DE102013226090A1

DE102013226090A1 - Verfahren zum Gasnitrocarburieren

Info

Publication number: DE102013226090A1
Application number: DE102013226090.3A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gaertner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-06-18
Also published as: CN104711509A; CN104711509B; US20150167145A1; US9970093B2

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zur Ausbildung einer Verschleißschutzschicht eine Maschinenbauteils, das mit einem weiteren Maschinenbauteil eine Gleitpaarung bildet. Zumindest eines der Maschinenbauteile ist zur Verschleißminimierung gasnitrocarburiert, wobei eine dünne gleichmäßige Verbindungsschicht und eine vergleichsweise dicke darunter liegende Diffusionsschicht dadurch erzeugt werden, dass das Gasnitrocarburieren zunächst bei niedriger Temperatur und mit langer Dauer erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gasnitrocarburieren, das dem Ausbilden einer Verschleißschutzschicht an einer Gleitfläche eines Maschinenbauteils dient.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Maschinenbauteile der Gleitpaare zu nitrocarburieren. Bei diesem Wärmebehandlungsverfahren wird die chemische Zusammensetzung der Randschicht verändert, so dass die Festigkeit erhöht wird und das Verschleißverhalten verbessert wird.
So werden gemäß dem Stand der Technik Maschinenbauteile im Salzbad nitrocarburiert. Nachteilig daran ist, dass Verschmutzungen durch Rückstände des Salzbads am Bauteil auftreten können.
Die EP 1 122 330 B1 und EP 1 122 331 B1 offenbaren Verfahren zum Nitrocarburieren von Bauteilen mittels Gas, was im Folgenden als Gasnitrocarburieren bezeichnet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Gasnitrocarburieren zu schaffen, mit dem Gleitpaarungen kostengünstig herstellbar und darüber hinaus auch bei hohen Systemdrücken und daraus resultierenden hohen Reibkräften langlebiger und ausfallsicherer sind, so dass die Gleitpaarung und damit die betroffene Maschine eine hohe Lebensdauer aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Gasnitrocarburieren wird ein Eisen enthaltendes Maschinenbauteil einer Gleitpaarung in einem ersten Schritt bei vergleichsweise niedriger Behandlungstemperatur und vergleichsweise langer Behandlungsdauer mit Gas in einem Ofen beaufschlagt. Dadurch werden eine vergleichsweise dünne Verbindungsschicht und eine vergleichsweise dicke Diffusionsschicht ausgebildet. Dabei ist die Verbindungsschicht gleichmäßig dick. In einem zweiten darauf folgenden Schritt oder in einer zweiten Stufe wird Kohlenstoffspender zugegeben und die Behandlungstemperatur erhöht. Dadurch wird der Kohlenstoffgehalt der Verbindungsschicht erhöht. In der zweiten Stufe wird also durch Zugabe von Kohlenstoffspendern das Kohlungspotenzial der Ofenatmosphäre erhöht und so der Kohlenstoffgehalt der Verbindungsschicht erhöht. Damit dies schnell und ohne wesentliches Schichtwachstum erfolgt, wird die zweite Stufe in der Regel bei höheren Behandlungstemperaturen durchgeführt. Die gegenüber dem Stand der Technik verringerten Maßänderungen des erfindungsgemäß zweistufig gasnitrocarburierten Maschinenbauteils ermöglichen eine höhere Prozesssicherheit und eine höhere Betriebssicherheit der Gleitpaarung insbesondere bei Bauteilen mit geringen Toleranzen.
Der technische Trick der ersten Stufe, die bei relativ niedriger Temperatur gefahren wird und lange Zeit dauert, liegt darin, dass man in der Ofenatmosphäre nur so viel Stickstoff anbietet, wie in die Diffusionsschicht des Werkstücks abdiffundiert. Dadurch wird ein weiteres Wachstum der Verbindungsschicht nahezu unterdrückt und man erhält die dünne Verbindungsschichtausbildung.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt der erste Schritt beziehungsweise die erste Stufe bei 500 bis 510°C.
Dabei kann bereits beim ersten Schritt beziehungsweise bei der ersten Stufe ein Kohlenstoffspender zugegeben werden.
Es wird weiterhin besonders bevorzugt, wenn dem Maschinenbauteil im ersten Schritt weniger Stickstoff als in einer übersättigten Ofenatmosphäre zugeführt wird. Damit wird ein zu starkes Wachstum der Verbindungsschicht und damit deren Versprödung vermeiden.
Damit die Erhöhung des Kohlenstoffgehalts der Verbindungsschicht schnell und ohne wesentliches Schichtwachstum geschieht, erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens der zweite Schritt beziehungsweise die zweite Stufe bei 570 bis 580°C.
Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung des Verfahrens wird die Verbindungsschicht nachoxidiert. Dadurch verbessert sich das Einlaufverhalten der Gleitpaarung, und es werden mikroskopischen Spannungsspitzen im Betrieb reduziert.
Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung des Verfahrens wir zuerst die Temperatur angeglichen und / oder die Verbindungsschicht angekeimt und / oder das Prozessgas formiert.
Die Dicke der Verbindungsschicht beträgt vorzugsweise 4–15 μm, zum Beispiel 6–12 μm.
