DE102020122734A1

DE102020122734A1 - Wärmebehandlungsverfahren für sekundärhärtende Stähle

Info

Publication number: DE102020122734A1
Application number: DE102020122734.5A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Stark
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2020-08-31
Publication date: 2022-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein . Wärmebehandlungsverfahren für sekundärhärtende Stähle, wobei ein Werkstück oder ein Werkstückbereicha) einer Aufkohlung mit einer Einhärttiefe (595 HV 0.5) von 0.9 bis 2.5 mm, insbesondere 1 mm, unterzogen wird und in einem weiteren Verfahrensschritt fürb) mindestens 150h, insbesondere 200h, ganz insbesondere mehr als 250h, in einem Temperaturbereich zwischen 425 und 575°C nitriert wird.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Wärmebehandlungsverfahren für sekundärhärtende Stähle mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Materialien in Gasturbinentriebwerken von Flugzeugen sind sehr anspruchsvollen thermischen und mechanischen Belastungen unterworfen. Dabei ist es bekannt, sekundärhärtende Einsatzstähle (Aufkohlstähle) zu verwenden, die grundsätzlich z.B. in der US 6966954 B2 , DE 10 2004 047964 B4 und der WO 2008043062 A1 beschrieben sind. Das Stahlbehandlungsverfahren für sekundärhärtende Stähle wird auch als Duplex-Hardening bezeichnet.
Dabei werden z.B. Zahnräder in einem Getriebe besonderen Belastungen unterworfen, so dass es wichtig ist, verbesserte Wärmebehandlungsverfahren für sekundärhärtende Stähle zu finden.
Gemäß einem ersten Aspekt wird in einem Wärmebehandlungsverfahren für sekundärhärtende Stähle ein Werkstück oder ein Werkstückbereich

a) einer Aufkohlung mit einer Einhärttiefe (595 HV 0,5) von 0.9 bis 2.5 mm, insbesondere zwischen 1 und 1.6 mm und in einem weiteren Verfahrensschritt für
b) mindestens 150h, insbesondere mehr als 200h, ganz insbesondere mehr als 250h, in einem Temperaturbereich zwischen 425 und 575°C nitriert.

Dabei sind der Aufkohlungsschritt und der Nitrierungsschritt aufeinander angepasst. Da die Nitrierung die Härtung durch die Aufkohlung zum Teil wieder rückgängig macht, wird die Aufkohlung besonders tiefgehend ausgeführt. Am Ende des Nitrierens liegt ein gewünschtes Härteprofil vor.
Durch die sehr lange Nitrierungsdauer wird nicht nur eine Oberflächenhärtung erreicht. Die Nitrierung geht somit z.B. über eine Tiefe von 0.35 mm, gemessen von der Oberfläche, hinaus.
Auch kann damit eine erhöhte Eigenspannung (z.B. -800 MPa in der Nitrierschicht) auf Grund des Nitrierens zur Verbesserung der Materialeigenschaften -gerade für Zähne eines Zahnrades - erreicht werden. Damit können höhere Leistungsdichten bei Zahnrädern (z.B. im Bereich des Zahnfußes) erreicht werden.
In einer Ausführungsform kann das Aufkohlen in einem Temperaturbereich von 788 bis 1149 °C, insbesondere 800 bis 950 °C erfolgen.
In einer weiteren einer Ausführungsform liegt nach der Nitrierung eine Einhärttiefe (595 HV 0.5) von 0.75 bis 1.5 mm vor.
In einer Ausführungsform kann die Nitrierung durch eine Gasphasennitirierung oder eine Plasmanitrierung erfolgen.
Ferner kann das Werkstück oder der Werkstückbereich vor der Nitrierung einer Anlassung unterzogen werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann nach dem Nitrieren das Werkstück oder der Werkstückbereich einer Kugelstrahlbehandlung, insbesondere einer zweistufigen Kugelstrahlbehandlung unterzogen werden.
In Ausführungsformen können als sekundärhärtende Stähle M50NiL oder Pyrowear 675 (AMS 5930) verwendet werden.
Stähle, die einem der hier beschriebenen Wärmebehandlungsverfahren unterzogen wurden, sind insbesondere für Zahnräder geeignet. Dabei kann das Zahnrad z.B. in einem Getriebe, insbesondere einem Planetengetriebe, in einem Gasturbinentriebwerk eines Flugzeugs angeordnet sein.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:

