DE102019106611A1

DE102019106611A1 - Verfahren zur Herstellung von Kettenbolzen mit einer Chromaluminiumnitrid-Beschichtung und/oder einer Titanaluminiumnitrid-Beschichtung

Info

Publication number: DE102019106611A1
Application number: DE102019106611.5A
Authority: DE
Inventors: Lucian Botez; Christian Poiret; Nicolas Pierret; Monir Asgar Pour Khezer Abad
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2020-09-17
Also published as: WO2020187353A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kettenbolzen (9) mit einer Chromaluminiumnitrid-Beschichtung und/oder einer Titanaluminiumnitrid-Beschichtung, wobei in einem Bereitstellungsschritt (1) Kettenbolzen (9) bereitgestellt werden; in einem Nitrierschritt (2) Stickstoff aus einer stickstoffhaltigen Gasphase in eine Oberfläche der Kettenbolzen (9) einbracht wird; die Kettenbolzen (9) in einem Abscheidungsschritt (3) mit einem aluminiumhaltigen Pulver und mit pulverförmigem Ferrochrom und/oder pulverförmigen Ferrotitan in Kontakt gebracht werden und in einem, durch mindestens ein Halogenid aktivierten thermoreaktiven Abscheidungsprozess mit einer chromaluminiumnitridhaltigen Randschicht und/oder einer titanaluminiumnitridhaltigen Randschicht versehen werden; und die beschichteten Kettenbolzen (9) in einem Vergütungsschritt (4) abgeschreckt und angelassen werden. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kettenbolzen (9), insbesondere für eine Hülsenkette, Rollenkette oder Zahnkette (5), aufweisend eine Chromaluminiumnitrid-Beschichtung und/oder eine Titanaluminiumnitrid-Beschichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kettenbolzen mit einer Chromaluminiumnitrid-Beschichtung und/oder einer Titanaluminiumnitrid-Beschichtung. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kettenbolzen, insbesondere für eine Hülsenkette, Rollenkette oder Zahnkette, aufweisend eine Chromaluminiumnitrid-Beschichtung und/oder eine Titanaluminiumnitrid-Beschichtung.
Verschleißvermindernde Behandlungen für tribologisch beanspruchte Oberflächen sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Ein Anwendungsgebiet von erheblicher technologischer Bedeutung ist hierbei der Verschleißschutz von Kettenelementen, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugmotoren. Die hohe dynamische Beanspruchung der an der Kraftübertragung beteiligten Teile erfordert extrem belastbare Oberflächen von hoher Härte und Langlebigkeit. Durch die zunehmende Verwendung von Schmierstoffen mit relativ geringer Viskosität und durch den Trend zu längeren Wartungsintervallen hin, insbesondere in Bezug auf Ölwechsel, entstehen erhöhte Anforderungen an das Verschleißverhalten der Kettenelemente. Eine zusätzliche technische Herausforderung kann in einigen Anwendungsfällen wie insbesondere bei Dieselmotoren darin bestehen, dass der Schmierstoff zwischen den beweglichen Teilen durch Treibstoff, Verbrennungsprodukte oder durch Rußpartikel kontaminiert wird und dadurch stark verschärfte Verschleißbedingungen geschaffen werden.
Eine vielfach eingesetzte Oberflächenmodifikation mit guten mechanischen und tribologischen Eigenschaften sind Beschichtungen aus Chromnitrid (CrN) oder Titannitrid (TiN). Dabei wird, üblicherweise mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition, kurz PVD) wie beispielsweise durch Sputtern oder LichtbogenVerdampfen eine dünne Schicht Chromnitrid oder Titannitrid auf das Werkstück aufgebracht, die eine Oberfläche mit hoher Härte und ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit bildet. Durch Zugabe weiterer Elemente wie Vanadium, Niob, Silizium oder insbesondere Aluminium lassen sich ternäre Materialsysteme erzeugen, mit denen sich Randschichten mit weiteren vorteilhaften Eigenschaften wie beispielsweise einer Verbesserung der Härte und der Oxidationsbeständigkeit bilden lassen.
Neben der physikalischen Gasphasenabscheidung werden außerdem verschiedene Formen der chemischen Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD) oder thermochemische Behandlungsmethoden verwendet. Eine solches thermochemisches Verfahren ist insbesondere die thermoreaktive Abscheidung (thermo-reactive deposition, TRD), die vornehmlich zur Beschichtung von Werkzeugen eingesetzt wird.