Die Dicke der Diffusionsschicht beträgt vorzugsweise mindestens 50 μm. So kann die Dicke der Diffusionsschicht mindestens das Zehnfache der Dicke der Verbindungsschicht betragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorteilen bei einem Maschinenbauteil einer Axialkolbenmaschine angewendet werden.
Bei einem besonders bevorzugten Anwendungsfall ist das betroffene Bauteil eine Zylindertrommel der Axialkolbenmaschine in Schrägachsbauweise oder auch eine buchsenlose Zylindertrommel einer Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise. Das betroffen Bauteil kann auch eine Triebwelle der Axialkolbenmaschine sein.
Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert beschrieben.
Es zeigen
1 einen Längsschnitt durch eine Zylindertrommel, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt worden ist, und
2 die Zylindertrommel gemäß 1 in einer Ansicht.
1 zeigt eine Zylindertrommel 1 des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Schrägachsbauweise in einer geschnittenen Darstellung. Sie hat etwa kreiszylindrische Form und rotiert im Betrieb der Axialkolbenmaschine um ihre Längsachse 2. Die Zylindertrommel 1 ist an einer Stirnseite 4 sphärisch geformt und wird mit dieser Stirnseite 4 gegen eine Verteilerscheibe gedrückt. Die andere Stirnseite 6 ist einem Flansch einer Triebwelle zugewendet, wobei die Zylindertrommel 1 – im Falle einer Konstantmaschine – gegenüber diesem Flansch angestellt ist und – im Falle einer Verstellmaschine – mit verschiedenen Winkeln gegenüber diesem Flansch anstellbar ist.
2 zeigt eine Ansicht der Stirnseite 6 der Zylindertrommel 1, die dem Flansch beziehungsweise der Welle zugewendet ist. An ihrem Umfang sind gleichmäßig verteilt mehrere Zylinderbohrungen 8 eingebracht, die sich über einen großen Teil der Länge der Zylindertrommel 1 erstrecken.
Mit Bezug zur 1 hat jede Zylinderbohrung im Bereich der sphärisch geformten Stirnseite 4 eine Durchgangsbohrung 10, über die die Zylinderbohrung 8 während ihres Umlaufs um die Längsachse 2 abwechselnd mit einer Hochdruckniere und einer Niederdruckniere der Verteilerscheibe verbunden wird. In jeder Zylinderbohrung 8 ist ein Kolben geführt, der an seiner von der Zylindertrommel 1 abgewandten Seite an den Flansch angelenkt ist, wobei durch die Schrägstellung des Flansches die Hubbewegung des Kolbens in der Zylinderbohrung während gemeinsamen Umlaufs erzeugt wird. Damit bildet jeder Kolben mit der Zylindertrommel 1 – genauer gesagt mit der Zylinderbohrung 8 – eine Gleitpaarung.
Erfindungsgemäß wurde die Zylindertrommel 1 gemäß den 1 und 2 nach ihrer Fertigung in einem Ofen mit Gas nitrocarburiert. Damit wurden insbesondere im Bereich der Mantelfläche der Zylinderbohrung 8 eine Oxidschicht OS, eine darunter liegende Verbindungsschicht VS und eine darunter liegende Diffusionsschicht DS erzeugt, die als Verschleißschutzschicht der Zylinderbohrung 8 dienen. Da das Gasnitrocarburieren in einer ersten Stufe mit vergleichsweise langer Behandlungsdauer und vergleichsweise niedriger Temperatur von 500 bis 510°C erfolgte, hat die Verbindungsschicht VS eine Dicke von 4 bis 15 μm, während die darunter liegende Diffusionsschicht DS eine Dicke von mindestens 50 μm aufweist. In einer zweiten Stufe wurde der Kohlenstoffgehalt der Verbindungsschicht erhöht. Dazu wurde die Behandlungstemperatur auf 570 bis 580°C erhöht und es wurde das Kohlungspotenzial erhöht.
Erfindungsgemäß ist die Verbindungsschicht (VS) vergleichsweise dünn und dabei mit gleichmäßiger Dicke ausgebildet, während die Diffusionsschicht (DS) vergleichsweise dick ausgebildet ist. Das Dickenverhältnis der Schichten wurde durch ein Gasnitrocarburieren in zwei Schritten beziehungsweise Stufen erreicht, wobei der erste Schritt beziehungsweise die erste Stufe durch vergleichsweise niedrige Behandlungstemperatur und vergleichsweise lange Behandlungsdauer gekennzeichnet ist. Der zweite Schritt beziehungsweise die zweite Stufe ist durch Erhöhung des Kohlungspotenzials und Erhöhung der Temperatur gekennzeichnet. Dadurch wurde der Kohlenstoffgehalt der Verbindungsschicht (VS) erhöht. Das zweistufige Gasnitrocarburieren ermöglicht gegenüber dem Stand der Technik verringerten Maßänderungen des Bauteils und eine höhere Prozesssicherheit und eine höhere Betriebssicherheit der Axialkolbenmaschine insbesondere bei Bauteilen mit geringen Toleranzen.
Offenbart ist ein Verfahren zur Ausbildung einer Verschleißschutzschicht eine Maschinenbauteils, das mit einem weiteren Maschinenbauteil eine Gleitpaarung bildet. Zumindest eines der Maschinenbauteile ist zur Verschleißminimierung gasnitrocarburiert, wobei eine dünne gleichmäßige Verbindungsschicht und eine vergleichsweise dicke darunter liegende Diffusionsschicht dadurch erzeugt werden, dass das Gasnitrocarburieren zunächst bei niedriger Temperatur und mit langer Dauer erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Zylindertrommel
2: Längsachse
4: Stirnseite
6: Stirnseite
8: Zylinderbohrung
10: Durchgangsbohrung
DS: Diffusionsschicht
OS: Oxidschicht
VS: Verbindungsschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1122330 B1 [0004]
EP 1122331 B1 [0004]

