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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Randschichthärten von Bauteilen aus nichtrostenden Stählen.
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Stand der Technik
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Metalle und Metalllegierungen können durch Eindiffundieren von Kohlenstoff- oder Stickstoffatomen in die äußere Schicht durch sogenanntes Aufkohlen oder Aufsticken (Nitrieren) gehärtet werden. Dabei werden entsprechende Bauteile unter beschleunigenden Bedingungen einer Kohlenstoff- oder Stickstoffatmosphäre ausgesetzt. Beim Härten einiger Metalle und Metalllegierungen, wie insbesondere beim Härten von nichtrostenden Stählen, kann dabei durch das Härten die chemische Beständigkeit, insbesondere die Korrosionsbeständigkeit, verschlechtert werden.
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DE 10 2009 0021985 A1 beschreibt ein Verfahren zur Carbonitrierung eines Metallteils.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Randschichthärten von Bauteilen aus nichtrostendem Stahl, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- a) Aufheizen von zumindest einem Bauteil aus nichtrostendem Stahl in einem ein- oder mehrstufigen Schritt auf eine Austenitisierungstemperatur,
- b) Behandeln des Bauteils mit einem ersten Spendergas,
- c) Behandeln des Bauteils mit einem zweiten Spendergas,
- d) Gegebenenfalls Abschrecken des Bauteils mit einem Inertgas,
- e) Gegebenenfalls Tiefkühlen des Bauteils,
- f) Gegebenenfalls Anlassen des Bauteils,
wobei das erste oder das zweite Spendergas ein Kohlenstoffspendergas ist und wobei das Weitere des ersten und zweiten Spendergases molekularer Stickstoff ist, und wobei Verfahrensschritte b) und c) nacheinander durchgeführt werden.
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Ein derartiges Verfahren erlaubt insbesondere eine Randschichthärtung von Bauteilen aus nichtrostendem Stahl, wobei Oberflächenhärten von größer oder gleich 680 HV erreicht werden und wobei die Randschicht reduzierte, vorzugsweise im Wesentlichen keine, Chromausscheidungen aufweist. Dadurch kann erreicht werden, dass das Bauteil aus nichtrostendem Stahl eine weiterhin gute Korrosionsbeständigkeit aufweist und zudem eine gute Schweißeignung aufweist.
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Es wird somit ein Verfahren zum Randschichthärten von Bauteilen aus nichtrostenden Stählen vorgeschlagen.
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Ausgangspunkt der Erfindung sind verschiedene denkbare Verfahren zum Randschichthärten von Metallen und Metalllegierungen. Beim Gasaufkohlen bei einer maximalen Temperatur von 980 °C kann eine Bildung von chromhaltigen Ausscheidungen bei der Härtung chromhaltiger Legierungen nicht ausgeschlossen werden, weswegen die Korrosionsbeständigkeit von Stählen durch ein derartiges Härten reduziert werden kann. Auch beim Niederdruckaufkohlen mit Acetylen bei Behandlungstemperaturen bis 1050 °C oder einem Niederdruckcarbonitrieren mit Acetylen und Ammoniak bei maximal 950 °C kann eine Bildung chromhaltiger Ausscheidungen nicht ausgeschlossen werden. Zudem kann bei der Niederdruckcarbonitrierung mit Acetylen und Ammoniak die Wirksamkeit des Aufstickens wegen der Stickstoffeffusion problematisch sein. Beim Hochtemperatur-Nitrieren bei Temperaturen über 1050 °C kann wegen der Stickstoffeffusion nur eine geringe Stickstoffkonzentration (< 0,6 Gew.-%) in der Randschicht erreicht werden. Beim Hochtemperatur-Carbonitrieren bei bis zu 1200 °C mit Prozessgasen wie Methylamin, die Stickstoff und Kohlenstoff abgeben, wird jedoch die Bildung von Blausäure beobachtet, die auf Grund ihrer sehr hohen Toxizität sehr hohe Anforderungen an eine sichere Prozessführung stellt.