1 Härteprofile für unterschiedliche Wärmebehandlung beim Duplexhärten ohne Anpassung von Aufkohlung an die Nitrierung;
2 Härteprofile für unterschiedliche Wärmebehandlung beim Duplexhärten mit einer Anpassung der Aufkohlung an die Nitrierung.

Im Folgenden werden Ausführungsformen für Wärmebehandlungsverfahren für sekundärhärtende Stähle beschrieben.
Unter Wärmebehandlung wird hier ein Vorgang verstanden, der auch mehrere Verfahrensschritte umfassen kann, bei denen ein Werkstück oder ein Werkstückbereich bestimmten Temperatur-Zeit-Folgen und ggf. zusätzlichen physikalischen und / oder chemischen Einwirkungen ausgesetzt wird, damit bestimmte Eigenschaften im Werkstück oder im Werkstückbereich erzielt werden.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf das sogenannte Duplex-Härten (duplex hardening), bei dem insbesondere zwei Härteschritte durchgeführt werden: Die Erzeugung einer üblichen Härtung und ein nachgelagerter Nitrierungsprozess.
Die übliche Härtung umfasst z.B. eine Austenitisierung, ein Abschrecken und ein Anlassen.
Bei einem sekundären Härten entstehen vor allem stabile Karbide im Gefüge des Stahls. Die hier vorgeschlagenen Ausführungsformen beziehen sich auf eine besonders tiefe Nitrierung des Stahls, d.h. nicht nur eine Nitrierung der Oberfläche. Mit den hier beschriebenen Ausführungsformen sind Nitriertiefen von 0.5 mm oder mehr erreichbar.
Im Folgenden wird die Zusammensetzung einiger sekundärhärtender Stähle angegeben.

Zusammensetzung eines sekundärhärtenden Stahls am Beispiel M50NiL (aus SAE Aerospace Specification AMS6278, Rev. E), Rest Eisen und übliche Verunreinigungen:

	min	max
	Angaben in Gew.-%
Kohlenstoff	0.11	0.15
Mangan	0.15	0.35
Silizium	0.10	0.25
Phosphor	--	0.015
Schwefel	--	0.010
Chrom	4.00	4.25
Nickel	3.20	3.60
Molybdän	4.00	4.50
Vanadium	1.13	1.33
Kobalt	--	0.25
Wolfram	--	0.15
Kupfer	--	0.10

Ein weiterer sekundärhärtender Stahl ist Pyrowear 675 (AMS 5930) mit der folgenden Zusammensetzung, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen:

	min	max
	Angaben in Gew.-%
Kohlenstoff	0.05	0.09
Mangan	0.50	1.00
Silizium	0.10	0.70
Phosphor	-	0.015
Schwefel	-	0.010
Chrom	12.00	14.00
Nickel	2.00	3.00
Kobalt	4.00	7.00
Molybdän	1.50	2.50
Vanadium	0.40	0.80

