DE102017210597A1 - Tiefenwirksames Karbonitrieren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines Werkstücks mit den folgenden Verfahrensschritten: Karbonieren (109) mindestens eines Teils des Werkstücks; Benetzen (111) des mindestens einen Teils mit einem ersten Fluid; und Nitrieren oder Karbonitrieren (113) des mindestens einen Teils; wobei der Kohlenstoffgehalt (103) des ersten Fluids so gering ist, dass keine Diffusion von Kohlenstoff aus dem ersten Fluid in den mindestens einen Teil stattfindet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach Anspruch 1, einen Ofen nach Anspruch 6 und ein Werkstück nach Anspruch 7.
• Aus dem Stand der Technik ist das Verfahren des Karbonitrierens bekannt. Durch Karbonitrieren verbessert sich die Randhärtbarkeit des behandelten Werkstücks. Von Nachteil ist allerdings, dass sich nur geringe Einhärttiefen erzielen lassen.
• H. Berns und W. Theisen („Eisenwerkstoffe - Stahl und Gusseisen“. 3. Auflage, Springer-Verlag, 2006) beschreiben eine kombinierte Anwendung der Prozessschritte Karbonieren und Karbonitrieren. Ein Werkstück wird dabei karboniert und unmittelbar anschließend karbonitriert.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile zu umgehen. Insbesondere soll die Leistungsdichte, d.h. die Belastbarkeit bei gegebener Dimensionierung, von Getrieben verbessert werden.
• Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Einhärttiefe beim Karbonitrieren dadurch limitiert wird, dass die Diffusion von Kohlenstoff in tiefer liegende Bereiche eines bevorzugt aus Stahl bestehenden Werkstücks durch Stickstoff behindert wird. Erschwerend kommt hinzu, dass für die Einduffundierung von Kohlenstoff hohe Temperaturen benötigt werden, die Stabilität von Ammonium allerdings mit höheren Temperaturen annimmt. Beim kombinierten Karbonieren und Karbonitrieren sind nach dem Karbonieren die freien Plätze im Gitter bereits durch Kohlenstoff besetzt, sodass der Stickstoff keinen Platz mehr findet.
• Die Erfindung löst dieses Problem durch eine Diffusionsphase zwischen dem Karbonieren, auch Aufkohlen genannt, und dem Karbonitrieren oder Nitrieren. Die Diffusionsphase dient dazu, den Kohlenstoff in das Werkstück eindiffundieren zu lassen, um so Platz für den Stickstoff zu schaffen.
• Die Diffusionsphase ist derart ausgestaltet, dass mindestens ein Teil des Werkstücks mit einem ersten Fluid benetzt wird, dessen Kohlenstoffgehalt so gering ist, dass keine Diffusion von Kohlenstoff aus dem ersten Fluid in den mindestens einen Teil stattfindet. Bei dem mindestens einen Teil des Werkstücks kann es sich etwa um eine Zahnflanke eines Zahnrads handeln.
• Der Begriff Gehalt wird hier synonym für Stoffkonzentration verwendet.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst entsprechend die folgenden Verfahrensschritte, die vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge angeführt werden.
• - Karbonieren mindestens eines Teils des Werkstücks;
• - Benetzen des mindestens einen Teils mit einem ersten Fluid; und
• - Nitrieren oder Karbonitrieren des mindestens einen Teils.
• Das Karbonieren des mindestens einen Teils des Werkstücks kann unter Anwendung der aus dem Stand der Technik bekannten Karbonierverfahren erfolgen. Das Werkstück wird dazu in ein Fluid, d.h. eine Flüssigkeit oder ein Gas, eingesetzt und auf eine Temperatur von etwa 800 bis 950°C erwärmt. Es erfolgt eine Diffusion von Kohlenstoff aus dem Fluid in eine Randschicht des mindestens einen Teils des Werkstücks.