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Unter nichtrostenden Stählen sind im Sinne der vorliegenden Erfindung Stähle zu verstehen, die durch einen hohen Anteil von Chrom gegen Korrosion und Säure beständiger sind. Üblicherweise weisen nichtrostende Stähle einen Chromanteil von mehr als 10,5 Gew.-% auf, wobei das Chrom im austenitischen oder ferritischen Mischkristall gelöst ist. Stähle sind dabei Werkstoffe, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elementes, und deren Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner als 2 Gew.-% ist. Nichtrostende Stähle im Sinne der vorliegenden Erfindung können dabei noch weitere Legierungsbestandteile wie Nickel, Molybdän, Mangan, Niob, Vanadium, Wolfram, Titan und/oder Kupfer aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:
- a) Aufheizen von zumindest einem Bauteil aus nichtrostendem Stahl in einem ein- oder mehrstufigen Schritt auf eine Austenitisierungstemperatur,
- b) Behandeln des Bauteils mit einem ersten Spendergas,
- c) Behandeln des Bauteils mit einem zweiten Spendergas,
- d) Gegebenenfalls Abschrecken des Bauteils mit einem Inertgas,
- e) Gegebenenfalls Tiefkühlen des Bauteils,
- f) Gegebenenfalls Anlassen des Bauteils,
wobei das erste oder das zweite Spendergas ein Kohlenstoffspendergas ist und wobei das Weitere des ersten und zweiten Spendergases molekularer Stickstoff ist, und wobei Verfahrensschritte b) und c) nacheinander durchgeführt werden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Randschichthärtung von Bauteilen aus nichtrostenden Stählen erreicht werden, wobei Oberflächenhärten von größer oder gleich 680 HV erreicht werden können und wobei die Randschicht reduzierte, vorzugsweise im Wesentlichen keine, Chromausscheidungen aufweist.
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Dabei wird zunächst ein Bauteil aus nichtrostendem Stahl in einem Verfahrensschritt a) in einem ein- oder mehrstufigen Schritt auf eine Austenitisierungstemperatur aufgeheizt. Das Aufheizen kann dabei nach einem herkömmlichen, dem Fachmann bekannten Verfahren durchführbar sein. Beispielsweise kann das Bauteil in einer Kammer in einem Ofen auf die Austenitisierungstemperatur aufgeheizt werden. Unter der Austenitisierungstemperatur ist im Sinne der vorliegenden Erfindung der Temperaturbereich zu verstehen, in dem sich der nichtrostende Stahl in eine Austenitstruktur umwandelt. Austenitstruktur ist die Kubisch flächenzentrierte Struktur des Eisens und seiner Legierungen.
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Dadurch kann erreicht werden, dass der Stahl sich zumindest teilweise in eine Austenitstruktur umwandelt und Legierungsbestandeile des Stahls in der Austenitstruktur gelöst werden können.
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Anschließend wird das Bauteil in einem Verfahrensschritt b) mit einem ersten Spendergas behandelt. Dabei nimmt das Bauteil über seine Oberfläche chemische Elemente des ersten Spendergases in einer Randschicht auf. Die Behandlung kann dabei nach einem herkömmlichen Verfahren durchführbar sein. Beispielsweise kann das Bauteil in der Kammer mit einem Druck des ersten Spendergases in Kontakt gebracht werden.
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Nach Verfahrensschritt b) wird das Bauteil in einem Verfahrensschritt c) mit einem zweiten Spendergas behandelt. Dabei nimmt das Bauteil über seine Oberfläche chemische Elemente des zweiten Spendergases in einer Randschicht auf. Die Behandlung kann dabei nach einem herkömmlichen Verfahren durchführbar sein. Beispielsweise kann das Bauteil in der Kammer mit einem Druck des zweiten Spendergases in Kontakt gebracht werden.
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Das erste oder das zweite Spendergas ist dabei ein Kohlenstoffspendergas und das Weitere des ersten oder zweiten Spendergases ist molekularer Stickstoff. Beispielsweise ist das erste Spendergas ein Kohlenstoffspendergas und das zweite Spendergas ist molekularer Stickstoff. Alternativ ist das erste Spendergas molekularer Stickstoff und das zweite Spendergas ist ein Kohlenstoffspendergas.
