DE102021120602A1

DE102021120602A1 - Verfahren zur Härtung eines Sinterbauteils

Info

Publication number: DE102021120602A1
Application number: DE102021120602.2A
Authority: DE
Inventors: Manuel Pohn; Markus Ludwig-Etzlstorfer
Original assignee: Miba Sinter Austria GmbH
Current assignee: Miba Sinter Austria GmbH
Priority date: 2020-09-10
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2022-03-10
Also published as: AT524143B1; US20220074036A1; US11479843B2; AT524143A1; CN114164394A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Härtung eines Metallbauteils umfassend die Schritte: Aufheizen des Metallbauteils auf erste Temperatur zwischen 750 °C und 1100 °C, Erhöhung des Kohlenstoffanteils im Metallbauteil durch Beaufschlagung des Metallbauteils bei der ersten Temperatur mit einem Kohlenstoffspendergas, Abkühlen des Metallbauteils auf eine zweite Temperatur, die um 40 °C bis 100 °C geringer ist als die erste Temperatur, Erhöhung des Stickstoffanteils im Metallbauteil durch Beaufschlagung des Metallbauteils bei der zweiten Temperatur mit einem Stickstoffspendergas, Abkühlen des Metallbauteils auf Raumtemperatur, wobei als Metallbauteil ein Sinterbauteil (1) eingesetzt wird und nach der Erhöhung des Stickstoffanteils im Sinterbauteil (1) und vor der Abkühlung des Sinterbauteils (1) auf Raumtemperatur das Sinterbauteil (1) auf eine dritte Temperatur erhitzt wird, die um 50°C bis 250 °C höher ist als die zweite Temperatur.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Härtung eines Metallbauteils umfassend die Schritte: Aufheizen des Metallbauteils auf erste Temperatur zwischen 750 °C und 1100 °C; Erhöhung des Kohlenstoffanteils im Metallbauteil durch Beaufschlagung des Metallbauteils bei der ersten Temperatur mit einem Kohlenstoffspendergas; Abkühlen des Metallbauteils auf eine zweite Temperatur, die um 40 °C bis 100 °C geringer ist, als die erste Temperatur; Erhöhung des Stickstoffanteils im Metallbauteil durch Beaufschlagung des Metallbauteils bei der zweiten Temperatur mit einem Stickstoffspendergas; Abkühlen des Metallbauteils auf Raumtemperatur.
Weiter betrifft die Erfindung ein Sinterbauteil aus einem chromfreien Sinterstahl.
Die Niederdruck-Carbonitrieren von Stahlbauteilen aus Vollmaterial ist ein bekanntes Verfahren, um die mechanischen Kennwerte von derartigen Bauteilen zu verbessern. Beispielsweise beschreibt die DE 101 18 494 A1 ein Verfahren zur Niederdruck-Carbonitrierung von Stahlteilen, bei dem die Teile zunächst in einem Temperaturbereich von etwa 780°C bis 1050°C mit einem Kohlenstoffspendergas bei einem Partialdruck unterhalb von 500 mbar innerhalb mindestens einer evakuierbaren Behandlungskammer aufgekohlt werden und anschließend mit einem Stickstoffspendergas aufgestickt werden. Zum Ende der Aufkohlungsphase oder nach einer Abkühlung auf einen Temperaturbereich von etwa 780°C bis 950°C wird ein Stickstoffspendergas, das Ammoniak enthält, ausgehend von einem Unterdruck bis zu einem Partialdruck des Stickstoffspendergases von weniger als 1000 mbar in die mindestens eine Behandlungskammer eingelassen, um die Teile aufzusticken.
Für nicht Chrom enthaltende Sintermaterialien ist dieses Verfahren - wie auch andere Verfahren - nicht bzw. nur beschränkt anwendbar, da es zu Mischgefügen (Karbidbildung, Bainitbildung, etc.) und zu Härteverlusten bzw. zu geringer Härtung kommt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gehärtetes Sinterbauteil bereitzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, wonach vorgesehen ist, dass als Metallbauteil ein Sinterbauteil eingesetzt wird und dass nach der Erhöhung des Stickstoffanteils im Sinterbauteil und vor der Abkühlung des Sinterbauteils auf Raumtemperatur der Sinterbauteil auf eine dritte Temperatur erhitzt wird, die um 50°C bis 250 °C höher ist, als die zweite Temperatur.
Weiter wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Sinterbauteil gelöst, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist und der eine Mindestdichte von 7,0 g/cm³ aufweist.
Durch die Einlagerung von Stickstoff wird die Härtbarkeit des Sinterbauteils verbessert, womit eine höhere Oberflächenhärte erreicht werden kann. Dabei wird durch das erneutes Aufheizen auf die dritte Temperatur eine Mischgefüge vermieden, indem gebildete Karbide zumindest Großteils wieder aufgelöst werden. Von Vorteil ist neben der „karbidfreien“ Wärmebehandlung auch, dass ein kontrolliertes Härteprofil ausbildbar ist. Zudem werden mit dem Verfahren kaum Verzüge der Sinterbauteile beobachtet. Das Verfahren ist auch für Dichten der Sinterbauteile von mehr als 7,0, g/cm³, insbesondere mehr als 7,25 g/m³, anwendbar. Obwohl die Verfahrensschritte schon großteils für Vollmaterialen aus Stahl bekannt ist, wie dies voranstehend ausgeführt wurde, würde die erfindungsgemäße Abwandlung dieses Verfahrens nicht auf Stahlbauteile aus Vollmaterial nicht angewandt werden, da es durch die zusätzliche Erhitzung derartiger Stahlbauteile zu einer Kornvergröberung und damit zu einer Qualitätsminderung aufgrund eines Festigkeitsverlusts kommen würde. Durch einen zu hohen Anteil an Kohlenstoff im Randbereich würde es bei Vollmaterialbauteilen zu einer Randversprödung kommen.