• Das erste Fluid, mit den der mindestens eine Teil des Werkstücks anschließend vernetzt wird, zeichnet sich gegenüber dem zum Karbonieren benutzten Fluid durch einen verringerten Kohlstoffgehalt aus. Unter Einfluss des ersten Fluids kommt die Eindiffusion von Kohlenstoff in die Randschicht in den mindestens einen Teil des Werkstücks zum Stillstand. Stattdessen findet nun eine Diffusion innerhalb des Werkstücks statt. Der Kohlenstoff diffundiert von der Randschicht aus in tiefer liegende Schichten. Die Konzentration von Kohlenstoff und Randschicht wird so reduziert.
• Ein geeigneter Kohlenstoffgehalt des ersten Fluids liegt etwa vor, wenn die Aktivität des Kohlenstoffs 0,6% in dem ersten Fluid beträgt.
• Bei den zum Karbonieren verwendeten Fluid und dem ersten Fluid kann es sich um dasselbe Fluid handeln. Es ist also nicht erforderlich, das Werkstück nach dem Karbonieren in ein neues Fluid einzusetzen. Vielmehr wird der gewünschte Effekt bereits dadurch erreicht, dass die Zufuhr von Kohlenstoff bzw. einer kohlenstoffhaltigen Stoffmischung zu dem Fluid, nachdem der Verfahrensschritt nach dem Karbonieren beendet ist, gestoppt wird.
• Nach dem Benetzen mit dem ersten Fluid wird der mindestens eine Teil des Werkstücks nitriert. Beim Nitrieren, auch Aufsticken genannt, handelt es sich um ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren. Beim Nitrieren erfolgt eine Eindiffusion von Stickstoff in die Randschicht des mindestens einen Teils des Werkstücks. Mit Zufuhr von Stickstoff erfolgt gewöhnlich bei Temperaturen von mindestens 900°C.
• Um zu verhindern, dass beim Nitrieren der Kohlenstoffgehalt in der Randschicht zu stark sinkt, kann auch Kohlenstoff zugegeben werden. Ein entsprechendes Verfahren ist aus dem Stand der Technik als Karbonitrieren bekannt.
• Es ist nicht erforderlich, das erste Fluid zum Nitrieren oder Karbonitrieren auszutauschen. Stattdessen können Stickstoff oder Ammoniak und gegebenenfalls Stickstoff in geeigneten Konzentrationen dem ersten Fluid zugesetzt werden.
• Beim Nitrieren oder Karbonitrieren reichert sich der Stickstoff verstärkt an der Oberfläche des mindestens einen Teils des Werkstücks an. In einer bevorzugten Weiterbildung wird daher der mindestens eine Teil des Werkstücks nach dem Nitrieren oder Karbonitrieren mit einem zweiten Fluid benetzt. Der Stickstoffgehalt des zweiten Fluids ist so gering, dass keine Diffusion von Stickstoff aus dem zweiten Fluid in den mindestens einen Teil des Werkstücks stattfindet. Die Benetzung mit dem zweiten Fluid dient dazu, eine gleichmäßigere Verteilung des Stickstoffs in darunter liegenden Schichten zu erreichen.
• Bevorzugt ist zudem der Kohlenstoffgehalt des zweiten Fluids so gering, dass kein Kohlenstoff aus dem zweiten Fluid in den mindestens einen Teil des Werkstücks diffundiert.
• Ein Austausch des Fluids nach dem Nitrieren oder Karbonitrieren ist nicht erforderlich. Stattdessen kann der Stickstoff- und/oder Kohlenstoffgehalt gezielt reduziert werden, etwa in dem die Zufuhr von Stickstoff und/oder Kohlenstoff gestoppt wird.
