DE102018208283A1 - Method for producing a metallic component - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren (10) ist zum Herstellen von wenigstens einem metallischen Bauteil (11) vorgesehen, wobei zunächst das Bauteil (11) einsatzgehärtet wird, wobei wenigstens eine Wärmebehandlung (13"') zum Anlassen des Bauteils (11) erfolgt, dass nach der Wärmebehandlung (13"') das Bauteil (11) nachbearbeitet wird, um das Bauteil (11) auf ein innerhalb vorbestimmter Toleranzen erforderliches Endmaß zu bringen, und dass danach das nachbearbeitete Bauteil (11) nitriert wird, wobei eine zum Nitrieren (15) vorgesehene Prozesstemperatur deutlich niedriger als eine bei der der Nachbearbeitung vorgeordneten und zum Anlassen des Bauteils (11) dienenden Wärmebehandlung (13'") eingestellte Anlasstemperatur gewählt wird. Dabei wird die zum Nitrieren vorgesehene Prozesstemperatur so gewählt, dass sie mindestens etwa 30 °C, bevorzugt mindestens etwa 50 °C, niedriger als die Anlasstemperatur liegt.A method (10) is provided for producing at least one metallic component (11), wherein first the component (11) is case hardened, wherein at least one heat treatment (13 "') for tempering the component (11) takes place, that after the heat treatment (13 "') the component (11) is reworked in order to bring the component (11) to a required final dimension within predetermined tolerances, and that thereafter the post-processed component (11) is nitrided, wherein a nitriding process (15) provided process temperature The starting temperature set for the nitriding is selected to be at least about 30 ° C., preferably at least about 50 ° C, lower than the tempering temperature.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils und ferner ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauteil.The invention relates to a method for producing a metallic component and further to a component produced by such a method.
Stand der TechnikState of the art
Die standardmäßig beim martensitischen oder bainitischen Härten bzw. Einsatzhärten von aus Stahl gebildeten Bauteilen zum Einsatz kommenden Wärmebehandlungen, welche üblicherweise aus voneinander getrennten Verfahrensstufen des Aufkohlens, des Härtens und des Anlassens gebildet sind, führen zu Verzügen im Gefüge der Bauteile, so dass eine anschließende Nachbearbeitung erforderlich ist, damit eine für die Bauteile typischerweise im Mikrometerbereich liegende Form- und Maßtoleranz eingehalten werden kann. Bei dieser Nachbearbeitung werden jedoch die durch das Härten bzw. Einsatzhärten erzielten und dadurch mit positiven Bauteileigenschaften versehenen Oberflächenbereiche teilweise oder vollständig abgetragen; im ersteren Fall erfolgt dies beispielsweise mittels Schleifen, um Fertigungstoleranzen einhalten zu können, oder mittels elektrochemischem Verrunden typischerweise von Bohrungsverschneidungen, und im letzteren Fall mittels Erodieren oder Laserabtragung, um beispielsweise Bohrungen bzw. Spritzlöcher in Düsenkörpern für Dieseleinspritzsysteme präzise ausbilden zu können. Dabei freigelegte Bauteilbereiche mit niedriger Festigkeit können im späteren Bauteilbetrieb aufgrund von auf das Bauteil einwirkenden statischen oder dynamischen Beanspruchungen zu einem Bauteilversagen führen.The standard in martensitic or bainitic hardening or case hardening of steel formed components used for heat treatment applications, which are usually formed from separate process steps of carburizing, hardening and tempering, lead to distortion in the structure of the components, so that subsequent reworking is required so that a typical for the components in the micrometer range dimensional and dimensional tolerance can be met. In this post-processing, however, the surface areas achieved by hardening or case-hardening and thus provided with positive component properties are partially or completely removed; in the former case, this is done, for example, by grinding to meet manufacturing tolerances, or by means of electrochemical rounding typically of Bohrungsverschneidungen, and in the latter case by eroding or laser ablation, for example, to accurately form holes or injection holes in nozzle bodies for diesel injection systems. In this case exposed component regions with low strength can lead to component failure in later component operation due to static or dynamic stresses acting on the component.