In diesem Zusammenhang sind beispielsweise aus der Druckschrift US 7490715 B2 verschiedene, mit PVD erzeugte Beschichtungen für stählerne Kettenelemente bekannt, mit denen sich beispielsweise Randschichten aus Chromnitrid und Titanaluminiumnitrid bilden lassen. In der Druckschrift US 9353829 B2 wird eine Beschichtung von Kettenelementen mit Vanadium-Carbonitrid (VCN) beschrieben und die Druckschrift US 9903441 B2 behandelt Kettenelemente mit einer Chromnitrid-Beschichtung, die mit einem TRD-Verfahren erzeugt wird. Weiterhin behandeln die Veröffentlichungen in Acta Physica Polonica A, Vol. 123(2), pp. 271-273 (2013) („The Properties of CrAlN Based Coatings Formed on AISI D2 Steel by Thermo-Reactive Diffusion Technique") und Acta Physica Polonica A, Vol. 125(2), pp. 362-364 (2014) („Wear Behavior of TiAIN and CrAIN Coatings Deposited by TRD Process on AISI D2 Steel") TRD-Verfahren zur Beschichtung von Prüfstücken aus Werkzeugstahl mit Chromaluminiumnitrid (CrAIN) und Titanaluminiumnitrid (TiAIN).
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine Oberflächenbehandlung für Kettenbolzen zur Verfügung zu stellen, durch die sich die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit und das Reibungsverhalten beim Betrieb der Kette verbessern lassen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Kettenbolzen mit einer Chromaluminiumnitrid-Beschichtung und/oder einer Titanaluminiumnitrid-Beschichtung, wobei

-- in einem Bereitstellungsschritt Kettenbolzen bereitgestellt werden;
-- in einem Nitrierschritt Stickstoff aus einer stickstoffhaltigen Gasphase in eine Oberfläche der Kettenbolzen einbracht wird;
-- die Kettenbolzen in einem Abscheidungsschritt mit einem aluminiumhaltigen Pulver und mit pulverförmigem Ferrochrom und/oder pulverförmigem Ferrotitan in Kontakt gebracht werden und in einem, durch mindestens ein Halogenid aktivierten thermoreaktiven Abscheidungsprozess mit einer chromaluminiumnitridhaltigen Randschicht und/oder einer titanaluminiumnitridhaltigen Randschicht versehen werden; und
-- die beschichteten Kettenbolzen in einem Vergütungsschritt abgeschreckt und angelassen werden.

Es hat sich herausgestellt, dass sich durch die erfindungsgemäße Kombination einer Stickstoffbehandlung, einer thermoreaktiven Abscheidung und einer anschließenden Härtung Chromaluminiumnitrid- und/oder Titanaluminiumnitrid-beschichtete Kettenbolzen erzeugen lassen, die aufgrund ihrer optimalen tribologischen Eigenschaften in besonderer Weise für die Verwendung in einer Kette, beispielsweise einer Hülsen- oder Rollenkette oder einer Zahnkette geeignet sind. Neben den ausgezeichneten Eigenschaften bezüglich Verschleiß, Reibung und Korrosion zeichnet sich ein, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Kettenbolzen zusätzlich durch eine Härte aus, die in optimaler Weise auf den Einsatz als Teil einer Kette ausgerichtet ist. Zum einen ist es in diesem Zusammenhang äußerst erstrebenswert, dass der Kettenbolzen eine deutlich höhere Härte aufweist als die Kettenelemente, wie beispielsweise Kettenhülsen oder Kettenlaschen, mit denen der Kettenbolzen beim Betreib in tribologischem Kontakt steht. In Kombination mit der hohen Korrosionsbeständigkeit führt die, mit dem erfinderischen Verfahren erzielte Härte außerdem dazu, dass sich beim Betrieb ein relativ glattes Verschleißbild ergibt und sich die verschleißbedingten Veränderungen der Bolzenoberfläche nur langsam entwickeln. Ein glattes Verschleißmuster des Kettenbolzens führt dazu, dass die Oberflächen der weicheren Komponenten, wie Hülse oder Lasche, beim tribologischen Kontakt mit dem Bolzen ebenfalls in langsamer und relativ glatter Weise abgetragen bzw. verändert werden, so dass sich die Lebensdauer der beteiligten Komponenten vorteilhafterweise deutlich erhöht.
