DE10254846B4

DE10254846B4 - Verfahren zum Einsatzhärten von Bauteilen aus Warmarbeitsstählen mittels Unterdruckaufkohlung

Info

Publication number: DE10254846B4
Application number: DE2002154846
Authority: DE
Inventors: Nils Lippmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: FR2847591A1; DE10254846A1; FR2847591B1

Abstract

Verfahren zum Einsatzhärten von Bauteilen aus Warmarbeitsstählen mittels Unterdruckaufkohlung gekennzeichnet durch folgende Schritte:
– Festlegen des erforderlichen Randkohlenstoffgehalts für die jeweilige Aufkohlungstemperatur durch thermodynamische Simulation;
– Erwärmen der Bauteile unter Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum auf eine Temperatur im Bereich von oberhalb 400°C bis zur Aufkohlungstemperatur;
– Ersetzen der Schutzgasatmosphäre oder des Vakuums durch eine Wasserstoffatmosphäre; und
– Aufkohlen der Bauteile und Einstellen des festgelegten Randkohlenstoffgehalts durch Diffusion.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einsatzhärten von Bauteilen aus Warmarbeitsstählen mittels Unterdruckaufkohlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Bauteile aus Warmarbeitsstählen werden üblicherweise bei höheren Temperaturen eingesetzt. Da Düsenkörper für moderne DI-Einspritzsysteme zunehmend bei Arbeitstemperaturen bis zu 360°C verwendet werden, ist für diese der Einsatz von Warmarbeitsstählen sinnvoll. Durchgreifend gehärtete Warmarbeitsstähle erfüllen häufig jedoch nicht die Anforderungen an die Bauteilfestigkeit. Eine Behandlung der Warmarbeitsstähle mit konventionellen Einsatzhärteverfahren, z. B. dem Prozessgasaufkohlen, würde zu innerer Oxidation und damit einem Festigkeitsabfall führen.
Bei der Herstellung der Düsenkörper werden vor dem Wärmebehandeln Innenbohrungen und Verrundungen mit einem ECM-Verfahren (Electro Chemical Machining) hergestellt. Die dabei entstehenden Oberflächen sind jedoch beim Aufkohlen infolge einer Oberflächenpassivierung sehr schlecht behandelbar, da edlere Legierungselemente wie z. B. Cr an der Oberfläche verbleiben, bzw. Legierungselemente oxidieren und Metalloxide und -hydraoxyde Me_xO_y[OH]_z gebildet werden.
Die für die Wärmebehandlung anzuwendenden Behandlungsparameter und resultierenden Gefügestrukturen bei aus Festigkeits- und Verschleißanforderungen resultierenden Härtewerten sind vor der Prozessentwicklung nicht bekannt, da Warmarbeitsstähle üblicherweise nicht einsatzgehärtet werden.
Aus der GB 1559690 A ist ein Verfahren zur Behandlung von Stahlprodukten bekannt. Hierbei erfolgt ein Einsatzhärten von hoch legiertem Werkzeugstahl, bei dem der Stahl in einer nicht aufkohlenden und nicht oxidierenden Atmosphäre aus Ammoniak, Stickstoff, Wasserstoff, Argon oder Mischungen dieser Gase bei Unterdruck erwärmt und dann bei einer Haltetemperatur in einer Kohlenstoff enthaltenden Atmosphäre aufgekohlt wird.
Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Herstellung von Düsenkörpern beschränkt, sondern auf alle Bauteile aus Warmarbeitsstählen mit besonderen Temperatur-, Festigkeits- und Verschleißanforderungen anwendbar ist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die durch die ECM-Behandlung auf den betreffenden Flächen entstehenden Me_xO_y[OH]_z-Schichten reduziert werden können.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass eine gleichmäßige Aufkohlung bei geometrisch komplexen Bauteilen z. B. mit Bohrungsinnenbereichen gewährleistet ist.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Anlassbeständigkeit und Warmfestigkeit bis zu einer Beanspruchungstemperatur von mindestens 360°C erzielt werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist vorteilhaft, wenn das Aufkohlen in einem Druckbereich von ungefähr 2 × 10² bis ungefähr 20 × 10² Pa, vorzugsweise mit Druckpulsen von 0,7 bis 2 Minuten und Pausen zwischen 0,7 und 10 Minuten mit Kohlenwasserstoffen (C₃H₈, C₂H₄, C₂H₂) durchgeführt wird.
Zusätzliche Vorteile ergeben sich durch die Möglichkeit, den erforderlichen Randkohlenstoffgehalt durch eine thermodynamische Simulation festzulegen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 schematisch den allgemeinen Prozessablauf beim Einsatzhärten von Bauteilen aus Warmarbeitsstählen mittels Unterdruckaufkohlung;
2 schematisch den Prozessablauf der Wärmebehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
3 den Kohlenstoffgehalt in Austenit bei verschiedenen Gesamtkohlenstoffgehalten; und
4 die Phasenzusammensetzung eines aufgekohlten Stahls bei unterschiedlichen Gesamtkohlenstoffgehalten.
Ausführungsbeispiele
Wie schematisch in 1 dargestellt, werden Düsenkörper aus Warmarbeitstahl (z. B. X40 CrMoV 51) zunächst mechanisch bearbeitet (Schritt 1), danach erfolgt die ECM-Bearbeitung der Innenbohrungen (Schritt 2). Nach dem ECM muss in einer Zwangsverkettung, d. h., mit sehr kurzen Abständen von einigen Sekunden, das Reinigen (Schritt 3) in einem wässrigen Reinigungsmedium (z. B. Neutralreiniger) erfolgen, um die Ausbildung dickerer Me_xO_y[OH]-Schichten zu vermeiden. Im Anschluss an die Reinigung werden die Bauteile getrocknet. Bei längerer Lagerung zwischen der ECM-Bearbeitung und dem Härten empfiehlt sich eine Konservierung mit einem Dewatering-Fluid und nochmaliges Reinigen vor der Wärmebehandlung.