Zur weiteren Verbesserung der voranstehend genannten Effekte kann nach Ausführungsvarianten der Erfindung vorgesehen sein, dass das Sinterbauteil nach der Erhitzung auf die dritte Temperatur und vor der Abkühlung des Sinterbauteils auf Raumtemperatur auf eine vierte Temperatur erhitzt wird, die um 10°C bis 70 °C höher ist, als die dritte Temperatur, und/oder dass das Sinterbauteil auf mindestens 950 °C als dritte Temperatur oder als vierte Temperatur erhitzt wird.
Wie bereits voranstehend angedeutet, wird das Verfahren nach der Erfindung bevorzugt gemäß einer weiteren Ausführungsvariante auf chromfreie Sinterbauteile mit einer Mindestdichte von 7,0 g/cm³ angewandt, insbesondere auf Sinterbauteile aus einem chromfreien Sinterstahl. Durch die Vermeidung von Chrom sind die eingesetzten Pulver besser verpressbar bzw. die hergestellten Sinterbauteile besser umformbar, beispielsweise verdichtbar. Es kann also ein Sinterbauteil hergestellt werden, der einfacher bereits zu einer höheren Dichte verpresst werden kann, und der eine Oberflächenhärtung aufweist. Zusammen führen diese Maßnahmen zu Sinterbauteilen mit relativ hoher mechanischer Belastbarkeit.
Für die Ausbildung einer gleichmäßigeren aufgekohlten Randzone kann nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass das Kohlenstoffspendergas in Form von Gaspulsen zugeführt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen werden, dass als Stickstoffspendergas eine Stickstoff-Wasserstoffverbindung eingesetzt wird, insbesondere Ammoniak oder eine Amin, womit nicht nur der benötigte Stickstoff gut handhabbar zur Verfügung gestellt werden kann, sondern auch eine reduzierende Atmosphäre einfacher aufrecht erhalten werden kann. Es können damit harte Oxidphasen besser vermieden werden.
Zur weiteren Verbesserung der mechanischen Eigenschaften kann nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen werden, dass das Sinterbauteil vor und/oder nach dem Härten verdichtet, insbesondere oberflächenverdichtet, wird. Durch die Verdichtung vor dem Härten kann aufgrund der Reduktion der Porenanzahl und Porengröße Einfluss auf die nachfolgenden Diffusionsprozesse genommen werden, womit in weitere Folge auch die Härtung an sich beeinflussbar ist. Die Oberflächenverdichtung nach dem Härten kann ebenfalls zu einer weiteren Verbesserung der mechanischen Kennwerte des Sinterbauteils beitragen.
Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Sinterbauteil hergestellt wird, der eine gehärtete Randschicht mit einem Kohlenstoffgradienten und/oder einem Stickstoffgradienten aufweist, wobei die gehärtete Randschicht eine Schichtdicke zwischen 0,1 µm und 1500 µm aufweist.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung kann gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ein Sinterbauteil einfacher hergestellt werden, der zumindest einen Bereich aufweist, der eine zu den restlichen Bereichen unterschiedliche Dichte aufweist, oder eine gleichmäßige Dichteverteilung besitzt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert.
Es zeigen in schematischer Darstellung:

1 einen Temperaturverlauf zur Wärmebehandlung eines Sinterbauteils;
2 einen Ausschnitt aus einem Sinterbauteil.

Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
Wie voranstehend ausgeführt, bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Härtung eines Sinterbauteils 1, wie er in 2 ausschnittsweise dargestellt ist.
Die Herstellung an sich von derartigen Sinterbauteilen 1 ist bekannt, sodass sich dazu weitere Ausführungen erübrigen. Es sei nur so viel erwähnt, dass diese Verfahren die Schritte Pulverpressen und Sintern umfassen. Das Sintern kann mehrstufig ausgeführt werden. Gegebenenfalls kann eine Nachbearbeitung des Sinterbauteils 1 nach dem Sintern erfolgen, wie beispielsweise das Kalibrieren des Sinterbauteils 1, oder das Nachverdichten des Sinterbauteils 1, oder eine spanende Bearbeitung des Sinterbauteils 1. Zu den weiteren Einzelheiten dazu, wie beispielsweise Pressdrücke, etc., sei auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
Als Pulver für die Herstellung des Sinterbauteils 1 nach der Erfindung werden herkömmliche metallische Pulver verwendet, die gegebenenfalls keramische Hartteilchen und/oder Verarbeitungs-Hilfsstoffe, wie z.B. Presshilfsmittel und/oder Bindemittel, etc., enthalten.
Prinzipiell können alle metallischen, mit dem Verfahren härtbaren Pulver, insbesondere auf Eisenbasis, wie Stähle oder Ferrolegierungen, eingesetzt werden. In der bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung wird jedoch ein metallisches Pulver eingesetzt, das chromfrei ist. Insbesondere kann dieses chromfeie Pulver ein Sinterstahl oder eine Ferrolegierung sein, wobei dieses bevorzugte Pulver vorzugsweise Molybdän enthält.