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Dadurch kann erreicht werden, dass in einem der Schritte das Bauteil mit einem Kohlenstoffspendergas in Kontakt kommt, so dass in eine Randschicht des Bauteils Kohlenstoffatome eindiffundieren und in einem anderen Schritt das Bauteil mit einem Stickstoffspendergas in Kontakt kommt, so dass in die Randschicht Stickstoffatome eindiffundieren. Vorteilhafter Weise kann durch die Trennung in zwei verschiedene Behandlungsschritte erreicht werden, dass die verschiedenen Gase keine ungewollten Reaktionen miteinander eingehen. Beispielsweise kann die unterwünschte Reaktion zu Blausäure vermieden werden. Zudem kann dadurch erreicht werden, dass die Diffusionstiefe von Kohlenstoff und Stickstoff unabhängig voneinander durch Einstellung der Spendergasdrücke und der Behandlungszeit eingestellt werden können.
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Nach den Verfahrensschritten b) und c) wird das Bauteil gegebenenfalls in einem Verfahrensschritt d) mit einem mit einem Inertgas abgeschreckt. Unter einem Abschrecken des Bauteils wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein rasches Reduzieren der Temperatur des Bauteils verstanden. Das Abschrecken kann dabei nach einem herkömmlichen Verfahren mit einem Inertgas bei einem erhöhten Druck durchführbar sein. Ein Inertgas im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein reaktionsträges Gas, beispielsweise ein Edelgas wie Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon, aber auch molekularer Stickstoff oder Wasserstoff, sowie Mischungen davon. In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Abschrecken bei einem Druck in einem Bereich von größer oder gleich 4 bar bis kleiner oder gleich 20 bar durchgeführt wird. Darunter ist zu verstehen, dass das Bauteil einem Gesamtdruck in dem vorbeschriebenen Bereich ausgesetzt wird und dieser Druck im Wesentlichen durch ein Inertgas erzeugt wird. Beispielsweise kann das Bauteil in der Kammer mit einem Druck im vorbeschriebenen Bereich eines Inertgases rasch abgekühlt werden.
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Dadurch kann erreicht werden, dass die eindiffundierten Atome in dem Stahl gelöst verbleiben und sich nicht bei einer Phasenumwandlung der austenitischen Struktur durch Bildung thermodynamisch stabilerer, definierter Verbindungen abscheiden.
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Nach Verfahrensschritt d) wird das Bauteil gegebenenfalls in einem Verfahrensschritt e) tiefgekühlt. Unter Tiefkühlen wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Abkühlen zumindest unter 0 °C verstanden. Das Tiefkühlen kann dabei nach einem herkömmlichen Verfahren realisiert werden. Beispielsweise kann das Bauteil aus der Kammer in einen Tiefkühler gegeben werden, in dem es auf eine entsprechende Temperatur tiefgekühlt wird.
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Dadurch kann erreicht werden, dass ein möglichst großer Anteil der austenitischen Struktur des Bauteils wieder umgewandelt wird.
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Nach Verfahrensschritt e) wird das Bauteil gegebenenfalls in einem Verfahrensschritt f) angelassen. Unter Anlassen wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Erwärmen auf eine moderate Temperatur verstanden, wobei die Temperatur jedenfalls unterhalb der Austenitisierungstemperatur liegt. Das Anlassen kann dabei nach einem herkömmlichen Verfahren realisiert sein, beispielsweise durch Erwärmen des Bauteils in einem Ofen.
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Dadurch kann erreicht werden, dass Spannungen, die durch ein Abschrecken und Tiefkühlen des Bauteils im Bauteil entstehen können, reduziert werden.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Austenitisierungstemperatur eine Temperatur im Bereich von größer oder gleich 1020 °C bis kleiner oder gleich 1150 °C, vorzugsweise größer oder gleich 1095 °C bis kleiner oder gleich 1105 °C, beispielsweise 1100 °C ist.
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Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass der Stahl sich zumindest teilweise in eine Austenitstruktur umwandelt und Legierungsbestandeile des Stahls in der Austenitstruktur gelöst werden können. Zudem kann erreicht werden, dass die in den Verfahrensschritten b) oder c) verwendeten Spendergasen mit Legierungsmetallen des Stahls nur wenige unerwünschte Nebenreaktionen eingehen. Insbesondere kann dadurch vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die Randschicht eine reduzierte Menge, vorzugsweise im Wesentlichen keine, Chromausscheidungen aufweist.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Kohlenstoffspendergas ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Propan, Propen, Ethylen, Acetylen, Methan und Mischungen davon.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass Verfahrensschritt b) oder c) mit einem Kohlenstoffspendergas bei einem Druck in einem Bereich von größer oder gleich 1 mbar bis kleiner oder gleich 50 mbar für eine Dauer in einem Bereich von größer oder gleich 15 s bis kleiner oder gleich 1800 s, vorzugsweise von größer oder gleich 15 s bis kleiner oder gleich 300 s, durchgeführt wird.