Das Einsatzhärten mittels Unterdruckaufkohlen (Schritt 4) wird in einem Ein- oder Mehrkammer-Vakuumofen durchgeführt, wie in 2 gezeigt. Zunächst erfolgt das Erwärmen 10 konvektiv unter Stickstoff bei einem Druck > 0,8 × 10⁵ Pa oder im Vakuum. Ab einer Temperatur von oberhalb ungefähr 400°C bis zur Aufkohlungstemperatur (z. B. 960°C), jedoch sinnvollerweise bei höheren Temperaturen zwischen 800°C und der Behandlungstemperatur wird in einer Erwärm- und Aktivierphase 11 die Stickstoffatmosphäre oder das Vakuum durch einen Wasserstoffpartialdruck von 1 × 10² – 100 × 10² Pa ersetzt. Zum besseren Gasaustausch bei Bauteilen mit Sacklochbohrungen kann dies bspw. auch pulsierend mit einem Druckpuls in einer Länge von 1 bis 10 min und einer Abpumpdauer von mindestens 1 min bis max. 10 min erfolgen. Die Durchflussmenge für die Wasserstoffzugabe liegt dabei im Bereich von 100 bis 2000 Nl/h (Normliter/Stunde).
Eine Verbesserung der Aktivierung kann sowohl durch die Verlängerung der Haltedauer vor dem Aufkohlen als auch durch eine Temperaturerhöhung auf > 920°C bis ca. 1020°C, d. h., einer höheren Aktivierungstemperatur als die eigentliche Aufkohlungstemperatur erzielt werden. Kurz vor dem Aufkohlen wird jedoch der Wasserstoff abgepumpt, um eine Verunreinigung des Aufkohlungsgases mit Wasserstoff zu vermeiden.
Nach der Erwärm- und Aktivierphase erfolgt das Aufkohlen 12 der Bauteile (Schritt 4 in 1). Bei den üblichen Einsatzstählen liegt der erforderliche Randkohlenstoffgehalt für das Erreichen der maximalen Härte je nach Legierungsgehalt bei etwa 0,6 bis 0,8 Masse-% C. Aufgrund des großen Anteiles von carbidbildenden Legierungselementen (Cr, Mo, V) in Warmarbeitsstählen muss der Randkohlenstoffgehalt zum Erreichen der maximalen Härte höher liegen, da eine nicht unerhebliche Menge an Kohlenstoff durch Carbide gebunden wird. Zur Reduzierung der Anzahl der Versuche zur Verfahrensentwicklung wird der erforderliche Randkohlenstoffgehalt beispielsweise basierend auf Berechnungen mit thermodynamischen Simulationsprogrammen (z. B. Thermocalc) festgelegt. Das in 3 dargestellte Diagramm gibt den in der austenitischen Matrix gelösten Kohlenstoffgehalt bei unterschiedlichen Temperaturen an. Aus diesem Diagramm kann entnommen werden, dass z. B. bei einer Temperatur von 960°C ein Gesamtkohlenstoffgehalt von etwa 1,2 Masse-% vorliegen muss, um etwas über 0,6 Masse-% C in der Matrix zu lösen, d. h., die maximale Härte zu erreichen.
Aus 4 können die bei der Aufkohlung entstehenden Phasen entnommen werden. Bei einer Aufkohlungstemperatur von 960°C sind z. B. bei 1,2 Masse-% Gesamtkohlenstoffgehalt 4,6 Vol-% des Carbides M7C3 und 1,5 Vol-% des Carbides MC in der Mikrostruktur zu erwarten. Auf dieser Basis erfolgt die Festlegung der erforderlichen Aufkohlungstemperatur und der Aufkohlungszyklen, d. h., der Länge und der Anzahl der erforderlichen Aufkohlungspulse für das Unterdruckaufkohlen.
Das Aufkohlen selbst wird mit ungesättigten Kohlenwasserstoffen (z. B. Ethen oder Ethin) als Prozessgas bei Temperaturen zwischen 920°C und 1000°C durchgeführt. Dabei erfolgt bevorzugt eine pulsierende Aufkohlung bei 3 × 10² bis 20 × 10² Pa, d. h., einem Aufkohlungspuls mit einer Länge zwischen 0,5 und 5 min folgt eine Evakuierungsphase von etwa 0,5 bis etwa 10 min. Nach der Aufkohlung wird in einer Diffusionsphase 13, die ebenfalls im Temperaturbereich der Aufkohlung durchgeführt wird, der erforderliche Randkohlenstoffgehalt und die Einsatzhärtungstiefe eingestellt.
Mittels Hochdruck-Gasabschrecken 14 in Stickstoff, Helium oder Wasserstoff bei 2 bis 20 bar Druck werden die Bauteile direkt von der Temperatur der Aufkohlung oder Diffusion abgeschreckt.
Nach dem Härten erfolgt das Tiefkühlen 15 der Bauteile (Schritt 5 in 1) bei Temperaturen zwischen –70°C und –196°C. Das Anlassen 16 (Schritt 6 in 1) erfolgt danach entweder im Vakuumofen oder in einem separaten, evakuierbaren Anlassofen oder auch in einem Luftumwälzofen bei Temperaturen bis zu 400°C. Die Bauteile können dann hart weiter bearbeitet werden (Schritt 7 in 1).
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt beispielsweise ein Simulationsprogramm zur Ermittlung der Prozessparameter der Aufkohlung, insbesondere der Länge und Anzahl der Aufkohlungspulse zum Einsatzhärten. So kann bspw. mit dem Simulationsprogramm Thermocalc unter der Annahme von thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen der erforderliche Randkohlenstoffgehalt berechnet werden, um mindestens 0,6% Matrixkohlenstoffgehalt zum Erzielen der größtmöglichen Härte zu erhalten. Da in den Warmarbeitsstählen viele Sonderlegierungselemente enthalten sind, ist dieser Randkohlenstoffgehalt in diesem Falle in Abhängigkeit von der Temperatur und damit dem Lösungsgrad an Kohlenstoff entsprechend höher. Gleichzeitig kann der zu erwartende Volumenanteil an Primärcarbiden berechnet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch die Herstellung einer aktivierten Oberfläche für die Kohlenstoffaufnahme durch eine Reduktionsbehandlung vor dem Aufkohlen beim Erwärmen und thermisch-chemischen Aktivieren bei höheren Temperaturen als der Aufkohlungstemperatur mittels Wasserstoffzugabe bei gleichmäßigem oder pulsierendem Druck von 1 × 10² bis 100 × 10² Pa. Diese Behandlung reduziert die durch die ECM-Bearbeitung auf den betreffenden Flächen entstehenden Me_xO_y[OH]_z-Schichten und gewährleistet die gleichmäßige Aufkohlung im gesamten beeinflussten Bereich.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte warmfeste DI-Düsenkörper weisen günstigere Festigkeitseigenschaften durch den Wegfall der inneren Oxidation infolge Vakuumwärmebehandlung auf. Des weiteren zeigen die mit diesem Verfahren hergestellten Düsenkörper gleichmäßig aufgekohlte Randschichten im gesamten Innen- und Außenbereich. Die Düsenkörper sind bis mindestens 360°C anlassbeständig.