Beispiele für derartige Pulver sind:

- Fe (mit 0,85 Gew.-% Mo vorlegiert) + 0,1 Gew.-% - 0,3 Gew.-% C + 0,2 Gew.-%
-1,0 Gew.-% Presshilfsmittel und eventuell Bindemittel;
- Fe + 1 Gew.-% - 3 Gew.-% Cu + 0,5 Gew.-% - 0,9 Gew.-% C + 0,2 Gew.-% - 0,8 Gew.-% Presshilfsmittel und eventuell Bindemittel;
- 18 Gew.-% Mn + 2,5 Gew.-% Al + 3,5 Gew.-% Si + 0,5 Gew.-% V + 0,3 Gew.-% B, Rest Fe, Presshilfsmittel und eventuell Bindemittel;
- 24 Gew.-% Mn + 3 Gew.-% Al + 2,5 Gew.-% Si, Rest Fe, Presshilfsmittel und eventuell Bindemittel;
- 14 Gew.-% Mn, 5 Gew.-% Ni + 3 Gew.-% Al + 3 Gew.-% Si, Rest Fe, Presshilfsmittel und eventuell Bindemittel.

Es sind aber auch weitere, in der Sintertechnik üblichen Zusammensetzungen verwendbar.
Generell kann das metallische Sinterpulver, aus dem das Sinterbauteil 1 hergestellt wird, ein Eisenbasispulver sein, das bis zu 15 Gew.-%, insbesondere bis zu 10 Gew.-%, Nichteisenmetalle enthält, wovon bis zu 2 Gew.-% Molybdän bilden und den Rest auf bis zu 15 Gew.-% die Metalle Mangan, Kupfer, Aluminium, Magnesium, Bor, Nickel, Phosphor, Wolfram, Titan, Vanadium, bilden, und den Rest Eisen und gegebenenfalls Verarbeitungs-Hilfsstoffe, wie Presshilfsmittel und/oder Bindemittel, bilden. Der Anteil an Presshilfsmittel kann bis zu 2,5 Gew.-%, insbesondere 2 Gew.-%, und der Anteil an Bindemittel bis zu 0,75 Gew.-%, insbesondere 0,5 Gew.-% betragen.
Aus dem Pulver wird ein sogenannter Grünling gepresst. Dabei werden gegebenenfalls eintretenden Verzüge oder Schrumpfungen oder eine Zunahme von Abmessungen beim Sintern bereits berücksichtigt. Das Sinterbauteil 1 kann auch in Netshape oder Near Netshape Qualität hergestellt werden.
Generell kann das Sinterbauteil 1 beliebig ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Sinterbauteil 1 ein Zahnrad, eine Pleuelstange, ein Lagerdeckel für eine geteilte Lageranordnung, ein Hohlrad, eine Schiebemuffe, eine Kugelrampe (insbesondere ein Kugelrampenaktuator), eine VVT Komponente, ein Nockenrad, etc., sein.
Der Grünling wird in der Folge ein- oder mehrstufig gesintert und im gesinterten Zustand dem Härteverfahren nach der Erfindung unterzogen, oder er wird als solcher im Härteverfahren nach der Erfindung eingesetzt, und während des Ablaufs des Verfahrens gesintert. Es ist auch möglich, dass der Grünling zu einem Braunling vorgesintert und im Verfahrensablauf nach der Erfindung fertiggesintert wird. Der Begriff „Sinterbauteil“, der im Verfahren nach der Erfindung eingesetzt wird, umfasst daher den Grünling, den Braunling und das fertig gesinterten Sinterbauteil. Vorzugsweise wird das Sinterbauteil 1 bereits fertig gesintert im Verfahren nach der Erfindung eingesetzt.
Bezugnehmend auf 1 ist daraus ein Temperaturverlauf über die Zeit ersichtlich, wobei die Temperatur auf der Ordinate in [°C] angegeben ist.
Die im folgenden wiedergegebenen Temperaturen beziehen sich auf Temperatur in der Wärmebehandlungsvorrichtung (= Maschinenparameter, d.h. die im Ofenraum gemessene Temperatur). Die Oberflächentemperatur des Sinterbauteils 1 kann dieser Temperatur entsprechen (anhängig von der Verweilzeit des Sinterbauteils in der Wärmebehandlungsvorrichtung). Das Sinterbauteil 1 kann die jeweils angegebene Temperatur nur in einer an die Oberfläche anschließenden Randzone oder aber auch zur Gänze aufweisen.
Am Beginn des Verfahrens wird das Sinterbauteil 1 mit einer Heizrampe auf eine erste Temperatur erhitzt, wie dies anhand des Aufheizabschnittes 2 in 1 ersichtlich ist. Der Begriff „Abschnitt“ bezieht sich im Zusammenhang mit der Beschreibung der 1 nur auf die Temperaturkurve und nicht auf einen Abschnitt in einer Vorrichtung, in der das Verfahren durchgeführt wird.
Als Vorrichtung kann beispielsweise eine in der eingangs genannten DE 101 18 494 A1 beschriebene Vorrichtung verwendet werden. Es können aber auch andere geeignete Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens eingesetzt werden. Vorzugsweise arbeitet die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens im Batch-Modus.
