DE1065442B - Verfahren zum Härten von Werkstücken und Werkzeugen aus Stahl mit Überzügen aus Titancarbid oder -nitrid - Google Patents

Description

DEUTSCHES

■σ

kl. 18 c 8/80

PATENTAMT

INTERNAT. KL.

C 21

ANMELDETAG:

M 24401VI/18c

7. SEPTEMBER 1954

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DES
AUSLEGESCHRIFT: 17. SEPTEMBER 1959

Als Werkstoffe für Werkstücke, insbesondere Maschinenteile, die hohen Verschleißbeanspruchungen ausgesetzt sind, hat man schon Stähle und andere Metalle oder Legierungen benutzt, die mit Überzügen aus harten Carbiden, insbesondere der Metalle der III. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems, versehen waren. Das Aufbringen derartiger Überzüge erfolgte meist bei verhältnismäßig hohen Temperaturen von 900 bis 1200° C. Bei diesen Temperaturen werden fast alle Stähle und ähnliche Werkstoffe weich. Die nach den bekannten Verfahren hergestellten Werkstücke und Maschinenteile mit Überzügen aus hochschmelzenden Carbiden bestehen daher aus einem verhältnismäßig weichen Grundwerkstoff und einem sehr harten Überzug. Diese Werkstoffkombination ist nur für solche Maschinenteile und Werkstücke erfolgreich zu verwenden, die vorwiegend auf Reibung, nicht aber gleichzeitig auch auf hohe Drücke beansprucht werden, wie dies beispielsweise bei Werkzeugen für spanlose Formgebung und belasteten gleitenden Maschinenteilen der Fall ist. Bei Reibung und gleichzeitiger hoher Druckbeanspruchung treten plastische Verformungen im weichen Grundwerkstoff auf, wobei Teile der Überzüge herausbrechen und auf die verbliebenen Teile der Überzüge und den Grundwerkstoff als Schmirgel wirken.

Es bestand bisher die Ansicht, daß ein übliches Härten von Werkstücken, insbesondere Maschinenteilen aus Stahl mit einem Überzug aus hochschmelzenden Carbiden, beispielsweise Titancarbid, nicht möglich sei, da derartige Überzüge beim Abschrecken von hohen Temperaturen vom Grundwerkstoff infolge der auftretenden Spannungen und der bekannten Sprödbrüchigkeit der Carbidüberzüge abplatzen müßten. Es ist aber bekannt, Schnellstähle, die in ihrer Oberfläche vereinzelt Carbid enthalten, in normaler Schutzgasatmosphäre zu härten. Versuche, Werkstücke mit Titancarbidüberzüge auf die gleiche Weise zu härten, führten jedoch zu einer Zerstörung der Überzüge. Andererseits ist bekannt, oxydationsempfindliche Metalle in Gegenwart von Erdalkalimetallen wegen deren starker Affinität zum Sauerstoff unter Schutzgas zu härten. Es war aber nicht anzunehmen, daß das Abplatzen der Titancarbidüberzüge auf einer Oxydationsempfindlichkeit beruhte, da die Titancarbidüberzüge als zunderbeständig angesehen wurden.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß man Maschinenteile und andere Werkstücke aus durch Abschrecken an Luft oder in öl härtbaren Stählen mit Überzügen aus Titancarbid oder -nitrid durch die übliehen Wärmebehandlungen härten kann, ohne daß hierbei diese Überzüge vom Grundwerkstoff abplatzen, wenn man das Glühen bei Härtetemperatur und vorzugsweise auch das Abschrecken in einer Atmosphäre Verfahren zum Härten

von Werkstücken und Werkzeugen

aus Stahl mit überzügen aus Titancarbid

oder -nitrid

Anmelder:

Metallgesellschaft Aktiengesellschaft, Frankfurt/M., Reuter weg 14

Willi Ruppert, Frankfurt/M.,

und Gottfried Schwedler, Offenbach/M., sind als Erfinder genannt worden

vornimmt, die extrem frei von Sauerstoff und/oder unter den Glühbedingungen Sauerstoff abgebenden Verbindungen, wie Wasserdampf und flüchtigen Metallverbindungen, ist. Die Schutzgasatmosphäre kann beispielsweise durch Behandeln bei erhöhter Temperatur in bekannter Weise mit Metallen, die eine große Affinität zu Sauerstoff besitzen, und/oder geeigneten Verbindungen derselben, insbesondere ihren Nitriden, gereinigt werden. Als Schutzgas wird vorzugsweise Stickstoff verwendet, den man aber auch gegebenenfalls ganz oder teilweise durch andere geeignete Gase, wie Wasserstoff, gespaltenes Ammoniak und Edelgas, ersetzen kann.