Die erfindungsgemäße Chromaluminiumnitrid-Beschichtung und/oder Titanaluminiumnitrid-Beschichtung zeichnet sich durch hervorragende mechanische und tribologische Eigenschaften und eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aus. Im Falle der Titanaluminiumnitrid-Beschichtung ergibt sich darüber hinaus eine besonders hohe thermische Stabilität und Beständigkeit gegenüber chemischen Einflüssen.
Als Ausgangsmaterial für die Herstellung der beschichteten Kettenbolzen dienen Stahlbolzen, insbesondere aus einem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, insbesondere mit einem Massenanteil von 0,25 % bis 0,65 %, wie beispielsweise C60E oder Bolzen aus Nitrierstahl wie beispielsweise 34CrAIMo5, 39CrMoV13-9, 31CrMoV9 oder 34CrAINi7-10. Stähle mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt, wie beispielsweise C10 sind dagegen weniger geeignet, da sich mit einem solchen Stahl nur eine relativ geringe Kernhärte erzielen lässt.
Durch das Nitrieren (auch Nitridieren oder Aufsticken) wird zunächst Stickstoff in die Oberfläche der Kettenbolzen eingebracht, das mit dem, im nachfolgenden Abscheidungsschritt eingebrachten Chrom und/oder Titan und dem ebenfalls eingebrachten Aluminium reagiert und die chromaluminiumnitridhaltige Randschicht und/oder die titanaluminiumnitridhaltige Randschicht bildet. Alternativ ist auch denkbar, dass zur Bildung der chromaluminiumnitridhaltigen Randschicht und/oder titanaluminiumnitridhaltigen Randschicht zunächst der Abscheidungsschritt durchgeführt wird und der Stickstoff in einem nachfolgenden Nitrierschritt in die Oberfläche der Kettenbolzen eingebracht wird, wo er mit den Nitridbildnern zu Nitriden reagiert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Kettenbolzen zum Einbringen des Stickstoffs während des Nitrierschritts in einer stickstoffhaltigen, insbesondere einer ammoniakhaltigen Atmosphäre erhitzt. Vorzugsweise weist die Atmosphäre neben Ammoniak (NH₃) einen zusätzlichen Anteil aus elementarem Stickstoff (N₂) auf oder besteht aus einer Mischung aus Ammoniak und elementarem Stickstoff. Unter der erhöhten Temperatur dissoziiert Ammoniak an der Metalloberfläche zu Wasserstoff und Stickstoff. Der Stickstoff diffundiert anschließend in die Stahloberfläche und bildet eine stickstoffhaltige Randschicht aus. An der Oberfläche der Kettenbolzen kann dabei eine Verbindungsschicht gebildet werden, die eine Mischung von Eisennitriden, vornehmlich von Fe₃N und Fe₄N (ε- und γ'-Phase) aufweist. Unmittelbar unter der Verbindungsschicht befindet sich eine Diffusionszone, innerhalb derer die eindiffundierten Stickstoffatome in die Metallmatrix eingelagert sind. Alternativ lässt sich eine Diffusionszone auch ohne eine darüber liegende Verbindungsschicht herstellen. Vorzugsweise beträgt die Diffusionszonentiefe mindestens 100 µm, besonders bevorzugt 200 µm. Die Breite der Randschicht und ihre Stickstoffkonzentration lassen sich vorteilhafterweise durch eine geeignete Wahl der Temperatur, Nitrierdauer und des Drucks bzw. Stickstoffgehalts der stickstoffhaltigen Atmosphäre einrichten. Da es sich bei der Diffusion des Stickstoffs im Stahl um einen thermisch aktivierten Prozess handelt, wird die Diffusionsrate des Stickstoffs durch die Temperatur des Werkstücks bestimmt. Durch Einstellen einer geeigneten Temperatur lässt sich daher die Geschwindigkeit regeln, mit der die Stickstoff-Atome in den Stahl hineinwandern. Zusammen mit einer geeignet gewählten Einwirkdauer lässt sich so auch die Eindringtiefe des Stickstoffs und damit die Breite und Stickstoffkonzentration der resultierenden stickstoffhaltigen Randschicht beeinflussen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wirkt die stickstoffhaltige Gasatmosphäre für mehrere Stunden, beispielsweise eine, zwei, drei, vier oder fünf Stunden auf die Oberfläche des Stahlwerkstücks ein. Die Temperatur kann dabei mindestens 500 °C, beispielsweise 500 °C, 600 °C, 700 °C, 800 °C oder 900 °C betragen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wirkt die ammoniakhaltige Atmosphäre bei einer Temperatur von 500 °C bis 600 °C, insbesondere 550 °C bis 570 °C, für mindestens 5 Stunden auf die Oberfläche ein.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung wird der Stickstoff mittels Plasmanitrieren eingebracht. Dabei wird ein Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch zwischen zwei Elektroden durch eine Gasentladung ionisiert und der Stickstoff in ionisierter Form in die Stahloberfläche eingebracht. Aufgrund der hohen Energie der Ionen kann dieser Prozess vorteilhafterweise auch bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden.