Das Aufheizen im Aufheizabschnitt 2 kann mit einer kontinuierlichen Heizrate, insbesondere einer Heizrate zwischen 0,01 K/s und 10 K/s, erfolgen. Das Aufheizen kann mit einer linearen Heizrate erfolgen, so wie dies in 1 dargestellt ist. Es sind aber auch andere Heizraten anwendbar, beispielsweise eine stufenförmige oder eine kurvenförmige.
Im Aufheizabschnitt 2 wird das Sinterbauteil 1 auf eine erste Temperatur erhitzt, die zwischen 750 °C und 1100 °C, insbesondere zwischen 850 °C und 1000 °C, beträgt.
Das Sinterbauteil 1 wird im Aufheizabschnitt 2 vorzugsweise unter Normaldruck erhitzt, d.h. bei ca. 1013 mbar, abhängig vom jeweiligen am Ort der Durchführung des Verfahrens vorherrschenden Luftdruck. Es ist aber auch möglich, dass bereits in diesem Aufheizabschnitt 2 der Druck in der Behandlungskammer der Vorrichtung, in der das Verfahren ausgeführt wird, reduziert wird, sodass also auch das Aufheizen des Sinterbauteils 1 bereits bei reduziertem Druck erfolgen kann.
In einem an den Aufheizabschnitt 2 anschließenden, insbesondere unmittelbar anschließenden, Aufkohlungsabschnitt 3 erfolgt das Aufkohlen des Sinterbauteils 1, d.h. die Erhöhung des Kohlenstoffanteils in einer Randschicht 4 (siehe 2) des Sinterbauteils 1.
Die Randschicht 4 kann eine Schichtdicke 5 gemessen ab der Oberfläche des Sinterbauteils 1 aufweisen, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 0,1 µm bis 1500 µm. Die Dicke der Randschicht 4 ist dabei u.a. auch von der Behandlungsdauer und dem Partialdruck eines Kohlenstoffspendergas in der Behandlungskammer abhängig.
Zur Durchführung der Aufkohlung des Sinterbauteils 1 wird in der Behandlungskammer der Druck reduziert, d.h. es wird ein Niederdruck Carburieren durchgeführt. Der Druck wird dabei im Aufkohlungsabschnitt 3 auf einen Wert (Kammerdruck) reduziert, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 10^-2 mbar, insbesondere 10^-3 mbar, bis 10^-6 mbar, insbesondere 10^-5 mbar. Die Druckreduktion in der Behandlungskammer kann bereits am Beginn des Aufkohlungsabschnittes 3 erfolgen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Druckreduktion auch bereits beim Aufheizen einsetzen/erfolgen. Es ist aber auch möglich, die Reduktion des Druckes erst nach Beginn des Aufkohlungsabschnittes 3 durchzuführen, beispielsweise nach Ablauf einer Zeitspanne von 1 Minuten bis 240 Minuten ab Beginn des Aufkohlungsabschnittes 3.
Als Kohlenstoffspendergas kann beispielsweise Methan, Ethan, Acetylen, Propan, oder dergleichen, sowie Mischungen daraus, verwendet werden. Der Partialdruck an dem Kohlenstoffspendergas in der Behandlungskammer kann zwischen 0 mbar und 1000 mbar, insbesondere zwischen 0,1 mbar und 1000 mbar, betragen. Dieser Druck ist dabei jener Druck, der während des Einbringens des Kohlenstoffspendergases an diesem vorherrscht. Aufgrund des Verbrauchs des Kohlenstoffspendergases infolge der Aufkohlung des Sinterbauteils 1 sinkt dieser Druck im Verlauf des Verfahrensabschnittes.
Beispielsweise kann der Volumenstrom an dem Kohlenstoffspendergas zwischen 1 l/h und 10000 l/h betragen.
Während der Aufkohlung bzw. im Aufkohlungsabschnitt 3 wird die Temperatur bevorzugt konstant auf der ersten Temperatur gehalten (im Rahmen der Regeltoleranzen der Vorrichtung).
Der Aufkohlungsabschnitt 3 wird bevorzugt über eine Zeitspanne durchgeführt, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 10 Minuten bis 600 Minuten.
Im Aufkohlungsabschnitt 3 wird der Kohlenstoffanteil an dem Sinterbauteil 1 zumindest in der Randschicht 3 um einen Wert zwischen 0,01 Gew.-%, insbesondere 0,1 Gew.-%, bis 1,2 Gew.-% erhöht. Das Sinterbauteil 1 kann daher nach der Aufkohlung einen Kohlenstoffanteil zwischen 0,2 Gew.-% bis 1,4 aufweisen (unter Berücksichtigung des Anfangsgehalts an Kohlenstoff).
Es ist möglich, dass die Einführung des Kohlenstoffspendergases mit dem Erreichen des gewünschten Kammerdrucks beginnt. Das Einführen des Kohlenstoffspendergases kann aber auch erst zu einem späteren Zeitpunkt während des Aufkohlungsabschnittes 3 erfolgen.
Es ist weiter möglich, dass das Kohlstoffspendergas bis zum Ende des Aufkohlungsabschnittes durchgehend zugeführt wird. In der bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens wird das Kohlenstoffspendergas jedoch in Form von Gaspulsen 6 zugeführt, wie dies in 1 angedeutet ist. Es ist damit gemeint, dass das Kohlenstoffspendergas nur über eine bestimmte Zeitspanne 7 zugeführt wird und darauf eine Zeitspanne 8 ohne Zufuhr des Kohlenstoffspendergases folgt. Es kann somit eine Abfolge an Zeitspannen 7 mit Zufuhr und Zeitspannen 8 ohne Zufuhr an Kohlenstoffspendergas während des Aufkohlungsabschnittes 3 ausgeführt werden.