Metalle, die die für den Reinigungsprozeß notwendige Affinität zu Sauerstoff besitzen, sind beispielsweise die Alkalimetalle, die Erdalkalimetalle, die Metalle der Gruppe des Aluminiums und Titans sowie deren Legierungen.

Es wurde nämlich gefunden, daß derartige Carbidschichten nicht durch Abplatzen beim Härten zerstört werden, sondern durch Oxydation. Die geringen Gehalte an oxydierenden Substanzen in den üblichen Schutzgasen reichen aus, derartige Überzüge bei den hohen Temperaturen zu zerstören. Diese Überzüge werden meist in verhältnismäßig dünnen Schichten von bis zu etwa 50 μ (= 0,050 mm) aufgebracht, und es ergab sich daher, trotz der nur geringen Oxydationsanfälligkeit der Carbide gegen Sauerstoff und Sauerstoff abgebende Substanzen, insbesondere gegen flüchtige Metalloxyde, bei sehr hohen Temperaturen, die Notwendigkeit, beim Härteprozeß völlig frei von oxydierenden Substanzen zu arbeiten.

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Einige der Metalle, die für die Reinigung der Schutzgasatmosphäre Verwendung finden können, beispielsweise Magnesium, Kalzium, Aluminium und Titan, bilden sehr beständige Nitride. Dies ist jedoch auch beim Arbeiten mit stickstoffhaltiger Schutzgasatmosphäre kein Nachteil, da die Nitride durch Sauerstoff und seine Verbindungen, insbesondere Wasserdampf, bei hohen Temperaturen unter Abgabe von Stickstoff in die Oxyde übergeführt werden, so daß diese Metalle nicht unwirksam werden. Die Eigenschaft, Nitride zu bilden, kann man sogar vorteilhaft dazu ausnutzen, um in abgeschlossenen Glühkammern die Ausbildung von Überdruck bei hohen Temperaturen zu vermeiden, wenn man Stickstoff als Schutzgas verwendet. Der Stickstoff wird entsprechend der Menge des vorgelegten Metalls als Nitrid gebunden und scheidet damit praktisch aus der Gasphase aus.

Eine besonders günstige Durchführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens sei an folgendem Beispiel beschrieben. Ziehdüsen aus einem öl- und/oder lufthärtenden Stahl mit etwa 12% Chrom, etwa 2% Kohlenstoff und einigen weiteren, nur ingeringen Mengen vorliegenden Legierungskomponenten wurden nach Feinstbearbeitung des Ziehkanals mit einem Überzug aus Titancarbid bei Temperaturen von 900 bis 960° C versehen und im Ofen abgekühlt. Die Härte des Grundwerkstoffes lag nach dem Aufbringen des Überzuges bei etwa 44 bis 47 HRC (Rockwellhärte C).

Diese Ziehdüsen werden nun zusammen mit Magnesium- und/oder Kalziumspänen in einen möglichst rostfreien Stahlbehälter 1 gebracht, wie er in Abb. 1 skizziert ist. Dann wird die Kappe 2 mit dem Einleitungsrohr 3 gasdicht aufgesetzt, beispielsweise aufgeschweißt oder aufgepreßt, der Behälter über das Einleitungsrohr evakuiert und mit Stickstoff gefüllt. Anschließend wird das Einleitungsrohr 3 mit dem Stopfen 4 gasdicht verschlossen. Erfolgt das Verschließen des Behälters durch Schweißen, so wird während der Schweißarbeiten der untere Teil des +° Behälters, in dem sich die Düsen befinden, vorzugsweise mit Wasser gekühlt.