Zusätzlich im Fertigungsprozess zur Festigkeitssteigerung eingesetzten Maßnahmen, wie z.B. Festwalzen, Autofrettieren oder Kugelstrahlen, haftet jedoch der Nachteil an, dass sie meist nur in eingeschränktem Umfang, zumindest jedoch relativ aufwendig und somit kostensteigernd umsetzbar sind. Um nämlich den bei der Autofrettage erforderlichen Betriebsdrücken von mehreren 1000 bar standzuhalten, muss ein damit zu bearbeitendes Bauteil eine ausreichende Wandstärke aufweisen; auch beim Festwalzen und bei Strahlverfahren ist eine Mindestwandstärke des damit zu bearbeitenden Bauteils erforderlich, wobei relativ kleine oder komplexe Bauteilgeometrien, beispielsweise Spritzlöcher oder Bohrungsverrundungen, praktisch nicht damit bearbeitbar sind. Zwar werden mit derartigen oder ähnlichen Verfahren in Randbereiche eines damit bearbeiteten Bauteils an sich vorteilhafte Druckeigenspannungen eingebracht, welche einer statischen oder dynamischen Beanspruchung im späteren Bauteilbetrieb entgegenwirken, jedoch können sich solche Druckeigenspannungen wieder signifikant abbauen, wenn im Bauteilbetrieb relativ hohe Temperaturen, z.B. oberhalb von 300 °C, einwirken.Additional measures taken in the manufacturing process to increase strength, such as Deep rolling, auto-rescue or shot blasting, however, has the disadvantage that they are usually implemented only to a limited extent, but at least relatively expensive and thus cost-increasing. In order to be able to withstand the operating pressures of several 1000 bar required in autofrettage, a component to be machined must have sufficient wall thickness; Even when deep rolling and blasting a minimum wall thickness of the component to be machined is required, with relatively small or complex component geometries, such as injection holes or bore fillets, practically can not be processed. Although with such or similar methods in marginal areas of a machined component per se advantageous compressive residual stresses are introduced, which counteract a static or dynamic stress in the later component operation, however, such compressive residual stresses can significantly reduce again, when in component operation relatively high temperatures, e.g. above 300 ° C, act.
Ein anders gelagerter Stand der Technik ist aus der
Offenbarungepiphany
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass es eine kosteneffiziente Fertigung von hochbeanspruchbaren Bauteilen mit höchsten Anforderungen an Lage- und Formtoleranzen ermöglicht, wobei der Hart- bzw. Nachbearbeitungsaufwand kostensenkend lediglich einmalig und zwar in der Mitte der Prozesskette anfällt und gleichzeitig eine hohe mechanische Belastbarkeit der Bauteile erzielbar ist. Dazu ist vorgesehen, dass zunächst das Bauteil einsatzgehärtet wird, sodann wenigstens ein einstufiges Anlassen des Bauteils, eine Bauteil-Nachbearbeitung, um das Bauteil innerhalb vorbestimmter Toleranzen auf ein erforderliches Endmaß zu bringen, und ein Nitrieren des Bauteils nacheinander durchgeführt werden, wobei eine zum Nitrieren vorgesehene Prozesstemperatur deutlich niedriger als eine bei der der Nachbearbeitung vorgeordneten und zum Anlassen des Bauteils dienenden Wärmebehandlung eingestellte Behandlungstemperatur gewählt wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik gemäß
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen.Further advantageous developments and refinements of the invention will become apparent from the measures listed in the dependent claims.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die zum Nitrieren des Bauteils gewählte Prozesstemperatur um mindestens etwa 30 °C, bevorzugt etwa 50 °C, niedriger als die Anlasstemperatur liegt. Von den Erfindern durchgeführte experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Prozesstemperaturabstand TA - TP von etwa 30 °C zwischen Nitrierprozesstemperatur TP und der zuvor erfolgten Anlass-Wärmebehandlungstemperatur TA einen minimalen Abstand darstellt, bei dessen Wahrung ein Verzug im Bauteilgefüge durch das Nitrieren vermeidbar ist und mithin die Form- und Maßstabilität während des Nitrierens aufrechterhalten wird, so dass für eine ein- oder mehrstufige Nachbearbeitung nach dem Nitrieren keine Notwendigkeit besteht.A preferred embodiment of the method according to the invention provides that the process temperature selected for nitriding the component is at least about 30 ° C., preferably about 50 ° C., lower than the tempering temperature. The present inventors conducted experimental studies have shown that a process temperature difference T A - T P of about 30 ° C between Nitrierprozesstemperatur T P and the previously effected tempering heat treatment temperature T A represents a minimum distance, at which respect a delay in the component structure by the nitriding is avoidable and thus the dimensional and dimensional stability is maintained during the nitriding, so that there is no need for a one- or multi-stage post-processing after nitriding.
