DE102018222387A1 - Process for carbonitriding a metal part and metal part - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Carbonitrierung eines Metallteils, bei dem das Metallteil aufgeheizt wird und in mindestens einer Aufstickungsphase (D, F) mit einem Stickstoffspendergas aufgestickt wird und vorzugsweise in wenigstens einer Aufkohlungsphase (H) mit einem Kohlenstoffspendergas aufgekohlt wird, wobei die wenigstens eine Aufkohlungsphase (H) vorzugsweise nach dem Abschluss wenigstens einer Aufstickungsphase (D, F) durchgeführt wird.The invention relates to a method for carbonitriding a metal part, in which the metal part is heated and embroidered with a nitrogen donor gas in at least one nitrification phase (D, F) and is preferably carburized with a carbon donor gas in at least one carburization phase (H), the at least one Carburizing phase (H) is preferably carried out after the completion of at least one nitriding phase (D, F).
Description
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Carbonitrieren eines Metallteils, wie dies bei Stählen verwendet wird, um insbesondere gute Materialeigenschaften beispielsweise hinsichtlich der Wälzermüdung sowie der Partikelrobustheit zu erzielen. Dabei wird unter Carbonitrieren ein zusätzliches Einbringen von Kohlenstoff und Stickstoff im Randbereich des Metallteils verstanden. Ferner betrifft die Erfindung ein Metallteil, das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.The invention relates to a method for carbonitriding a metal part, as is used in steels, in order in particular to achieve good material properties, for example with regard to rolling fatigue and particle robustness. Carbonitriding is understood to mean an additional introduction of carbon and nitrogen in the edge region of the metal part. The invention further relates to a metal part which is produced by means of the method according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Ein Verfahren zum Carbonitrieren eines Metallteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Carbonitrieren eines Metallteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass besonders effizient Stickstoff in den Randbereich des Metallteils eingebracht werden kann. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass bei bereits höher kohlenstoffhaltigen Stählen (gemeint sind hierbei Kohlenstoffgehalte von mehr als 0,4 % Masseanteil), wie z.B. Vergütungs- und Wälzlagerstählen, es schwierig ist, noch zusätzlich Stickstoff während des Austenitisierens des Metallteils (das bei Behandlungstemperaturen von mehr als 780° C einsetzt) im Bereich mehrerer Zehntel Millimeter einzubringen, da sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff die gleichen Plätze innerhalb des Eisengitters belegen, und der Kohlenstoff diese bereits zu einem Großteil belegt hat. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit insbesondere bei Metallteilen mit relativ hohem Kohlenstoffgehalt, auf besonders einfache und effektive Art und Weise zusätzlichen Stickstoff zur Beeinflussung bzw. Verbesserung der Materialeigenschaften in die Randbereiche des Metallteils einzubringen.The method according to the invention for carbonitriding a metal part with the features of claim 1 has the advantage that nitrogen can be introduced particularly efficiently into the edge region of the metal part. It has been found that in the case of steels which are already high in carbon (meaning carbon contents of more than 0.4% by mass), such as Quenched and tempered steel, it is difficult to introduce additional nitrogen during the austenitizing of the metal part (which starts at treatment temperatures of more than 780 ° C) in the range of several tenths of a millimeter, since both carbon and nitrogen occupy the same places within the iron grid, and the carbon has already largely occupied it. The method according to the invention thus makes it possible, particularly in the case of metal parts with a relatively high carbon content, to introduce additional nitrogen in a particularly simple and effective manner in order to influence or improve the material properties in the edge regions of the metal part.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass der für eine Weichbearbeitung vorteilhafte Ausgangszustand des Metallteils vor dem eigentlichen Härtevorgang einem Nitrierprozess (d.h. einem Aufstickungsprozess) unterzogen wird. Dabei wird ausgenutzt, dass der Kohlenstoff in diesem Ausgangszustand überwiegend in fester Verbindung als Carbid vorliegt. Diese Carbide werden beim Nitrieren durch niedrigere Behandlungstemperaturen (gemeint sind hierbei insbesondere Behandlungstemperaturen von weniger als 600° C) nicht aufgelöst, wodurch die Diffusionsbewegung des Stickstoffs in das Eisengitter nur minimal durch den Kohlenstoff behindert wird. Der dadurch mit Stickstoff stärker angereicherte Randbereich des Metallteils ergibt dann zusammen mit dem beim Austenitisieren in Lösung gehenden Kohlenstoff den gewünschten carbonitrierten Zustand des Metallteils.The invention is based on the idea that the initial state of the metal part, which is advantageous for soft machining, is subjected to a nitriding process (i.e. a nitriding process) before the actual hardening process. This takes advantage of the fact that the carbon in this initial state is predominantly in solid compound as carbide. These nitrides are not dissolved during nitriding by lower treatment temperatures (in particular treatment temperatures of less than 600 ° C.), which means that the diffusion of nitrogen into the iron lattice is only minimally hindered by the carbon. The edge region of the metal part that is more enriched with nitrogen then, together with the carbon that dissolves during austenitizing, gives the desired carbonitrided state of the metal part.