Für die thermoreaktive Abscheidung werden die, durch den Nitrierschritt mit Stickstoff versehenen Kettenbolzen in Kontakt mit ein chrom- und/oder titanhaltiges Medium gebracht und erhitzt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das chrom- und/oder titanhaltige Medium durch pulverförmiges Ferrochrom und/oder pulverförmiges Ferrotitan gebildet. Bei den Elementen Chrom und Titan handelt es sich um Nitridbildner, die im Abscheidungsschritt durch die thermische Anregung in die Oberfläche der Kettenbolzen diffundieren und mit dem Stickstoff zu Nitriden reagieren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Pulver verwendet, das neben Ferrochrom und/oder Ferrotitan zusätzlich einen aluminiumhaltigen Pulveranteil aufweist. Bei Aluminium handelt es sich ebenfalls um einen Nitridbildner, der mit dem Stickstoff in den Kettenbolzen reagiert und im Zusammenspiel mit den Chrom- bzw. Titannitriden und den ebenfalls vorhandenen Eisennitriden eine zusätzliche Verbesserung der Oberflächenhärte, der Verschleißbeständigkeit und der Reibungseigenschaften bewirkt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Kettenbolzen zusammen mit dem aluminiumhaltigen Pulver, dem pulverförmigem Ferrochrom und/oder dem pulverförmigen Ferrotitan mit einem definierten Druck- und Temperaturprofil erhitzt, bis die Temperatur die gewünschte Behandlungstemperatur erreicht hat. Die Behandlungstemperatur beträgt dabei vorzugsweise 800 °C bis 1200 °C, besonders bevorzugt 900 °C bis 1100 °C, ganz besonders bevorzugt 950 °C bis 1050 °C. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Behandlungsdauer mindestens 2 Stunden bei einer Behandlungstemperatur von 950 °C bis 1050 °C.
Zur Aktivierung der thermoreaktiven Abscheidung weist das Pulver darüber hinaus ein oder mehrere Halogenide als Aktivatorsubstanz auf. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Halogenid um ein salzartiges Halogenid, besonders bevorzugt um Ammoniumchlorid (NH₄Cl), wobei jedoch auch Natriumfluorid (NaF), Magnesiumfluorid (MgF₂) oder Kupferfluorid (CuF₂) oder gasförmige Halogenide wie Chlorwasserstoff (HCl) denkbar sind. Beim Erhitzen reagiert der Aktivator mit dem Chrom bzw. Titan aus dem Ferrochrom- bzw. Ferrotitanpulver zu flüchtigen Chrom- bzw. Titanhalogeniden, die an der Oberfläche der Kettenbolzen Chrom bzw. Titan an das Material abgeben.
Bei der Bildung der Randschicht bilden sich zunächst durch die unmittelbar einsetzenden chemischen Reaktionen mit dem Stickstoff Nitridbereiche an der Oberfläche, die anschließend zu einer geschlossenen Randschicht anwachsen, deren Dicke im weiteren Verlauf zunimmt. Die Reaktionen im Inneren der Kettenbolzen werden dadurch aufrechterhalten, dass weitere Chrom- und/oder Titanpartikel ins Innere nachdiffundieren und sich mit dem dort vorhandenen Stickstoff verbinden. Die treibende Kraft für die Reaktionen ist die hohe chemische Affinität zwischen dem, im Nitrierschritt eingebrachten Stickstoff und den Nitridbildnern Aluminium und Chrom bzw. Titan. Ähnlich wie bei der Stickstoffdiffusion im Nitrierschritt, bestimmt auch hier die Temperatur und Einwirkdauer, wie rasch und wie weit die Nitridbildner ins Innere diffundieren, so dass die, sich daraus ergebende Schichtdicke im Wesentlichen eine Funktion der Einwirkzeit, der Temperatur und der Menge bzw. Konzentration der zur Verfügung stehenden Ausgangsmaterialien (Nitridbildner und Halogenide) ist.