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Durch den vorbeschriebenen Druckbereich kann vorteilhafter Weise erreicht werden, dass Kohlenstoff mit einer geeigneten Geschwindigkeit in die Randschicht eindiffundiert. Durch die Dauer des Verfahrensschrittes kann vorteilhafter Weise ein Konzentrationsgradient des Kohlenstoffes, orthogonal zur Oberfläche des Bauteils, in der Randschicht eingestellt werden.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass Verfahrensschritt b) oder c) mit einem Stickstoffspendergas bei einem Druck in einem Bereich von größer oder gleich 50 mbar bis kleiner oder gleich 6000 mbar für eine Dauer in einem Bereich von größer oder gleich 5 min bis kleiner oder gleich 600 min durchgeführt wird.
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Durch den vorbeschriebenen Druckbereich kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass Stickstoff mit einer geeigneten Geschwindigkeit in die Randschicht eindiffundiert. Durch die Dauer des Verfahrensschrittes kann in vorteilhafter Weise ein Konzentrationsgradient des Stickstoffes, orthogonal zur Oberfläche des Bauteils, in der Randschicht eingestellt werden.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Verfahrensschritte b) und c) mehrfach alternierend durchgeführt werden.
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Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die Verfahrensschritte b) und/oder c) jeweils kürzer sein können, wodurch beispielsweise ein Verkoken der Oberfläche des Bauteils verhindert werden kann.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass eine Kammer zum Durchführen der Verfahrensschritte b) und c) nach einem der Verfahrensschritte b) und c) jeweils mit einem Inertgas gespült wird und/oder evakuiert wird.
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Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass das erste Spendergas nicht mit dem zweiten Spendergas in Kontakt kommt. So kann beispielsweise vermieden werden, dass giftige Blausäure entsteht.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass Verfahrensschritt e) bei einer Temperatur im Bereich von größer oder gleich -196 °C bis kleiner oder gleich -20 °C, vorzugsweise von größer oder gleich -100 °C bis kleiner oder gleich -70 °C, durchgeführt wird.
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Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass das randgehärtete Bauteil nur einen geringen Anteil an austenitischen Phasen aufweist. In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass Verfahrensschritt f) bei einer Temperatur im Bereich von größer oder gleich 160 °C bis kleiner oder gleich 550 °C für eine Dauer im Bereich von größer oder gleich 30 min bis kleiner oder gleich 150 min durchgeführt wird.
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Dadurch kann erreicht werden, dass Spannungen, die durch ein Abschrecken und Tiefkühlen des Bauteils im Bauteil entstehen können, besonders gut reduziert werden.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Bauteil aus nichtrostendem Stahl, aufweisend eine gehärtete Randschicht, wobei die Randschicht dem erfindungsgemäßen Verfahren gehärtet wurde und eine Oberflächenhärte von größer oder gleich 680 HV aufweist, wobei die Randschicht im Wesentlichen keine Chromausscheidungen aufweist.
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Darunter ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die Randschicht nur so wenige Chromausscheidungen aufweist, dass die Korrosionsbeständigkeit nicht beeinträchtigt wird. Unter Chromausscheidungen sind im Sinne der Erfindung insbesondere Chromnitride und Chromcarbinde zu verstehen. Weiterhin kann der C- und N-Gehalt so eingestellt werden, dass eine gute Schweißeignung eingestellt wird.