• Ein geeigneter Kohlenstoffgehalt des zweiten Fluids liegt etwa vor, wenn die Aktivität des Kohlenstoffs 0,6% in dem zweiten Fluid beträgt.
• Die Temperatur des zweiten Fluids beträgt bevorzugt mindestens 800°C, besonders bevorzugt mindestens 850°C. Da der mindestens eine Teil des Werkstücks mit dem zweiten Fluid benetzt wird, findet ein Temperaturübergang statt. Infolge dessen beträgt auch die Temperatur des mindestens einen Teils des Werkstück, besonders bevorzugt mindestens 850°C s mindestens 800°C.
• Die Temperatur des ersten Fluids und damit die Temperatur des mindestens einen Teils des Werkstücks während es mit dem ersten Fluid benetzt ist beträgt vorzugsweise mindestens 750°C, besonders bevorzugt mindestens 800°C.
• Nach den oben beschriebenen Prozessschritten wird der mindestens eine Teil des Werkstücks in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung weiterbearbeitet. Insbesondere kann der mindestens eine Teil des Werkstücks angelassen, kugelgestrahlt und/oder geschliffen werden.
• Die Diffusion von Kohlenstoff, während der mindestens eine Teil mit dem ersten Fluid benetzt ist, und von Stickstoff, während der mindestens eine Teil mit dem zweiten Fluid benetzt ist, in tiefer gelegene Werkstoffschichten führt zu höheren Einwirktiefen. Daher lassen sich mit dem Verfahren erstmals auch größere Werkstücke zufriedenstellend bearbeiten. Insbesondere ist das Verfahren für die Bearbeitung größerer Zahnräder geeignet. So lassen sich etwa Zahnräder mit einem Modul mehr als 8, insbesondere von mehr als 10, bearbeiten.
• Ein erfindungsgemäßer Ofen ist ausgebildet, das Werkstück aufzunehmen und nach den oben beschriebenen Verfahren zu behandeln. Insbesondere kann es sich hierbei um einen Ofen handeln, der ausgebildet ist, die in seinem Inneren herrschende Temperatur zu regeln oder zu steuern. Um die Verfahrensschritte des Karbonierens und Nitrierens oder Karbonitrierens auszuführen, weist der Ofen bevorzugt Mittel zum Einleiten von Kohlenstoff bzw. kohlenstoffhaltiger Gase und Mittel zum Einleiten von Nitrat und/oder Ammoniak bzw. nitrat- und/oder amoniakhaltiger Gase auf.
• Eine Steuereinheit des Ofens ist ausgebildet, die Temperatur im Inneren des Ofens und die genannten Mittel so zu steuern oder zu regeln, dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird.
• Ein erfindungsgemäßes, bevorzugt aus Stahl bestehendes Werkstück weist einen Kohlenstoffgehalt C auf, der in Abhängigkeit der Tiefe d unterhalb mindestens eines Punkts der Oberfläche des Werkstücks durch eine Funktion C(d) beschrieben wird. Bei der Tiefe d handelt es sich um einen Abstand zwischen dem genannten Punkt der Oberfläche und einem Punkt innerhalb des Werkstücks, der auf einer Normalen liegt, die ausgehend von dem Punkt der Oberfläche durch das Werkstück verläuft. Die Normale zeichnet sich dadurch aus, dass sie in dem Punkt der Oberfläche in jede Richtung orthogonal zu der Oberfläche steht.
• Der Stickstoffgehalt N des Werkstücks in Abhängigkeit der Tiefe d unterhalb des oben genannten mindestens einen Punkts der Oberfläche wird durch eine Funktion N(d) beschrieben. Der Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt an der Oberfläche des Werkstücks beträgt mindestens 0,6%. Es gilt also für den Kohlenstoffgehalt C(0) und den Stickstoffgehalt N(0) in der Tiefe 0, d.h. an der Oberfläche: $$C\left(0\right)\ge \mathrm{0,5}\%$$