Vor diesem Hintergrund schlägt es die Lehre der Erfindung in der allgemeinsten Form vor, dass zum Durchführen der zumindest einen Aufstickungsphase das Metallteil auf eine erste Temperatur aufgeheizt wird, die niedriger ist als eine zweite Temperatur während wenigstens einer Aufkohlungsphase und/oder während einer Härtephase. Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren zur Carbonitrierung eines Metallteils, bei dem das Metallteil aufgeheizt wird und in mindestens einer Aufstickungsphase mit einem Stickstoffspendergas aufgestickt wird und in wenigstens einer Aufkohlungsphase mit einem Kohlenstoffspendergas aufgekohlt wird, wobei die wenigstens eine Aufkohlungsphase nach dem Abschluss wenigstens einer Aufstickungsphase durchgeführt wird, wobei zum Durchführen der zumindest einen Aufstickungsphase (
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Carbonitrieren eines Metallteils sind in den Unteransprüchen aufgeführt.Advantageous developments of the method according to the invention for carbonitriding a metal part are listed in the subclaims.
In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des soweit beschriebenen allgemeinen Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass vor dem Durchführen der ersten Aufstickungsphase das Metallteil auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die geringer ist als die erste Temperatur (während der ersten Aufstickungsphase), und dass vorzugsweise nach Erreichen der (geringeren) Temperatur das Metallteil in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre voroxidiert wird. Diese (geringere) Temperatur beträgt beispielsweise ca. 380° C.In a first advantageous development of the general inventive concept described so far, it is provided that before the first nitrogen phase is carried out, the metal part is heated to a temperature which is lower than the first temperature (during the first nitrogen phase), and preferably after the ( lower) temperature, the metal part is pre-oxidized in an oxygen-containing atmosphere. This (lower) temperature is, for example, approximately 380 ° C.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass vor dem Durchführen der zumindest einen Aufkohlungsphase eine Aufstickungsphase durchgeführt wird, bei der das Metallteil bereits die zweite Temperatur (für die erste Aufkohlungsphase) aufweist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass bereits zumindest zwei Aufstickungsphasen durchgeführt wurden, bevor die erste Aufkohlungsphase stattfindet. Dieses Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, um eine Effusion des Stickstoffs zu verringern oder zu vermeiden. Hierzu wird ein Stickstoff abgebendes Prozessgas, z.B. Ammoniak, angeboten. In a further advantageous embodiment of the invention, it can be provided that before the at least one carburizing phase is carried out, a nitriding phase is carried out in which the metal part already has the second temperature (for the first carburizing phase). In other words, this means that at least two nitriding phases have already been carried out before the first carburizing phase takes place. This method is particularly advantageous for reducing or avoiding nitrogen effusion. For this purpose, a nitrogen-releasing process gas, such as ammonia, is offered.