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Dadurch kann erreicht werden, dass das Bauteil aus nichtrostendem Stahl eine gehärtete Randschicht aufweist, ohne in seiner chemischen Stabilität, insbesondere seiner Korrosionsbeständigkeit, im Vergleich zum nicht gehärteten Bauteil eingeschränkt zu sein. Die Oberflächenhärte kann beispielsweise mit einem üblichen Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenhärte nach DIN EN ISO 6507-1:2018 bis -4:2018 gemessen werden. Die Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentrationsprofile können auf übliche Weise beispielsweise mittels einer GDOS-Analyse (Glow Discharge Optical Spectroscopy) und einer Phasenanalayse mittels XRD (Röntgendiffraktion) an Schliffen von Querschnitten des Bauteils untersucht werden. Dabei kann auch geprüft werden, ob Chromausscheidungen gebildet wurden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Bauteil aus einem nichtrostenden Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt kleiner oder gleich 0,5 Gew.-% und einem Chromgehalt von größer oder gleich 12 Gew.-%. Beispielsweise ist das Bauteil aus einem nichtrostenden Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von kleiner gleich 0,05 Gew.-% und einem Chromgehalt in einem Bereich von größer gleich 16 Gew.-% bis kleiner gleich 18 Gew.-%. Beispielsweise ist das Bauteil aus einem nichtrostenden Stahl wie X3CrNb17.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die gehärtete Randschicht das Bauteils einen nichtrostenden Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt größer oder gleich 0,4 Gew.-% und einem Chromgehalt von größer oder gleich 12 Gew.-%, beispielsweise einem nichtrostenden Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,9 Gew.-% und einem Chromgehalt von 18 Gew.-% aufweist. Beispielsweise kann die Randschicht des Bauteils einen nichtrostenden Stahl wie X90CrMoV18 aufweisen. Dabei umfasst die gehärtete Randschicht zumindest zum Teil eine äußere Oberfläche des Bauteils und kann mit beliebiger Tiefe ausgestaltet sein.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt
- 1 ein schematisches Zeitdiagramm zur Randschichthärtung eines Bauteils aus nichtrostenden Stählen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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In 1 ist ein Zeitdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Randschichthärten eines Bauteils aus nichtrostendem Stahl gezeigt. In einem ersten Verfahrensschritt 1 wird das Bauteil aus nichtrostendem Stahl in einem zweistufigen Schritt auf eine Austenitisierungstemperatur von beispielsweise 1100 °C aufgeheizt. Das Bauteil ist beispielsweise aus X3CrNb17 Stahl. Dabei wir das Bauteil zunächst in einem ersten Schritt auf 850 °C aufgeheizt und in einem zweiten Schritt auf die Austenitisierungstemperatur aufgeheizt. Nachdem die Austenitisierungstemperatur erreicht wurde wird das Bauteil mit Spendergasen behandelt. Zunächst findet eine Behandlung 2 mit einem ersten Spendergas, beispielsweise dem Kohlenstoffspendergas wie Acetylen, bei einem Druck im Bereich von größer oder gleich 1 mbar bis kleiner oder gleich 50 mbar, beispielsweise 10 mbar, für eine Dauer in einem Bereich von größer oder gleich 15 s bis kleiner oder gleich 1800 s, beispielsweise 240 s, statt. Danach findet eine Behandlung 3 mit einem zweiten Spendergas, beispielsweise molekularer Stickstoff, bei einem Druck im Bereich von größer oder gleich 50 mbar bis kleiner oder gleich 6000 mbar, beispielsweise 100 mbar, für eine Dauer in einem Bereich von größer oder gleich 5 min bis kleiner oder gleich 600 min, beispielsweise 30 min, statt. Danach wird das Bauteil in einem Schritt 5 mit einem Inertgas, beispielsweise Helium, bei einem Druck im Bereich von größer oder gleich 4 bar bis kleiner oder gleich 20 bar, beispielsweise 10 bar, abgeschreckt. Dabei sinkt die Temperatur des Bauteils rasch. In einem Schritt 6 wird das Bauteil dann bei einer Temperatur im Bereich von größer oder gleich -196 °C bis kleiner oder gleich -20 °C tiefgekühlt, beispielsweise bei einer Temperatur von -90 °C. Danach wird das Bauteil in einem Schritt 6 bei einer Temperatur im Bereich von größer oder gleich 160 °C bis kleiner oder gleich 550 °C, beispielsweise 180 °C, für eine Dauer im Bereich von größer oder gleich 30 min bis kleiner oder gleich 150 min, beispielsweise 60 min angelassen.
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Im Ergebnis wird ein Bauteil aus nichtrostendem Stahl erhalten, aufweisend eine gehärtete Randschicht mit einer Oberflächenhärte von größer oder gleich 680 HV, wobei die Randschicht im Wesentlichen keine Chromausscheidungen aufweist
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1020090021985 A1 [0003]