Dabei umfasst der Schritt des Einsatzhärtens einen Anlassvorgang, welcher im Temperaturbereich zwischen etwa 450 °C und 550 °C, bevorzugt bei etwa 500 °C, durchgeführt wird, da erst ab einer Temperatur, welche höher als 450 °C liegt, bei dem zum Ende der Prozesskette erfolgenden und auf den Anlassvorgang abgestimmten Nitrieren eine Bildung von Sondernitriden wie z.B. von Chromnitrid im Gefüge eines Bauteils einsetzt. Höhere Temperaturen als 550 °C sind demgegenüber weniger geeignet, da insbesondere bei niedrig legierten Stählen die Kernfestigkeit stark reduziert und damit die Bauteilfunktionalität eingeschränkt wird.In this case, the step of case hardening comprises a tempering process, which in the temperature range between about 450 ° C and 550 ° C, preferably at about 500 ° C, performed, since only from a temperature which is higher than 450 ° C, at the end the nitride forming the process chain and adapted to the annealing process, a formation of special nitrides such as of chromium nitride in the structure of a component. Higher temperatures than 550 ° C, however, are less suitable, since the core strength is greatly reduced especially in low-alloyed steels and thus the component functionality is limited.
Eine Ausführungsvariante der Erfindung kann darin bestehen, dass zum Nitrieren des Bauteils wenigstens eine Nitrierphase durchgeführt wird, um eine hauptsächlich mit Stickstoff angereicherte Diffusionsschicht auszubilden, welche sich vorteilhaft insbesondere bei zyklischer Beanspruchung des Bauteils dazu eignet, eine hohe Verschleißbeständigkeit und Schwingfestigkeit sicherzustellen.An embodiment variant of the invention may be that at least one nitriding phase is carried out for nitriding the component in order to form a diffusion layer enriched mainly with nitrogen, which is advantageous in particular for cyclic loading of the component to ensure high wear resistance and fatigue strength.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung werden zum Nitrieren des Bauteils zwei durch eine zwischengeordnete Gaswechselphase zeitlich voneinander separierte Nitrierphasen durchgeführt, wobei eine erste Nitrierphase als Oxinitrieren ausgebildet wird, wodurch die Oberflächenaktivität des zu prozessierenden Bauteils und mithin die Stickstoffaufnahme signifikant verbessert wird, während die zweite Nitrierphase zum reinen Nitrieren des durch das Oxinitrieren entsprechend vorkonditionierten Bauteils dient, wobei beim reinen Nitrieren die hauptsächliche Dicke einer Nitrierschicht bzw. Diffusionsschicht ausgebildet wird. Dabei können die zwei Nitrierphasen mit unterschiedlich bemessener Zeitdauer ausgeführt werden, um einerseits die Oxinitrierdauer - zum Aktivieren passivierter Bauteiloberflächen - auf die Oberflächeneigenschaften des verwendeten Ausgangsmaterials abstimmen und andererseits die Dauer des nachgeordneten reinen Nitrierens in Abhängigkeit von der gewünschten Dicke der auszubildenden Diffusionsschicht einstellen zu können. Mit der zwischengeordneten Gaswechselphase wird die das Oxinitrieren charakterisierende Prozessgasmischung entfernt, um definierte Anfangsbedingungen für die anschließende zweite Nitrierphase festzulegen.According to a preferred embodiment of the invention, nitriding phases are separated by an intermediate gas exchange phase, wherein a first nitriding phase is formed as oxinitriding, whereby the surface activity of the component to be processed and thus the nitrogen uptake is significantly improved, while the second nitration phase is used for pure nitriding of the component preconditioned by the oxinitriding, wherein in pure nitriding the main thickness of a nitriding layer or diffusion layer is formed. In this case, the two nitration phases can be carried out with differently sized durations, on the one hand tune the Oxinitrierdauer - to activate passivated component surfaces - on the surface properties of the starting material used and on the other hand to be able to adjust the duration of the downstream pure nitriding depending on the desired thickness of the trainees diffusion layer. With the intermediate gas exchange phase, the Oxinitrieren characterizing process gas mixture is removed to set defined initial conditions for the subsequent second Nitrierphase.