In einer Weiterbildung des zuletzt gemachten Verfahrens ist es vorgesehen, dass zwischen der Aufstickungsphase (bei der zweiten Temperatur) und der zumindest einen Aufkohlungsphase mit einem Inertgas eine Diffusionsphase durchgeführt wird, bei der das Metallteil dem Inertgas ausgesetzt oder die Atmosphäre um das Metallteil evakuiert wird. Bei dem inerten Inertgas kann es sich z.B. um molekularen Stickstoff handeln.In a development of the last method, it is provided that a diffusion phase is carried out between the nitriding phase (at the second temperature) and the at least one carburizing phase, in which the metal part is exposed to the inert gas or the atmosphere around the metal part is evacuated. The inert inert gas can e.g. is molecular nitrogen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass nach Beendigung der letzten Aufkohlungsphase und vor einer Abschreckphase des Metallteils, bei der die Temperatur des Metallteils von der zweiten Temperatur vorzugsweise auf die Umgebungstemperatur reduziert wird, eine Diffusionsphase durchgeführt wird, bei der das Metallteil einem inerten Gas ausgesetzt wird oder die Atmosphäre um das Metallteil evakuiert wird. Dadurch werden unerwünschte Carbide, die während der letzten Aufkohlungsphase gebildet werden, wieder aufgelöst, wodurch die Beanspruchbarkeit des Metallteils, zum Beispiel bei wechselnder Beanspruchung, verbessert wird.A further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that after the last carburization phase has ended and before a quenching phase of the metal part, in which the temperature of the metal part is preferably reduced from the second temperature to the ambient temperature, a diffusion phase is carried out, in which the metal part exposed to inert gas or the atmosphere around the metal part is evacuated. As a result, undesired carbides that are formed during the last carburizing phase are dissolved again, which improves the durability of the metal part, for example in the event of changing stress.
Das Durchführen der Aufstickungsphasen und Aufkohlungsphasen kann grundsätzlich in unterschiedlichen Anlagen erfolgen. Für diesen Fall ist es nicht erforderlich, das Metallteil während des Transfers zwischen den beiden Anlagen auf eine erhöhte Temperatur bzw. auf die erste Temperatur zu halten. Vielmehr kann es aus Handlingsgründen erwünscht bzw. vorteilhaft sein, das Metallteil nach der ersten Aufstickungsphase zum Transfer in eine zweite Anlage herabzukühlen. Daher ist es für diesen Fall vorgesehen, dass das Durchführen der wenigstens einen Aufstickungsphase und der wenigstens einen Aufkohlungsphase in unterschiedlichen Anlagen durchgeführt wird, und dass das Metallteil vor dem Durchführen der wenigstens einen Aufkohlungsphase herabgekühlt wird, beispielsweise auf eine Umgebungstemperatur.The nitriding and carburizing phases can basically be carried out in different plants. In this case, it is not necessary to keep the metal part at an elevated temperature or at the first temperature during the transfer between the two systems. Rather, for handling reasons, it may be desirable or advantageous to cool the metal part down after the first embroidery phase for transfer to a second system. It is therefore provided in this case that the at least one nitriding phase and the at least one carburizing phase are carried out in different plants and that the metal part is cooled down, for example to an ambient temperature, before the at least one carburizing phase is carried out.
Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, aus Gründen einer möglichst effektiven Fertigung und dem Vermeiden von zusätzlichen Handlingsvorgängen das Durchführen der wenigstens einen Aufstickungsphase und der wenigstens einen Aufkohlungsphase in einer einzigen Anlage durchzuführen, wobei das Metallteil zum Durchführen der wenigstens einen Aufkohlungsphase von der ersten Temperatur nach der wenigstens einen Aufstickungsphase ohne Temperaturreduzierung auf die zweite Temperatur zum Durchführen der wenigstens einen Aufkohlungsphase aufgeheizt wird.Alternatively, it is of course also possible to carry out the at least one nitriding phase and the at least one carburizing phase in a single installation for the most effective production and to avoid additional handling processes, the metal part for carrying out the at least one carburizing phase from the first temperature the at least one nitriding phase is heated to the second temperature without reducing the temperature in order to carry out the at least one carburizing phase.