Im nachfolgenden Vergütungsschritt werden die beschichteten Kettenbolzen vorzugsweise durch Abschrecken gehärtet und anschließend angelassen. Durch die Vergütung lässt sich das Materialgefüge der Kettenbolzen zusätzlich beeinflussen und insbesondere die Härte und Festigkeit gezielt einstellen. Dieser Schritt ist in Bezug auf die angezielten tribologischen Eigenschaften der Kettenbolzen essenziell, da hierdurch nicht nur die Oberflächenhärte der Randschicht beeinflusst wird, sondern auch die Kernhärte, bzw. Zähigkeit der Kettenbolzen in vorteilhafter Weise erhöht wird. Vorzugsweise erfolgt das Austenitisieren bei einer Temperatur von 900 °C und die Haltezeit beträgt vorzugsweise etwa 45 Minuten. Das Abschrecken erfolgt vorzugsweise durch Eintauchen in eine Flüssigkeit, insbesondere durch Eintauchen in Öl. Die Temperatur und Dauer des Anlassvorgangs Anlassen orientieren sich an der gewünschten Kernhärte. Beispielsweise können die beschichteten Kettenbolzen bei einer Temperatur von 170 °C über eine Haltezeit von 3 Stunden angelassen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Kettenbolzen während des Abscheidungsschritts in einer inerten argonhaltigen Atmosphäre erhitzt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das aluminiumhaltige Pulver Aluminiumpulver und/oder Aluminiumoxidpulver auf. Aluminiumoxid (Al₂O₃) dient dabei als relativ inertes Füllmaterial. Das aluminiumhaltige Pulver kann auch in Form einer pulverförmigen Aluminiumverbindung vorliegen. Vorzugsweise weist die Pulvermischung aus pulverförmigem Ferrochrom und/oder pulverförmigen Ferrotitan und aluminiumhaltigem Pulver und/oder Aluminiumoxidpulver Aluminium mit einem Massenanteil von 1 % bis 10 % auf. Durch die argonhaltige Atmosphäre werden Oxidationsprozesse unterdrückt, so dass die Nitridbildner Aluminium und Chrom und/oder Titan möglichst vollständig für die thermoreaktive Abscheidung zur Verfügung stehen. Die Kettenbolzen werden vorzugsweise in die Mischung aus pulverförmigem Ferrochrom und/oder pulverförmigen Ferrotitan und aluminiumhaltigen Pulver eingebettet und besonders bevorzugt auf eine Behandlungstemperatur von 950 °C bis 1050 °C erhitzt. Die Behandlungsdauer beträgt vorzugsweise mindestens 2 Stunden und orientiert sich an der vorgesehenen Dicke der Randschicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind während des Abscheidungsschritts eine Behandlungstemperatur und eine Behandlungsdauer derart eingerichtet, dass die Dicke der chromaluminiumnitridhaltigen Randschicht und/oder der titanaluminiumnitridhaltigen Randschicht mindestens 5 µm und höchstens 15 µm, vorzugsweise 10 µm beträgt. Die Dicke der Randschicht wird zum einen durch das im Nitrierschritt erzeugte Konzentrationsprofil des Stickstoffs, primär jedoch durch die Temperatur und die Behandlungsdauer im Abscheidungsschritt bestimmt. Wie weiter oben ausgeführt sind diese Größen im Wesentlichen eine Funktion der jeweiligen Temperatur und Einwirkdauer und hängen zusätzlich von der Konzentration der Ausgangsmaterialien ab.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Temperaturführung während des Vergütungsschritts derart eingerichtet, dass die gehärteten Kettenbolzen eine chromaluminiumnitridhaltige Randschicht mit einer Härte von 1700 HV bis 2500 HV, vorzugsweise von 1900 HV bis 2300 HV, besonders bevorzugt von 2000 HV bis 2200 HV aufweisen oder eine titanaluminiumnitridhaltige Randschicht mit einer Härte von 1800 HV bis 2600 HV, vorzugsweise von 2000 HV bis 2400 HV, besonders bevorzugt von 2100 HV bis 2300 HV aufweisen. Unter diesen und den folgenden Härteangaben ist immer eine Vickershärte HV 0,01 zu verstehen (siehe dazu DIN EN ISO 6507-1:2018 bis -4:2018). Die Härte lässt sich gezielter Weise durch die Temperaturführung im Vergütungsschritt beeinflussen. Für den Einsatz als Teil einer Kette ist es in hohem Maße erstrebenswert, dass die Kettenbolzen eine Härte aufweisen, die näherungsweise dreimal höher ist als die Kettenelemente mit denen der Kettenbolzen beim Betreib in tribologischem Kontakt steht. So wird beispielsweise eine Kettenhülse bei der Herstellung üblicherweise durch Nitrocarburieren auf eine Härte von ungefähr 760 HV gehärtet, so dass die oben angegebenen Härtebereiche für