Claims

Verfahren zum Gasnitrocarburieren eines Eisen enthaltenden Maschinenbauteils einer Gleitpaarung gekennzeichnet durch die Schritte: Ausbilden einer vergleichsweise dünnen und gleichmäßigen Verbindungsschicht (VS) und einer vergleichsweise dicken Diffusionsschicht (DS) des Maschinenbauteils bei vergleichsweise niedriger Behandlungstemperatur und vergleichsweise langer Behandlungsdauer; und danach Erhöhen des Kohlenstoffgehalts der Verbindungsschicht (VS) durch Zugeben von Kohlenstoffspendern bei vergleichsweise hoher Behandlungstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausbilden der Schichten bei 500 bis 510°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei beim Ausbilden der Schichten Kohlenstoffspender zugegeben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Ausbilden der Schichten mehr Stickstoff zugeführt wird als in einer untersättigten Ofenatmosphäre.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Ausbilden der Schichten weniger Stickstoff zugeführt wird als in einer übersättigten Ofenatmosphäre.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erhöhen des Kohlenstoffgehalts der Verbindungsschicht (VS) bei 570 bis 580°C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem abschließenden Schritt: Nachoxidieren der Verbindungsschicht (VS) bei vergleichsweise hoher Behandlungstemperatur, wobei ein Kohlenstoffspender zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem vorgelagerten Schritt: Angleichen der Temperatur und/oder Ankeimung der Verbindungsschicht (VS) und/oder Prozessgasformierung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dicke der Verbindungsschicht (VS) 4–15 μm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dicke der Diffusionsschicht (DS) mindestens 50 μm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei das Maschinenbauteil einer Axialkolbenmaschine zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 11 wobei das Maschinenbauteil eine Zylindertrommel (1) ist.