Die Zeitspanne 7 mit Zufuhr an Kohlenstoffspendergas kann zwischen 5 Sekunden und 1200 Sekunden betragen.
Die Zeitspanne 8 ohne Zufuhr an Kohlenstoffspendergas kann zwischen 0,5 Minuten und 600 Minuten betragen.
In 1 sind fünf Gaspulse 6 dargestellt. Diese Anzahl ist aber nicht beschränkend zu verstehen. Vielmehr kann die Anzahl an Gaspulsen 6 während des Aufkohlungsabschnittes 3 zwischen 1 und 20 betragen.
Wie aus 1 ersichtlich ist, können die Gaspulse 6 unterschiedlich ausgestaltet werden. Beispielsweise können sie mit einem unterschiedlich Partialdruck (im Rahmen des voranstehend genannten Bereichs) ausgeführt werden. Dies ist in 1 mit der unterschiedlichen Höhe der Gaspulse 6 angedeutet. Alternativ oder zusätzlich dazu können die Gaspulse 6 aber auch eine unterschiedliche Zeitdauer aufweisen (im Rahmen des voranstehend genannten Bereichs für die Zeitdauer der Gaspulse 6). Vorzugsweise wird dabei mit dem ersten Gaspuls 6 (ganz linker Gaspuls 6 in 1) die größte Menge (das größte Volumen) an Kohlenstoffspendergas zugeführt. Der Gaspuls 6, mit dem die kleinste Menge (das kleinste Volumen) an Kohlenstoffspendergas zugeführt wird, kann unmittelbar daran anschließen. Es wird damit dem Umstand Rechnung getragen, dass der Verbrauch an Kohlenstoffspendergas zu Beginn der Aufkohlung am größten ist.
Selbstverständlich sind auch andere Verläufe an unterschiedlichen Gaspulsen 6 möglich.
Die Gaspulse 6 können aber auch alle gleich ausgebildet sein.
Vorzugsweise fällt der letzte Gaspuls 6 nicht mit dem Ende des Aufkohlungsabschnittes 3 zusammen.
Anschließend an den Aufkohlungsabschnitt 3, insbesondere unmittelbar anschließend, erfolgt die Abkühlung des Sinterbauteils 1 in einem Abkühlungsabschnitt 9 In diesem wird die Temperatur des Sinterbauteils 1 auf eine zweite Temperatur abgesenkt, die um 40 °C bis 100 °C geringer ist als die erste Temperatur.
Die Abkühlung erfolgt insbesondere mit einer Kühlrampe. Dabei wird der Sinterbauteil 1 bevorzugt mit einer Kühlrate von 0,1 K/Minute bis 100 K/Minute abgekühlt.
Die Kühlung kann durch Gasabschreckung (z.B. mit Stickstoff, Helium oder Wasserstoff) erfolgen.
An den Abkühlabschnitt 9 schließt ein Nitrierabschnitt 10 an, insbesondere unmittelbar.
Im Nitrierabschnitt 10 erfolgt die Erhöhung des Stickstoffanteils im Sinterbauteil 1. Aufgrund dieses Abschnittes ist das Verfahren ein Carbonitrierverfahren.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass das Gesamte Verfahren bei reduziertem Druck durchgeführt wird. Zur Verdeutlichung ist in 1 eine Druckkurve 11 eingezeichnet. Der Druck in der Behandlungskammer wird dabei naturgemäß durch die Einspeisung des Kohlenstoffspendergases und des Stichstoffspendergases erhöht. Allerdings wird damit vorzugsweise kein Überdruck erreicht, sondern maximal der voranstehend genannte Normaldruck.
Als Stickstoffspendergas wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens eine Stickstoff-Wasserstoffverbindung eingesetzt wird, insbesondere Ammoniak oder eine Amin, wie z.B. Methylamin. Es können aber auch andere Stickstoffspendergase eingesetzt werden, wie z:B. Dimethylamin , sowie Mischungen verschiedener Stickstoffspendergase.
Der Partialdruck an dem Stickstoffspendergas in der Behandlungskammer kann zwischen 0 mbar und 1000 mbar, insbesondere 0,1 mbar und 1000 mbar, betragen. Dieser Druck ist dabei jener Druck, der während des Einbringens des Stickstoffspendergases an diesem vorherrscht. Aufgrund des Verbrauchs des Stickstoffspendergases infolge der Nitrierung des Sinterbauteils 1 sinkt dieser Druck im Verlauf des Verfahrensabschnittes.
Beispielsweise kann der Volumenstrom an dem Stickstoffspendergas zwischen 1 I/h und 10000 l/h betragen.
Während der Nitrierung bzw. im Nitrierabschnitt 10 wird die Temperatur bevorzugt konstant auf der zweiten Temperatur gehalten (im Rahmen der Regeltoleranzen der Vorrichtung). Der Nitrierabschnitt 10 kann auch während Temperaturabsenkung stattfinden.
Der Nitrierabschnitt 10 wird bevorzugt über eine Zeitspanne durchgeführt, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 60 Minuten bis 600 Minuten.
