffpartialdruck während des Schritts des Aufstickens verändert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur während des Schrittes des Aufstickens zwischen 1050°C und 1150°C liegt und insbesondere ca. 1100°C beträgt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten mittels Einfachhärten oder Doppelhärten erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur während des Schrittes des Aufstickens variiert wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Verfahrensschritte unmittelbar nacheinander ausgeführt werden.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt des Härtens zusätzlich noch ein Schritt des Tiefkühlens bei Temperaturen unter 0°C oder darunter ausgeführt wird.
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