Der verschlossene Stahlbehälter wird in einen Glühofen gebracht, in üblicher Weise auf die Härtetemperatur aufgeheizt und bei dieser so lange belassen, wie es den Abmessungen von Ziehdüsen und Schutzbehälter entspricht. Um eine übermäßige Verzunderung des Schutzbehälters beim Glühen zu viermeiden, kann man durch den Glühofen handelsüblichen Stickstoff leiten.

Nach beendeter Glühung auf Härtetemperatur wird der Schutzbehälter, in dem sich die zu härtenden Düsen befinden, in Wasser abgeschreckt. Nach völligem Erkalten wird die Verschlußkappe abgesägt oder abgedreht, und die Düsen werden entnommen. Die Härte des gleichen Grundmaterials sämtlicher Düsen einer Härtung war gleich, wenn für die ungehinderte Wärmeabstrahlung ein hinreichender Abstand zwischen den einzelnen Düsen in den Schutzbehältern eingehalten wurde. Die Härten von verschiedenen Härtungen schwankten entsprechend den Streuungen der Versuchsbedingungen zwischen 64 und 66 HRC. Der Überzug haftete auch nach dem Härten fest auf dem Grundmaterial und zeigte keinen Oxydationsangriff. Die Düsen können auf die gewünschte Arbeitshärte angelassen werden, was auch im Anschluß an das Abschrecken in dem verschlossenen Behälter geschehen kann. Die Teile des Schutzbehälters sind für weitere Härtungen zu verwenden.

Dieses am Beispiel von Ziehdüsen erläuterte Härteverfahren für öl- und/oder lufthärtende Stähle unter gereinigter Schutzgasatmosphäre ist weder auf die Art des zu härtenden Materials noch auf seine Form noch auf die Form des Schutzbehälters beschränkt, sondern kann von Fall zu Fall angepaßt werden. Insbesondere bei der Härtung größerer Werkstücke oder Maschinenteile paßt man die Form der Schutzbehälter der Gestalt des Werkstückes möglichst an und versieht die Wände des Schutzbehälters vorzugsweise mit Kühlrippen, um eine möglichst große Oberfläche für den Wärmeaustausch in der Kühlflüssigkeit zur Verfügung zu haben.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, das auf Werkstücke und Maschinenteile sowohl aus lufthärtenden als auch aus ölhärtenden Stählen mit Überzügen aus harten Carbiden anzuwenden ist, sei an Hand des folgenden Beispiels (Abb. 2) beschrieben:

Die zu härtenden Werkstücke 5 werden mit einer geeigneten Haltevorrichtung 6, zusammen mit etwas Ti N und/oder Magnesium in den Glühtiegel 7 der in Abb. 2 skizzierten Glühanlage gebracht und die Anlage mit dem mit Wasser gekühlten Aufsatz 8 verschlossen, in den eine von außen zu betätigende Kurbel 9 gasdicht eingelassen ist. An der Kurbel 9 ist die Kette 10 der Haltevorrichtung 6 befestigt, so daß mit Hilfe der Kurbel 9 das zu härtende Werkstück 5 aus dem Glühticgel 7 in den Aufsatz 8 zu ziehen ist, ohne daß die Anlage geöffnet werden muß. Nach dem Einführen des Härtegutes in den Tiegel 7 und Verschließen der Anlage wird diese über den Stutzen 11 evakuiert und mit durch Überleiten über Magnesium bei 550° C und über Titan und/oder Titannitrid bei 1000° C gereinigtem Stickstoff gefüllt und der Stutzen 11 durch das Überdruckventil 12 geschlossen. Jetzt wird das Heizaggregat 13 über den Glühtiegel 7 geschoben, wie üblich auf die Härtetemperatur angeheizt und dort den Abmessungen des Werkstückes entsprechend lange gehalten. Nun zieht man das Werkstück 5 mit der Haltevorrichtung 6 mit Hilfe der Kurbel 9 und der Kette 10 rasch in den gekühlten Aufsatz 8 und läßt in ruhender Atmosphäre erkalten, während man das Heizaggregat 13 vom Glühtiegel 7 entfernt. Die erzielte Härtung hängt neben den Versuchsbedingungen von der Stahlsorte und den Abmessungen des Werkstückes ab. Das Anlassen kann wie üblich erfolgen.