Claims

Verfahren zum Einsatzhärten von Bauteilen aus Warmarbeitsstählen mittels Unterdruckaufkohlung gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Festlegen des erforderlichen Randkohlenstoffgehalts für die jeweilige Aufkohlungstemperatur durch thermodynamische Simulation; – Erwärmen der Bauteile unter Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum auf eine Temperatur im Bereich von oberhalb 400°C bis zur Aufkohlungstemperatur; – Ersetzen der Schutzgasatmosphäre oder des Vakuums durch eine Wasserstoffatmosphäre; und – Aufkohlen der Bauteile und Einstellen des festgelegten Randkohlenstoffgehalts durch Diffusion.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufkohlungstemperatur im Bereich von 920°C bis 1000°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufkohlen mit Kohlenwasserstoffen als Prozessgas durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufkohlen in einem Druckbereich von ungefähr 2 × 10² bis ungefähr 20 × 10² Pa, vorzugsweise mit Druckpulsen von 0,7 bis 2 Minuten und Pausen zwischen 0,7 und 10 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Schutzgases > 0,8 × 10⁵ Pa beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge des Wasserstoffs im Bereich von ungefähr 100 bis ungefähr 2000 Nl/h liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff unmittelbar vor dem Aufkohlen abgepumpt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile nach dem Aufkohlen einer Hochdruck-Gasabschreckung unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile nach der Hochdruck-Gasabschreckung tiefgekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile nach dem Tiefkühlen einer Anlassbehandlung unterzogen werden.