die Kettenbolzen das Kriterium einer dreimal höheren Härte in vorteilhafter Weise erfüllen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem Bereitstellungsschritt ein gezogener Draht zur Bildung von Rohlingen zugeschnitten und die dadurch erzeugten Rohlinge werden an den Enden abgerundet. Vorzugsweise erfolgt die Abrundung der Enden durch Gleitschleifen, wobei eine Mehrzahl von Rohlingen, vorzugsweise zusammen mit einem Schleifmittel oder Schleifkörpern in einem oszillierenden oder rotierenden Behälter bewegt wird und ein abrundender Materialabtrag erfolgt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Rohlinge zur Bildung von Kettenbolzen durch Schleifen auf den gewünschten Durchmesser und die gewünschte Oberflächengüte, vorzugsweise mit einem Mittenrauwert von höchstens 0,4 µm, besonders bevorzugt von höchstens 0,2 µm und ganz besonders bevorzugt von 0,1 µm geschliffen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die auf den gewünschten Durchmesser und die gewünschte Oberflächengüte geschliffenen Kettenbolzen der Größe nach in Gruppen sortiert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Kettenbolzen nach dem Vergütungsschritt durch Gleitschleifen auf eine gemittelte Rautiefe von höchstens 1 µm, vorzugsweise höchstens 0,6 µm und besonders bevorzugt 0,4 µm geschliffen. Auf diese Weise lässt sich ein, für den Einsatz unter tribologische Belastung ein besonders günstiges Reibungs- und Verschleißverhalten erreichen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird weiterhin durch einen Kettenbolzen, insbesondere für eine Hülsenkette, Rollenkette oder Zahnkette gelöst, aufweisend eine Chromaluminiumnitrid-Beschichtung und/oder eine Titanaluminiumnitrid-Beschichtung, der mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

1 die Schritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung;
2 eine Kette mit einem, mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschichteter Kettenbolzens in einer schematischen Darstellung;

In 1 sind die Prozessschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Zu Beginn des Verfahrens werden die Kettenbolzen 9 in einen Bereitstellungsschritt 1 bereitgestellt. Dazu kann beispielsweise das Ausgangsmaterial in Form eines gezogenen Drahts aus Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt oder aus Nitrierstahl zunächst zugeschnitten werden und die dadurch gebildeten Rohlinge durch Gleitschleifen an den Enden abgerundet werden. Anschließend werden die Rohlinge auf den gewünschten Durchmesser und die gewünschte Oberflächengüte mit einem Mittenrauwert von 0,1 µm (Ra0,1) geschliffen und die so gebildeten Kettenbolzen 9 der Größe nach in Gruppen eingeteilt.
Im Nitrierschritt 2 werden die Kettenbolzen 9 in einem Chargenprozess (Batch-Prozess) durch Gasnitrieren bei einer Temperatur von 550 °C bis 570 °C mit Stickstoff versehen. Die dabei gebildete stickstoffhaltige Randschicht hat vorzugsweise eine Dicke von 5 µm bis 15 µm und bildet das Ausgangsmaterial für den anschließenden Abscheidungsprozess.
Anschließend werden die Kettenbolzen 9 in einem Abscheidungsschritt 3 einem Halogenidaktivierten thermoreaktiven Abscheidungsprozess unterzogen, bei dem die Kettenbolzen 9 in eine Pulvermischung eingebettet werden, die Anteile von Ammoniumchlorid, Aluminium und Ferrochrom und/oder Ferrotitan aufweist. Als Füllmaterial kann das Pulver zusätzlich Aluminiumoxid enthalten. Der Abscheidungsschritt 3 wird in einer inerten Argonatmosphäre durchgeführt, wobei die Kettenbolzen mit einem definierten Druck- und Temperaturprofil auf eine Behandlungstemperatur von 1000 °C ± 50 °C gebracht werden, bei der die für die Bildung der Randschicht notwendigen Diffusions- und Reaktionsprozesse stattfinden können. Die Nitridbildner Aluminium und Chrom bzw. Titan werden unter der Einwirkung der Aktivatorsubstanz Ammoniumchlorid aus dem Pulver freigesetzt und wandern in die Oberfläche der Kettenbolzen 9, wo sie mit dem im Nitrierschritt 2 eingebrachten Stickstoff zu Nitriden reagieren und eine chromaluminiumnitridhaltigen und/oder titanaluminiumnitridhaltigen Randschicht ausbilden. Die Prozessdauer richtet sich nach der gewünschten Dicke der Randschicht und beträgt mindestens 2 Stunden und höchstens 8 Stunden.