Im Nitrierabschnitt 10 wird der Stickstoffanteil an dem Sinterbauteil 1 zumindest in der Randschicht 4 um einen Wert zwischen 0,01 Gew.-%, insbesondere 0,1 Gew.- %, und 2 Gew.-% erhöht. Das Sinterbauteil 1 kann daher nach der Nitrierung einen Stickstoffanteil zwischen 01 Gew.-%, insbesondere 0,1 Gew.-%, und 2 Gew.- % aufweisen.
Es ist möglich, dass die Einführung des Stickstoffspendergases mit dem Erreichen der zweiten Temperatur beginnt. Das Einführen des Stickstoffspendergases kann aber auch erst zu einem späteren Zeitpunkt während des Nitrierabschnittes 10 erfolgen.
Das Stickstoffspendergas kann über die gesamte Zeitdauer des Nitrierabschnittes 10 oder nur einen Teilbereich davon in die Behandlungskammer eingebracht werden. Es ist auch möglich, dass das Stickstoffspendergas pulsartig zugeführt wird, wie dies zu den Gaspulsen 6 des Kohlenstoffspendergases ausgeführt wurde. Die entsprechenden Ausführungen dazu können gegebenenfalls auch auf das Stickstoffspendergas angewandt werden.
Bevor das Sinterbauteil 1 wieder auf Raumtemperatur (20 °C) abgekühlt und aus der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gegeben wird, ist vorgesehen, dass das Sinterbauteil 1 noch einmal erhitzt wird. Dazu folgt anschließend an den Nitrierschnitt 10, insbesondere unmittelbar anschließend, ein weiterer Auheizabschnitt 12.
Das Aufheizen im weiteren Aufheizabschnitt 12 kann mit einer Heizrate zwischen 0,01 K/s und 10 K/s erfolgen. Das Aufheizen kann mit einer linearen Heizrate erfolgen, so wie dies in 1 dargestellt ist. Es sind aber auch andere Heizraten anwendbar, beispielsweise eine stufenförmige oder eine kurvenförmige.
Im weiteren Aufheizabschnitt 12 wird das Sinterbauteil 1 auf eine dritte Temperatur erhitzt, die um 50°C bis 250 °C höher ist als die zweite Temperatur.
Anschließend an diesen weiteren Aufheizabschritt 12, insbesondere unmittelbar anschließend, folgt ein Halteabschnitt 13, in dem die dritte Temperatur konstant gehalten wird (im Rahmen der Regeltoleranzen der Vorrichtung).
Dieser Halteabschnitt 13 kann sich über die gesamte Zeitspanne bis zum Abkühlen des Sinterbauteils 1 auf Raumtemperatur erstrecken, wie dies in 1 teilweise strichliert dargestellt ist.
Die gesamte Zeitdauer zwischen dem Aufheizabschnitt 12 und einem weiteren Abkühlabschnitt 14, in dem das Sinterbauteil auf Raumtemperatur abgekühlt wird, kann zwischen 5 Minuten und 600 Minuten betragen.
Nach einer Ausführungsvariante des Verfahrens kann aber auch vorgesehen werden, das Sinterbauteil 1 nach der Erhitzung auf die dritte Temperatur und vor der Abkühlung des Sinterbauteils 1 auf Raumtemperatur in einem dritten Aufheizabschnitt 15 auf eine vierte Temperatur erhitzt wird, die um 10°C bis 100 °C höher ist, als die dritte Temperatur.
Das Aufheizen im dritten Aufheizabschnitt 15 kann mit einer Heizrate zwischen 0,1 K/s und 10 K/s erfolgen. Das Aufheizen kann mit einer linearen Heizrate erfolgen, so wie dies in 1 dargestellt ist. Es sind aber auch andere Heizraten anwendbar, beispielsweise eine stufenförmige oder eine kurvenförmige.
Die vierte Temperatur kann in einem weiteren Halteabschnitt 16 bis zum Abkühlen des Sinterbauteils 1 im weiteren Abkühlschnitt 14 konstant gehalten wird (im Rahmen der Regeltoleranzen der Vorrichtung).
Es ist also im Rahmen der Erfindung möglich, dass die Zeitdauer zwischen dem weiteren Aufheizabschnitt 12 und dem weiteren Abkühlabschnitt 14 auf mehrere unterschiedliche Temperaturen in Halteabschnitten 13, 16 mit jeweils konstanter Temperatur aufgeteilt wird.
Die Aufteilung der voranstehend genannten gesamten Zeitdauer auf die Halteabschnitte 13, 16 kann zwischen 1:1 und 1:3 betragen.
Es ist aber auch möglich, dass über die gesamte Zeitdauer nur der erste Halteabschnitt 13 mit konstanter Temperatur vorhanden ist, und dass danach die Temperatur des Sinterbauteils 1 mit eine Heizrate bis zum weiteren Abkühlabschnitt 14 erhöht wird. Die Heizrate kann dabei ausgewählt sein aus dem zum dritten Aufheizabschnitt 15 genannten Bereich und kann gegebenenfalls über die die Zeitdauer zwischen dem Halteabschnitt 13 und dem weiteren Abkühlabschnitt 14 variieren. Es ist weiter möglich, dass zwischen dem Nitrierabschnitt 10 oder dem weiteren Aufheizabschnitt 12 und dem weiteren Abkühlabschnitt 14 kein Halteabschnitt 13, 16 mit konstanter Temperatur vorhanden ist, sondern dass die Temperatur des Sinterbauteils 1 mit eine Heizrate bis zum weiteren Abkühlabschnitt 14 ständig erhitzt wird. Die Heizrate kann dabei ausgewählt sein aus einem Bereich von 0,1 K/s bis 10 K/s. Dabei kann gegebenenfalls vorgesehen werden, dass der Sinterbauteil 1 mit mehreren unterschiedlichen Heizraten, die alle aus dem genannten Bereich ausgewählt sind, erhitzt wird.