Es ist hierbei auch möglich, während des Abkühlens gereinigten Stickstoff in den gekühlten Aufsatz durch geeignete Einleitungen einzublasen.

Wünscht man die Härtung in Öl vorzunehmen, so hat man lediglich in den Aufsatz 8 eine hinreichend große Ölwanne 14 (gestrichelt) einzubauen, in deren Öl die zu härtenden Werkstücke aus dem Glühtiegel nach dem Glühen auf Härtetemperatur zu ziehen sind. Es wurde gefunden, daß es nicht notwendig ist, die Abkühlung bis auf Raumtemperatur in der verschlossenen Apparatur vorzunehmen, sondern daß man die Werkstücke schon bei Temperaturen von 500 bis 550° C aus der Schutzgasatmosphäre herausnehmen und an Luft abkühlen lassen oder in öl oder Wasser abschrecken kann.

Auf diese Weise ist es möglich, Stahl als Grundmaterial in der Form des Bainit zu härten.

Die abgeschreckten Werkstücke und Maschinenteile können wie üblich angelassen werden.

Gegebenenfalls kann an das Anlassen noch eine Tieftemperaturbehandlung in bekannter Weise bei -70 bis -100°C, vorzugsweise bei -80 bis -85° C, angeschlossen werden, um den Restaustenit umzuwandeln. Diese Tieftemperaturbehandlung kann in be-

kannter Weise nach nochmaligem Anlassen wiederholt werden.

Die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Abb. 2 hat den Vorteil, daß sie mit dem Herstellungsverfahren, bei dem die Karbide durch Reaktion aus der Gasphase bei erhöhter Temperatur abgeschieden werden, unmittelbar verbunden werden kann, indem man in dem Glühtiegel 7 in entsprechender Atmosphäre die Überzugsbildung durchführt, gegebenenfalls die Reaktionsatmosphäre austauscht und die überzogenen Werkstücke von der Herstellungstemperatur, die vorzugsweise gleich der Härtetemperatur ist, wie beschrieben in den gekühlten Aufsatz 8 überführt und in ruhendem Gas, gegebenenfalls in Öl, abschreckt.

Das erfindungsgemäße Verfahren der Härtung von Werkstücken aus luft- und ölhärtenden Stählen mit Überzügen aus Titancarbiden oder -nitriden ist insbesondere anzuwenden bei Werkstücken mit feinstbearbeiteten Oberflächen, die durch den Härteprozeß nicht beeinträchtigt werden sollen.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Härten von Werkstücken und Werkzeugen aus Stahl, die mit Titancarbiden oder -nitriden überzogen sind, durch Abschrecken in Luft oder in Öl nach dem Lösungsglühen, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Schutzgasatmosphäre lösungsgeglüht wird, die in bekannter Weise absolut frei von Sauerstoff oder bei Glühtemperatur sauerstoffabgebenden Verbindungen gemacht worden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzgas verwendet wird, das durch Behandeln mit Metallen, die eine große Affinität zu Sauerstoff besitzen und/oder mit geeigneten Verbindungen dieser Metalle, insbesondere den Nitriden, bei erhöhter Temperatur von Sauerstoff und leicht Sauerstoff abgebenden Verbindungen, beispielsweise Wasserdampf, gereinigt wurde.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Wärmebehandlung vorgesehene Schutzgasatmosphäre beim Glühen durch Anwesenheit von Magnesium und/oder Kalzium und/oder Titan und/oder deren Nitriden von Sauerstoff und leicht Sauerstoff abspaltenden Verbindungen gereinigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzgas Stickstoff verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu härtenden Werkstücke in einem gasdichten Behälter, vorzugsweise aus Stahl, in sauerstofffreier Stickstoff atmosphäre wärmebehandelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in einem abgedichteten, mit Wasser gekühlten und mit sauerstofffreiem Stickstoff gefüllten Behälter geglüht und aus diesem in einen gekühlten, mit dem gleichen Schutzgas gefüllten Kühlansatz gezogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Glühraum die Aufbringung der Carbidschicht erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 819 100';

Controlled atmospheres for the heat treatment of metals by Ivor Jenkins, 1951, 2. Auflage, S. 347, Z. 9 bis 11.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 909 628/263 9.