  

  $$N\left(0\right)\ge \mathrm{0,5}\%;$$

  
• Erfindungsgemäß beträgt der Kohlenstoffgehalt in einer Tiefe von 4mm unterhalb der Oberfläche noch mindestens 0,3%, d.h. es gilt: $$C\left(4mm\right)\ge \mathrm{0,3}\%.$$

  
• Das Werkstück ist bevorzugt derart weitergebildet, dass der Stickstoffgehalt in einer Tiefe von 1mm unterhalb der Oberfläche des Werkstücks noch mindestens 0,1% beträgt. Weiterbildungsgemäß gilt also: $$N\left(1mm\right)\ge \mathrm{0,1}\%.$$

  
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:
• 1 einen Verlauf von Temperatur-, Carbon - und Ammoniakpegel; und
• 2a bis 2d die Kohlenstoff- und Nitratkonzentration im Werkstück.
• 1 veranschaulicht die Verläufe der Temperatur 101, der Kohlenstoffkonzentration 103 und der Ammoniakkonzentration 105 im Inneren eines Ofens. Die Verläufe der Kurven 101, 103, 105 sind in der Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen.
• In einer Aufwärmphase 107 wird der Ofen mit einem darin enthaltenen Werkstück auf eine Temperatur von 850°C aufgeheizt. Die Kohlenstoffkonzentration 103 in dem Ofen beträgt währenddessen 0,6%.
• Nach der Aufwärmphase 107 folgt eine Phase des Karbonierens 109. In dieser Phase wird die Temperatur 101 des Ofens auf etwa 945°C erhöht. Gleichzeitig wird Kohlenstoff in den Ofen eingeleitet, so dass sich die Kohlenstoffkonzentration 103 von 0,6% auf 1,2% erhöht.
• Nach dem Karbonieren 109 wird die Zufuhr von Kohlenstoff gestoppt. Es folgt eine erste Diffusionsphase 111. Da die Zufuhr von Kohlenstoff gestoppt wurde, sinkt die Kohlenstoffkonzentration 103 auf einen Wert ab, der so niedrig ist, dass keine Diffusion von Kohlenstoff in das Werkstück hinein stattfindet. Die Temperatur 101 bleibt unverändert. Dies führt dazu, dass der Kohlenstoff innerhalb des Werkstücks ausgehend von oberflächennahen Schichten in die Tiefe des Werkstücks diffundiert.
• Die Ammoniakkonzentration 105 beträgt bis zum Ende der ersten Diffusionsphase 111 0,5%.
• Nachdem die erste Diffusionsphase 111 abgeschlossen ist, wird das Werkstück karbonitriert. Dazu wird Ammoniak in den Ofen eingeleitet, so dass dessen Konzentration 105 auf 5 bis 10% steigt.
• Um zu verhindern, dass der Kohlenstoffgehalt in oberflächennahen Schichten des Werkstücks weiter abnimmt, wird der Ofenatmosphäre erneut Kohlenstoff beigemengt. Der Kohlenstoffgehalt steigt infolgedessen auf etwa 1%. Die Temperatur 101 während der Phase des Karbonitrierens 113 wird auf 900°C abgesenkt.
• Es folgt eine zweite Diffusionsphase 115. Mit reduzierter Kohlenstoffkonzentration 103 und reduzierter Ammoniakkonzentration 105. Die Temperatur 101 sinkt auf etwa 850°C.
• Abgeschlossen wird der Prozess durch einen Schritt des Härtens 119. Das Werkstück wird in diesem Schritt aus dem Ofen entnommen und in Öl mit einer Temperatur von etwa 60°C eingetaucht.
• In den 2a bis 2d ist jeweils der Kohlenstoffgehalt C(d) in Abhängigkeit der Werkstofftiefe d, d.h. der Tiefe unterhalb eines Punkts der Oberfläche des Werkstücks, und der Stickstoffgehalt N(d) in Abhängigkeit der Werkstofftiefe d dargestellt. Nach dem Karbonieren 109 ist, wie in 2 dargestellt, noch kein Stickstoff in dem Werkstück enthalten. Der Kohlenstoffgehalt beträgt an der Oberfläche 1,2% und fällt mit zunehmender Werkstofftiefe d regressiv ab.
• 2b veranschaulicht die Diffusion von Kohlenstoff in dem Werkstück während der ersten Diffusionsphase 111. Die Diffusion findet ausgehend von oberflächennahen Schichten in Richtung tiefergelegener Schichten des Werkstücks statt. Dies führt dazu, dass der Kohlenstoffgehalt in geringeren Werkstücktiefen ab- und entsprechend in höheren Werkstofftiefen zunimmt. Der Stickstoffgehalt beträgt weiterhin durchgehend Null.
• In der in 2c dargestellten Phase des Karbonitrierens 113 wird dem Werkstück Stickstoff zugeführt. Der Stickstoff diffundiert über die Oberfläche in das Werkstück hinein. Entsprechend steigt in den oberflächennahen Schichten der Stickstoffgehalt stark an.
• Neben dem Stickstoff wird dem Werkstück Kohlenstoff zugeführt, um den Verlust von Kohlenstoff in oberflächennahen Schichten während der ersten Diffusionsphase 111 auszugleichen.
• Währen der zweiten Diffusionsphase 115 geben die oberflächennahen Schichten, wie in 2d dargestellt, einen Teil des aus der Ofenatmosphäre aufgenommenen Stickstoffs und Kohlenstoffs an tieferliegende Schichten ab.
• Abschließend wird das Werkstück abgeschreckt 117 und gehärtet 119.
• Bezugszeichenliste