In dieser Zeitspanne zwischen dem Nitrierabschnitt 10 bzw. dem weiteren Aufheizabschnitt 12 und dem weiteren Abkühlabschnitt 14 erfolgt die Auflösung von im Verfahrensablauf gebildeten Carbiden, wie dies bereits voranstehend ausgeführt wurde.
Im weiteren Abkühlabschnitt 14 wird der Sinterbauteil 1 von der dritten Temperatur oder der vierten Temperatur auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Abkühlen kann mit einer Abkühlrate von 0,1 K/s bis 50 K/s erfolgen. Beispielsweise kann die Abkühlung durch Gasabschreckung (z.B. mit Stickstoff, Helium oder Wasserstoff) erfolgen.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, das Sinterbauteil 1 auf mindestens 950 °C, insbesondere auf eine Temperatur zwischen 1000 °C und 1150 °C, als dritte Temperatur oder als vierte Temperatur erhitzt wird.
Es kann nach einer anderen Ausführungsvariante auch vorgesehen werden, dass das Sinterbauteil 1 vor und/oder nach dem Härten mit dem beschriebenen oberflächenverdichtet wird. Die Oberflächenverdichtung kann beispielsweise mittels Drücken, Walzen, etc., durchgeführt werden.
Zudem kann gemäß einer anderen Ausführungsvariante des Verfahrens vorgesehen werden, dass dieses Verfahren so gestaltet wird (im Rahmen der voranstehend beschriebenen Abläufe), dass ein Sinterbauteil 1 hergestellt wird, der eine gehärtete Randschicht 4 mit einem Kohlenstoffgradienten und/oder einem Stickstoffgradienten aufweist, wobei die gehärtete Randschicht 4 die voranstehend genannte Schichtdicke aufweist.
Der Kohlenstoffgradient kann dabei derart ausgebildet sein, dass der Kohlenstoffanteil an dem Sinterbauteil 1 ausgehend von dessen Oberfläche von einem Wert von 1,5 Gew.-% über die Schichtdicke 5 der Randschicht 4 auf einen Wert von 0,1 Gew.-% abnimmt. Die Abnahme kann dabei linear, exponentiell oder logarithmisch erfolgen.
Der Stickstoffgradient kann derart ausgebildet sein, dass der Stickstoffanteil an dem Sinterbauteil 1 ausgehend von dessen Oberfläche von einem Wert von 2 Gew.-% über die Schichtdicke 5 der Randschicht 4 auf einen Wert von 0 Gew.-% abnimmt. Die Abnahme kann dabei linear, exponentiell oder logarithmisch erfolgen.
Eine andere Ausführungsvariante des Verfahrens sieht vor, dass das Sinterbauteil 1 mit zumindest einem Bereich hergestellt wird, der eine zu den restlichen Bereichen unterschiedliche Dichte aufweist. Diese Bereiche können dabei in radialer Richtung oder in axialer Richtung unmittelbar aneinander angrenzend ausgebildet sein. Beispielsweise kann dies durch die Herstellung von unterschiedlichen Porositäten erreicht werden.
Nur der Vollständigkeit halber sein angemerkt, dass die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zumindest eine Behandlungskammer, zumindest eine Absaugleitung zur Erzeugung des Unterdrucks in der Behandlungskammer, und zumindest eine Zufuhrleitung zur Einspeisung des Kohlenstoffspendergases bzw. des Stickstoffspendergases aufweist. Daneben können noch Einrichtungen zur Erhitzung bzw. Kühlung des Sinterbauteils 1 vorhanden sein. Weiter können entsprechende Regeleinrichtungen, insbesondere zur Regelung der Temperatur während der Durchführung des Verfahrens vorhanden sein. Weitere An- bzw. Einbauten sind selbstverständlich möglich.
Weiter sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch mehrere Sinterbauteile 1 gleichzeitig in der Behandlungskammer der Vorrichtung dem Verfahren unterzogen werden können.
Zur Evaluierung des Verfahrens wurden Beispiele mit folgenden Parametern durchgeführt.