In den 1 und 2 sind Härteprofile angegeben, die die Wirkung der Ausführungsformen zeigen.
In 1 sind drei Härteprofile (HV 0,50) dargestellt, die für unterschiedliche wärmebehandelte M50NiL Stähle bestimmt wurden.
Profil A zeigt das gemessene Härteprofil für eine an sich bekannte Aufkohlung, d.h. ohne eine besondere Anpassung der Prozessparameter an eine nachfolgende Nitrierung. Die Einhärttiefe (595 HV 0.5) der Aufkohlung liegt deutlich unter 1 mm.
Wird dieser aufgekohlte Stahl dann einer üblichen Nitrierung für 80h (gemessenes Profil B) unterzogen, erkennt man die stark erhöhte Härte im Oberflächenbereich (bis ca. 0.3 mm). In tieferen Schichten ist die Härte gegenüber der Aufkohlung auf Grund der Nitrierung jedoch gesunken.
Würde man bei einer solchen Aufkohlung für ca.250 h nitrieren (berechnete Daten), so würde sich der Effekt noch verstärken: Das Profil C zeigt, dass der Oberflächenbereich härter wird. Ab einer Tiefe von ca. 0.5 mm würde die Härte erheblich absinken.
Dieser Effekt kann vermieden werden, wenn - wie in den dargestellten Ausführungsformen - das Aufkohlen an die Nitrierung angepasst wird. Dies wird in 2 dargestellt.
Die Profile A und B in 2 entsprechen den Härteprofilen in der 2. Das Profil C (berechnete Daten) zeigt eine Aufkohlung bis zu einer Einhärttiefe von (595 HV 0.5) von ca. 1 mm, so dass eine tiefere Aufkohlung vorliegt, als bei dem Profil A.
Wird dieses Material dann für ca. 250h bei ca. 500° C nitriert (Profil D, berechnete Daten), sinkt die Härte im Inneren der Probe gegenüber dem Profil C etwas ab. Die Einhärttiefe (595 HV 0.5) liegt immer noch deutlich über 0.75.
Nach dem Nitrieren kann das Werkstück oder der Werkstückbereich einer Kugelstrahlbehandlung (z.B. nach AMS2431/7 Rev. B), insbesondere einer zweistufigen Kugelstrahlbehandlung unterzogen werden. Die Härte der Stahlkugeln aus Keramik kann z.B. 700 HV1 betragen.
Wenn eine zweistufige Strahlung durchgeführt wird, kann in der ersten Stufe eine Mediengröße von 600 bis 850 µm mit einer ein Intensität von 0,35 mmA (Almeninensität) verwendet werden.
In der zweiten Stufe kann eine Mediengröße von 850 bis 1180 µm und eine Intensität von 0,4 mmA (Almenintensität) verwendet werden.
Somit wird in der ersten Stufe mit einer geringeren Mediengröße und einer geringeren Intensität als in der zweiten Stufe gearbeitet.
In beiden Stufen kann eine mittlere Härte von 700 HV1 und eine Überdeckung von 200% verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6966954 B2 [0002]
DE 102004047964 B4 [0002]
WO 2008043062 A1 [0002]

Claims

Wärmebehandlungsverfahren für sekundärhärtende Stähle, wobei ein Werkstück oder ein Werkstückbereich a) einer Aufkohlung mit einer Einhärttiefe (595 HV 0.5) von 0.9 bis 2.5 mm, insbesondere 1 mm, unterzogen wird und in einem weiteren Verfahrensschritt für b) mindestens 150h, insbesondere 200h, ganz insbesondere mehr als 250h, in einem Temperaturbereich zwischen 425 und 575°C nitriert wird.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufkohlen bei einer Temperatur zwischen 788 bis 1149°C, insbesondere zwischen 800 bis 950 °C erfolgt.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Nitrierung eine Einhärttiefe (595 HV 0.5) von 0.75 bis 1.5 mm vorliegt.
Wärmebehandlungsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrierung durch eine Gasphasennitrierung oder eine Plasmanitrierung erfolgt.
Wärmebehandlungsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück oder der Werkstückbereich vor der Nitrierung einer Anlassung unterzogen werden.
Wärmebehandlungsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Nitrieren das Werkstück oder der Werkstückbereich einer Kugelstrahlbehandlung, insbesondere einer zweistufigen Kugelstrahlbehandlung unterzogen werden.
Wärmebehandlungsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundärhärtende Stahl M50NiL oder Pyrowear 675 (AMS 5930) ist.
Zahnrad, insbesondere in einem Getriebe, herstellbar mit einem Stahl, der gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 wärmebehandelt wurde.
Zahnrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein Planetengetriebe in einem Gasturbinentriebwerk eines Flugzeugs ist.