Zweckmäßigerweise wird die Nitrierschicht bzw. Diffusionsschicht im Oberflächenbereich des Bauteils mit einer Dicke ausgebildet, welche im Bereich von etwa 5 bis 50 µm liegt, da bereits mit derartigen Nitrierschichtdicken eine gegenüber dem Grundwerkstoff signifikante Steigerung der Schwingfestigkeit erzielbar ist. Es sind auch dickere Nitrierschichten ausbildbar, für die jedoch entsprechend längere Nitrierprozesslaufzeiten erforderlich sind.Expediently, the nitride layer or diffusion layer is formed in the surface region of the component with a thickness which lies in the range of approximately 5 to 50 μm, since even with such nitriding layer thicknesses, a significant increase in the vibration resistance relative to the base material can be achieved. Thicker nitriding layers can also be formed, but correspondingly longer nitriding process runtimes are required.
Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass das Bauteil nach der wenigstens einen Nitrierphase zusätzlich einer Nitrocarburierphase unterworfen wird, um eine Verbindungsschicht auf dem Bauteil auszubilden. Die Ausbildung einer derartigen Verbindungsschicht über einer aufgrund der zuvor erfolgten Nitrierphase erzeugten Diffusionsschicht ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Bauteil im späteren Einsatz nicht nur Verschleiß, sondern auch korrosiven Beanspruchungen unterliegt.A modified embodiment of the invention can consist in that the component is additionally subjected to a nitrocarburizing phase after the at least one nitriding phase in order to form a bonding layer on the component. The formation of such a connection layer over a diffusion layer produced on the basis of the previously performed nitriding phase is particularly advantageous if the component is subject to not only wear but also corrosive stresses during later use.
Unter dem Begriff Nitrieren ist ein Vorgang zu verstehen, bei dem ein Stickstoff und/oder Kohlenstoff abgebendes Medium Stickstoff und/oder Kohlenstoff in ein Bauteil einbringt mit dem Ziel, Ausscheidungen wie z.B. Nitride oder Carbonitride auszubilden. Demgemäß umfasst der Begriff des Nitrierens auch ein Nitrocarburieren.The term nitriding is to be understood as meaning a process in which a nitrogen and / or carbon-releasing medium introduces nitrogen and / or carbon into a component with the aim of producing precipitates such as e.g. Form nitrides or carbonitrides. Accordingly, the term nitriding also includes nitrocarburizing.
Eine nochmals abgewandelte Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass das Bauteil mittels einer Nitrocarburierphase nitriert wird, welche ausschließlich zur Ausbildung einer aus Eisennitriden gebildeten Verbindungsschicht führt, die aufgrund ihres keramischen Charakters und hohen Härte Beanspruchungen durch Reibung entgegenwirkt.A further modified embodiment of the invention may be that the component is nitrided by means of a Nitrocarburierphase, which leads exclusively to the formation of a compound layer formed from iron nitrides, due to their ceramic character and high Hardness counteracts stresses caused by friction.
Die Zufuhr von Prozessgasen und/oder Prozessgasgemischen in eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Behandlungs- bzw. Prozesskammer erfolgt während des Prozesses mit Festgasmengen. Alternativ dazu kann die Zufuhr auch kennzahlgeregelt, beispielsweise nach Nitrierkennzahl und/oder Oxidationskennzahl und/oder Kohlungskennzahl erfolgen.The supply of process gases and / or process gas mixtures in a suitable for carrying out the method according to the invention treatment or process chamber takes place during the process with amounts of solid gas. Alternatively, the supply may also be characteristic-controlled, for example by nitriding characteristic and / or oxidation index and / or coefficient of coal.
Ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauteil, insbesondere ein Düsenkörper, kann je nach Prozessführung eine hohe Schwingfestigkeit und/oder verbesserte Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen und eignet sich beispielsweise für den Einsatz als Komponente in Hochdruckeinspritzsystemen.A manufactured according to such a method component, in particular a nozzle body, depending on the process control can have a high fatigue strength and / or improved wear and corrosion resistance and is suitable for example for use as a component in high pressure injection systems.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Letztere zeigen in schematisch gehaltenen Ansichten:
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1 ein Schema zur groben Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils, wobei im unteren Teil des Schemas entlang der Ordinate die Prozess-Temperatur in Abhängigkeit von der entlang der Abszisse aufgetragenen Zeit dargestellt ist und im oberen Teil des Schemas das Bauteil jeweils in seinen verschiedenen Prozessstadien eingezeichnet ist, -
2A ein Diagramm, das die Abfolge aufeinanderfolgender Verfahrensschritte in Abhängigkeit von der jeweils einzustellenden Prozess-Temperatur gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt, -
2B ein Diagramm, das die Abfolge aufeinanderfolgender Verfahrensschritte in Abhängigkeit der jeweils einzustellenden Prozesstemperatur gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt, -
2C ein Diagramm zur Darstellung der Abfolge aufeinanderfolgender Verfahrensschritte in Abhängigkeit der jeweils einzustellenden Prozesstemperatur gemäß einer dritten Ausführungsform, -
2D ein Diagramm zur Darstellung der Abfolge aufeinanderfolgender Verfahrensschritte in Abhängigkeit der jeweils einzustellenden Prozesstemperatur gemäß einer vierten Ausführungsform, -
3 ein Messdiagramm mit anhand von GDOES-Messungen an zwei unterschiedlich prozessierten Proben ermittelten drei Messkurven, wobei zwei der Messkurven die jeweiligen Kohlenstoff-Konzentrationsverläufe der beiden Proben und die dritte Messkurve den Stickstoff-Konzentrationsverlauf in der zweiten Probe in funktionaler Abhängigkeit vom Randabstand zur Probenoberfläche darstellen, -
4A eine mikroskopisch erstellte Schnittansicht eines Gefüges eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Düsenkörpers im Bereich einer Spritzlochbohrung, und -
4B ein Diagramm zur Darstellung des Härteverlaufs im Gefüge des Düsenkörpers von4A im Bereich einer Spritzlochbohrung, wobei auf der Ordinate die Vickershärte in Abhängigkeit von dem entlang der Abszisse aufgetragenen Randabstand bezüglich der Oberfläche der Spritzlochbohrung dargestellt ist.
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1 a schematic for a rough illustration of the method according to the invention for producing a component, wherein in the lower part of the scheme along the ordinate, the process temperature is shown in dependence on the time plotted along the abscissa and in the upper part of the scheme, the component in each of its various stages of the process is drawn, -
2A a diagram illustrating the sequence of successive process steps as a function of the respective set process temperature according to a first embodiment, -
2 B a diagram illustrating the sequence of successive process steps as a function of the process temperature to be set in each case according to a second embodiment, -
2C 3 shows a diagram for illustrating the sequence of successive method steps as a function of the process temperature to be respectively set according to a third embodiment, -
2D a diagram for illustrating the sequence of successive method steps as a function of the process temperature to be set in each case according to a fourth embodiment, -
3 a measurement diagram with three measured curves determined by GDOES measurements on two differently processed samples, wherein two of the measurement curves represent the respective carbon concentration curves of the two samples and the third measurement curve the nitrogen concentration curve in the second sample in functional dependence on the edge distance to the sample surface, -
4A a microscopic sectional view of a structure of a nozzle body produced according to the method according to the invention in the region of a spray hole, and -
4B a diagram showing the hardness profile in the structure of the nozzle body of4A in the region of a spray hole, the Vickers hardness being shown on the ordinate as a function of the edge distance along the abscissa with respect to the surface of the injection hole.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Eine geringfügige Abwandlung der Ausführungsform gemäß
Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass die Prozessgase bzw. Prozessgasgemische der Behandlungskammer als Festgasmengen zugeführt werden können; alternativ kann deren Zufuhr auch nitrierkenn- und/oder oxidationskennzahl- und/oder kohlungskennzahlgeregelt erfolgen.All embodiments have in common that the process gases or process gas mixtures of the treatment chamber can be supplied as a fixed gas quantities; Alternatively, their supply can also nitrierkenn- and / or oxidation and / or kohlkennzahlgeregelt done.
Als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren
Zusammenfassend ist das Verfahren
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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