Sinterbauteile 1 aus einem chromfreien Sinterstahlpulver wurden im Aufheizabschnitt 2 mit einer Aufheizrate zwischen 0,05 K/s und 1,5 K/s auf eine Temperatur zwischen 800 °C und 1070 °C aufgeheizt. Danach wurde diese Temperatur im Aufkohlungsabschnitt 3 für 1 Stunde bis 6 Stunden konstant gehalten. Während dieser Zeitspanne wurden zwischen einem und 20 Gaspulse 6 abgegeben, wobei die Gaspulse 6 zwischen 1 Minute und 10 Minuten dauerten. Als Aufkohlungsgas wurde Methan verwendet. Die Zeitspanne 8 zwischen den Gaspulsen betrug zwischen 1 Minute und 30 Minuten. Nach dem Aufkohlungsabschnitt 3 wurden die Sinterbauteile 1 im Abkühlabschnitt 9 mit einer Kühlrate zwischen 0,1 K/s und 50 K/s auf eine Temperatur abgekühlt, die um 40 °C bis 100 °C geringer ist als die Temperatur im Aufkohlungsabschnitt 3. Im Nitrierabschnitt 10 wurde für eine Dauer von 60 Minuten bis 300 Minuten Methylamin zugeführt. Danach wurden die Sinterbauteile 1 im Aufheizabschnitt 12 mit einer Aufheizrate zwischen 0,05 K/s und 1,5 K/s auf eine Temperatur im Halteabschnitt 13 aufgeheizt, die um 50 °C bis 250 °C höher war als die Temperatur im Aufkohlungsabschnitt 3. Im weiteren Aufheizabschnitt 15 wurden die Sinterbauteile 1 mit einer Aufheizrate zwischen 0,05 K/s und 1,5 K/s auf eine Temperatur des Halteabschnitts 16 aufgeheizt, die um eine Temperatur zwischen 0 °C und 100 °C höher war als die Temperatur im Halteabschnitt 13. Schließlich wurden die Sinterbauteile 1 im Abkühlabschnitt 14 mit einer Kühlrate zwischen 0,1 K/s und 50 K/s auf Raumtemperatur abgekühlt.
Der Druck während der Durchführung des Verfahrens betrug ab Beginn des Aufkohlungsabschnittes 3 zwischen 10^-3 und 10^-6 mbar (Druckkurve 11).
Die Nitrierung im Nitrierabschnitt 10 erfolgte innerhalb einer Zeit zwischen 60 Minuten und 300 Minuten.
Die Sinterbauteile 1 wiesen danach eine Randschicht 4 mit um 0,01 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% erhöhtem Kohlenstoffanteil und zwischen 0,01 Gew.-% und 2 Gew.-% erhöhtem Stickstoffanteil auf, deren Schichtdicke 5 zwischen 0,01 mm und 1,5 mm betrug.
Die Ausführungsbeispiele zeigen bzw. beschreiben mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass die Figuren nicht notwendigerweise maßstäbliche Darstellungen sind.
Bezugszeichenliste

1: Sinterbauteil
2: Aufheizabschnitt
3: Aufkohlungsabschnitt
4: Randschicht
5: Schichtdicke
6: Gaspuls
7: Zeitspanne
8: Zeitspanne
9: Abkühlungsabschnitt
10: Nitrierabschnitt
11: Druckkurve
12: Aufheizabschnitt
13: Halteabschnitt
14: Abkühlabschnitt
15: Aufheizabschnitt
16: Halteabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10118494 A1 [0003, 0032]

Claims

Verfahren zur Härtung eines Metallbauteils umfassend die Schritte: - Aufheizen des Metallbauteils auf erste Temperatur zwischen 750 °C und 1100 °C; - Erhöhung des Kohlenstoffanteils im Metallbauteil durch Beaufschlagung des Metallbauteils bei der ersten Temperatur mit einem Kohlenstoffspendergas; - Abkühlen des Metallbauteils auf eine zweite Temperatur, die um 40 °C bis 100 °C geringer ist als die erste Temperatur; - Erhöhung des Stickstoffanteils im Metallbauteil durch Beaufschlagung des Metallbauteils bei der zweiten Temperatur mit einem Stickstoffspendergas; - Abkühlen des Metallbauteils auf Raumtemperatur; dadurch gekennzeichnet, dass als Metallbauteil ein Sinterbauteil (1) eingesetzt wird und dass nach der Erhöhung des Stickstoffanteils im Sinterbauteil (1) und vor der Abkühlung des Sinterbauteils (1) auf Raumtemperatur das Sinterbauteil (1) auf eine dritte Temperatur erhitzt wird, die um 50°C bis 250 °C höher ist, als die zweite Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterbauteil (1) nach der Erhitzung auf die dritte Temperatur und vor der Abkühlung des Sinterbauteils (1) auf Raumtemperatur auf eine vierte Temperatur erhitzt wird, die um 10°C bis 70 °C höher ist, als die dritte Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterbauteil (1) auf mindestens 950 °C als dritte Temperatur oder als vierte Temperatur erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein chromfreier Sinterbauteil (1) eingesetzt wird, insbesondere ein Sinterbauteil (1) aus einem chromfreien Sinterstahl.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoffspendergas in Form von Gaspulsen (6) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Stickstoffspendergas eine Stickstoff-Wasserstoffverbindung eingesetzt wird, insbesondere Ammoniak oder eine Amin.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterbauteil (1) vor und/oder nach dem Härten verdichtet wird, insbesondere oberflächenverdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sinterbauteil (1) hergestellt wird, der eine gehärtete Randschicht (4) mit einem Kohlenstoffgradienten und/oder einem Stickstoffgradienten aufweist, wobei die gehärtete Randschicht (4) eine Schichtdicke (5) zwischen 0,1 µm und 1500 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterbauteil (1) mit zumindest einem Bereich hergestellt wird, der eine zu den restlichen Bereichen unterschiedliche Dichte aufweist.
Sinterbauteil (1) aus einem chromfreien Sinterstahl, dadurch gekennzeichnet, das Sinterbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist und eine der eine Mindestdichte von 7,0 g/cm³ aufweist.