Wie eingangs bereits erläutert, ist es wesentlich, dass die erste Aufstickungsphase bei einer Temperatur durchgeführt wird, die unterhalb der Austenitisierungstemperatur des Metallteils liegt. Vor diesem Hintergrund hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn als Metallteil ein Stahlteil verwendet wird, und wenn die erste Temperatur zwischen 550° C und 600° C, vorzugsweise 580° C und die zweite Temperatur mehr als 800° C, vorzugsweise 850° C beträgt.As already explained at the beginning, it is essential that the first nitriding phase is carried out at a temperature which is below the austenitizing temperature of the metal part. Against this background, it has proven to be advantageous if a steel part is used as the metal part, and if the first temperature is between 550 ° C. and 600 ° C., preferably 580 ° C. and the second temperature is more than 800 ° C., preferably 850 ° C. is.
Bezüglich der Voroxidation in einem der ersten Aufstickungsphase vorangehenden Prozessschritt haben sich (dritte) Temperaturen als vorteilhaft erwiesen, die weniger als 400° C betragen, vorzugsweise 380° C.With regard to the pre-oxidation in a process step preceding the first nitriding phase, (third) temperatures which are less than 400 ° C., preferably 380 ° C., have proven to be advantageous.
Bezüglich der Atmosphäre, unter der die wenigstens eine Aufkohlungsphase bei der zweiten Temperatur stattfindet, haben sich Prozessgase als vorteilhaft herausgestellt, die Acetylen als Kohlenstoffspendergas und Ammoniak für die wenigstens eine Aufstickungsphase aufweisen.With regard to the atmosphere in which the at least one carburization phase takes place at the second temperature, process gases which have acetylene as carbon donor gas and ammonia for the at least one nitrogenation phase have proven to be advantageous.
Die Erfindung betrifft auch ein Metallteil, das nach einem soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Wichtig für eine hohe Qualität des Metallteils ist es darüber hinaus, dass die Oberfläche des Metallteils nach Abschluss der wenigstens einen Aufstickungsphase porenfrei ausgebildet ist.The invention also relates to a metal part which is produced by a method according to the invention described so far. It is also important for a high quality of the metal part that the surface of the metal part is designed to be non-porous after the at least one nitriding phase has ended.
Besonders vorteilhaft findet das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung bei Stählen, deren Kohlenstoffgehalt mehr als 0,4 % Masseprozentpunkte beträgt.The method according to the invention is particularly advantageously used in steels whose carbon content is more than 0.4% by weight.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.Further advantages, features and details of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments and from the drawing.
FigurenlisteFigure list
- Die einzige Figur zeigt ein Diagramm des Temperaturgangs über der Behandlungszeit zur schematischen Veranschaulichung von unterschiedlichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren.The single figure shows a diagram of the temperature response over the treatment time for the schematic illustration of different embodiments of the method according to the invention.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In der einzigen Figur ist der Temperaturverlauf T über der Zeit t während der Behandlung eines (nicht dargestellten) Metallteils in Form eines Stahlteils schematisch dargestellt.In the single figure, the temperature profile T is shown schematically over time t during the treatment of a metal part (not shown) in the form of a steel part.
Dabei erkennt man, dass das Metallteil während eines Aufheizschrittes
Anschließend erfolgt ein zweiter Aufheizschritt
Anschließend erfolgt für den Fall, dass die erste Aufstickungsphase
Nach dem Anlagenwechsel wird das Metallteil wiederum beispielsweise von der Umgebungstemperatur in einem dritten Aufheizschritt
Nach einer anschließenden Diffusionsphase
Alternativ zu dem soweit beschriebenen Verfahren kann es vorgesehen sein, dass das Austenitisieren des Metallteils, d.h. die Behandlung des Metallteils während der zweiten Behandlungstemperatur
Das soweit beschriebene Verfahren kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.The method described so far can be modified or modified in a variety of ways without deviating from the inventive concept.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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