101

Temperatur

103

Kohlenstoffkonzentration

105

Ammoniakkonzentration

107

Aufwärmphase

109

Karbonieren

111

erste Diffusionsphase

113

Karbonitrieren

115

zweite Diffusionsphase

117

Abschrecken

119

Härten

Claims (8)

1. Verfahren zur Behandlung eines Werkstücks mit den folgenden Verfahrensschritten: - Karbonieren (109) mindestens eines Teils des Werkstücks; - Benetzen (111) des mindestens einen Teils mit einem ersten Fluid; und - Nitrieren oder Karbonitrieren (113) des mindestens einen Teils; wobei der Kohlenstoffgehalt (103) des ersten Fluids so gering ist, dass keine Diffusion von Kohlenstoff aus dem ersten Fluid in den mindestens einen Teil stattfindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Teil nach dem Nitrieren oder Karbonitrieren (113) mit einem zweiten Fluid benetzt wird (115); wobei der Kohlenstoffgehalt (103) des zweiten Fluids so gering ist, dass keine Diffusion von Kohlenstoff aus dem zweiten Fluid in den mindestens einen Teil stattfindet und/oder der Stickstoffgehalt (105) des zweiten Fluids so gering ist, dass keine Diffusion von Stickstoff aus dem zweiten Fluid in den mindestens einen Teil stattfindet.
3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des zweiten Fluids mindestens 800°C beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des ersten Fluids mindestens 750°C beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Teil des Werkstücks angelassen (119) und/oder kugelgestrahlt und/oder geschliffen wird.
6. Ofen zur Aufnahme eines Werkstück; dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen ausgebildet ist, das Werkstück mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu behandeln.
7. Werkstück; wobei der Kohlenstoffgehalt C des Werkstücks in Abhängigkeit der Tiefe d unterhalb mindestens eines Punkts der Oberfläche des Werkstücks durch eine Funktion C(d) beschrieben wird; wobei der Stickstoffgehalt N der Werkstücks in Abhängigkeit der Tiefe d unterhalb des mindestens einen Punkts durch eine Funktion N(d) beschrieben wird; wobei gilt: $$C\left(0\right)\ge \mathrm{0,5}\%$$

   

   und $$N\left(0\right)\ge \mathrm{0,5}\%;$$

   

   dadurch gekennzeichnet, dass gilt: $$C\left(4mm\right)\ge \mathrm{0,3}\%.$$

   
8. Werkstück nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass gilt: $$N\left(1mm\right)\ge \mathrm{0,1}\%.$$

   

Images