Bei dem abgebildeten Ausführungsbeispiel wird der Nitrierschritt 2 vor dem Abscheidungsschritt 3 durchgeführt. Alternativ ist es auch möglich, den Nitrierschritt 2 nach dem Abscheidungsschritt 3 durchzuführen.
Im anschließenden Vergütungsschritt 4 werden die Kettenbolzen 9 abgeschreckt und angelassen, um die für den Einsatz gewünschten Eigenschaften, insbesondere die für die betriebsbedingte Belastung erforderliche Kernhärte zu erzielen. Im Anschluss können die Kettenbolzen durch Gleitschleifen auf eine gemittelte Rautiefe von höchstens 1 µm (Rz1), vorzugsweise 0,4 µm (Rz0,4) geschliffen werden, um unter tribologische Belastung ein besonders günstiges Reibungs- und Verschleißverhalten zu erreichen.
In der 2 ist eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung einer Gliederkette 5 mit erfindungsgemäßen Kettenbolzen 9. Die Gliederkette 5 kann als Teil eines Kettentriebs, beispielsweise für die Kraftübertragung innerhalb eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden. Die Kette 5 weist eine Vielzahl an Kettengliedern 6, 7 auf, die über Kettenbolzen 9 schwenkbar miteinander verbunden sind. Hierzu weisen die Kettenglieder 6, 7 mindestens eine, bevorzugt zwei, Ausnehmungen 10 auf, durch die jeweils ein Kettenbolzen 9 geführt ist.
Die Kette 5 umfasst Innenkettenglieder 7, in deren Ausnehmungen 10 eine Hülse 8 angeordnet ist, beispielsweise mittels Presspassung. Der Kettenbolzen 9 ist innerhalb der Hülse 8 angeordnet und bildet mit der Hülse 8 des Innenkettenglieds 7 eine erste Reibpaarung. Der Kettenbolzen 9 ist jeweils auch innerhalb der Ausnehmung 10 eines Außenkettenglieds 6 angeordnet und bildet mit der Innenkontur dieser Ausnehmung 10 eine zweite Reibpaarung.
Um den Verschleiß der ersten und zweiten Reibpaarung zu verringern, ist der Kettenbolzen 9 der Gliederkette 5 mit einer Randschicht versehen, die mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildet wurde.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren handelt es sich um eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Kettenbolzen 9 mit einer Chromaluminiumnitrid-Beschichtung und/oder einer Titanaluminiumnitrid-Beschichtung, wobei in einem Bereitstellungsschritt 1 Kettenbolzen 9 bereitgestellt werden; in einem Nitrierschritt 2 Stickstoff aus einer stickstoffhaltigen Gasphase in eine Oberfläche der Kettenbolzen 9 einbracht wird; die Kettenbolzen 9 in einem Abscheidungsschritt 3 mit einem aluminiumhaltigen Pulver und mit pulverförmigem Ferrochrom und/oder pulverförmigen Ferrotitan in Kontakt gebracht werden und in einem, durch mindestens ein Halogenid aktivierten thermoreaktiven Abscheidungsprozess mit einer chromaluminiumnitridhaltigen Randschicht und/oder einer titanaluminiumnitridhaltigen Randschicht versehen werden; und die beschichteten Kettenbolzen 9 in einem Vergütungsschritt 4 abgeschreckt und angelassen werden.
Die vorstehend beschriebene Ketten 5 enthalten insbesondere einen Kettenbolzen 9, aufweisend eine Chromaluminiumnitrid-Beschichtung und/oder eine Titanaluminiumnitrid-Beschichtung, der mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde
Bezugszeichenliste

1: Bereitstellungsschritt
2: Nitrierschritt
3: Abscheidungsschritt
4: Vergütungsschritt
5: Kette
6: Außenkettenglied
7: Innenkettenglied
8: Kettenhülse
9: Kettenbolzen
10: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7490715 B2 [0005]
US 9353829 B2 [0005]
US 9903441 B2 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Acta Physica Polonica A, Vol. 123(2), pp. 271-273 (2013) [0005]
(„The Properties of CrAlN Based Coatings Formed on AISI D2 Steel by Thermo-Reactive Diffusion Technique“) und Acta Physica Polonica A, Vol. 125(2), pp. 362-364 (2014) [0005]
(„Wear Behavior of TiAIN and CrAIN Coatings Deposited by TRD Process on AISI D2 Steel“) [0005]
DIN EN ISO 6507-1:2018 bis -4:2018 [0020]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Kettenbolzen (9) mit einer Chromaluminiumnitrid-Beschichtung und/oder einer Titanaluminiumnitrid-Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass -- in einem Bereitstellungsschritt (1) Kettenbolzen (9) bereitgestellt werden; -- in einem Nitrierschritt (2) Stickstoff aus einer stickstoffhaltigen Gasphase in eine Oberfläche der Kettenbolzen (9) einbracht wird; -- die Kettenbolzen (9) in einem Abscheidungsschritt (3) mit einem aluminiumhaltigen Pulver und mit pulverförmigem Ferrochrom und/oder pulverförmigen Ferrotitan in Kontakt gebracht werden und in einem, durch mindestens ein Halogenid aktivierten thermoreaktiven Abscheidungsprozess mit einer chromaluminiumnitridhaltigen Randschicht und/oder einer titanaluminiumnitridhaltigen Randschicht versehen werden; und -- die beschichteten Kettenbolzen (9) in einem Vergütungsschritt (4) abgeschreckt und angelassen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kettenbolzen (9) während des Abscheidungsschritts (3) in einer inerten argonhaltigen Atmosphäre erhitzt werden und/oder das aluminiumhaltige Pulver Aluminiumpulver und/oder Aluminiumoxidpulver aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abscheidungsschritts (3) eine Behandlungstemperatur und eine Behandlungsdauer derart eingerichtet sind, dass die Dicke der chromaluminiumnitridhaltigen Randschicht und/oder der titanaluminiumnitridhaltigen Randschicht mindestens 5 µm und höchstens 15 µm, vorzugsweise 10 µm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Behandlungstemperatur im Abscheidungsschritt (3) zwischen 950 °C und 1050 °C beträgt und/oder die Behandlungstemperatur über eine Behandlungsdauer von mindestens 2 Stunden und höchstens 8 Stunden aufrecht erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturführung während des Vergütungsschritts (4) derart eingerichtet wird, dass die gehärteten Kettenbolzen (9) eine chromaluminiumnitridhaltige Randschicht mit einer Härte von 1700 HV bis 2500 HV, vorzugsweise von 1900 HV bis 2300 HV, besonders bevorzugt von 2000 HV bis 2200 HV aufweisen oder eine titanaluminiumnitridhaltige Randschicht mit einer Härte von 1800 HV bis 2600 HV, vorzugsweise von 2000 HV bis 2400 HV, besonders bevorzugt von 2100 HV bis 2300 HV aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereitstellungsschritt (1) ein gezogener Draht zur Bildung von Rohlingen zugeschnitten wird und die dadurch erzeugten Rohlinge an den Enden abgerundet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohlinge zur Bildung von Kettenbolzen (9) durch Schleifen auf den gewünschten Durchmesser und die gewünschte Oberflächengüte, vorzugsweise mit einem Mittenrauwert von höchstens 0,4 µm, besonders bevorzugt von höchstens 0,2 µm und ganz besonders bevorzugt von 0,1 µm geschliffen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den gewünschten Durchmesser und die gewünschte Oberflächengüte geschliffenen Kettenbolzen (9) der Größe nach in Gruppen sortiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kettenbolzen (9) nach dem Vergütungsschritt durch Gleitschleifen auf eine gemittelte Rautiefe von höchstens 1 µm, vorzugsweise höchstens 0,6 µm und besonders bevorzugt 0,4 µm geschliffen werden.
Kettenbolzen (9), insbesondere für eine Hülsenkette, Rollenkette oder Zahnkette (5), aufweisend eine Chromaluminiumnitrid-Beschichtung und/oder eine Titanaluminiumnitrid-Beschichtung, der mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt wurde.