DE112011101613T5 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Formgussform - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung bereit, das im Wesentlichen keine Stickstoffverbindungsschicht erzeugt, die Wärmerisse und Abrieb an der Form verursacht, während das Nitrid in großen Mengen in die Form eingeführt wird. Als Resultat wird eine Formgussform mit einer exzellenten Wärmerissfestigkeit und einer exzellenten Abriebfestigkeit erzeugt. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Nitrierens zum Formen einer Nitridschicht an einer sichtbaren Oberfläche der Formgussform durch Einführen von einem wenigstens Ammoniakgas enthaltenden Gas in einen Ofen, wobei die Nitridschicht wenigstens eine von einer Stickstoffverbindung gebildete Verbindungsschicht aufweist, einen Schritt von Zersetzen der Verbindung durch Abziehen des Ammoniakgases von dem Ofen und Einführen eines atmosphärischen Gases in den Ofen, um eine thermische Behandlung zum Zersetzen der Stickstoffverbindung auszuführen, und einen Schritt von Ausführen eines Kugelstrahlverfahrens an der sichtbaren Fläche der Form. Die Dicke der Verbindungsschicht, die in der in dem Schritt des Nitrierens gebildeten Stickstoffschicht enthalten ist, liegt im Bereich von 2 μm bis 7 μm.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Formgussform zum Einbringen einer Druckeigenspannung an einer sichtbaren Oberfläche der Formgussform unter Verwendung eines Kugelstrahlverfahrens.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei einem Formgussgießen mit einem sich wiederholenden Gusskreislauf bestehend aus dem Gießen von geschmolzenem Metall, der Erstarrung und dem Ausformen eines Gussprodukts, können kleine Wärmerisse an einer sichtbaren Oberfläche einer Formgussform aufgrund des thermischen Ablaufs der Gusskreisläufe erzeugt werden. Daher können Abriebspuren aufgrund von mechanischen Kontakten einfach entstehen. Die Wärmerisse können sich zu einem Spalt oder Spalten entwickeln, die die Form beschädigen, und die Abreibung kann die Maßhaltigkeit des Gussprodukts verringern. Um die Wärmerissfestigkeit und die Abriebfestigkeit zur Verlängerung der Produktlebensdauer zu verbessern, werden Verfahren, wie z. B. ein Oberflächennitrierverfahren zum Verbessern der Härte der sichtbaren Oberfläche der Form und ein Kugelstrahlprozess zum Erzeugen einer Druckeigenspannung an der sichtbaren Fläche, ausgeführt.
  • Das Oberflächennitrierverfahren bei einer Gussform wird häufig durch ein Gasnitrierverfahren ausgeführt. Die Hauptgründe hierfür sind die Einfachheit und die Kosten des Verfahrens. Ein Gasnitrierverfahren zersetzt Ammoniakgas unter einer hohen Temperatur und verteilt den erzeugten Stickstoff von der sichtbaren Oberfläche der Form in das Innere der Form, so dass eine diffusionsgehärtete Schicht gebildet wird.
  • Der Kugelstrahlprozess an der Form wird meistens durch Beschleunigen kleiner Kugeln unter Verwendung einer Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen der Kugeln auf die sichtbare Oberfläche der Form durchgeführt. An der sichtbaren Oberfläche der Form wird die Druckeigenspannung basierend auf dem Härtungsprozess durch die Kollisionen der kleinen Kugeln erzeugt.
  • Beispielsweise offenbart das Patentdokument 1 wie zunächst die sichtbare Oberfläche der Form durch ein Flächennitrierverfahren bearbeitet wird, um eine stickstoffdiffusionsgehärtete Schicht zu bilden. Anschließend wird ein Kugelstrahlprozess ausgeführt, um eine hohe Druckeigenspannung an der Fläche der diffusionsgehärteten Schicht zu erhalten. Das Flächennitrierverfahren und das Kugelstrahlverfahren werden in Kombination derart ausgeführt, dass die Produktlebensdauer der Form signifikant erhöht wird.
  • Es ist bekannt, dass bei einem Nitrierverfahren eine Verbindungsschicht ohne plastische Verformbarkeit an der Fläche der stickstoffdiffusionsgehärteten Schicht gebildet wird. Da eine Verbindungsschicht ein Vergrößern der Wärmerisse in einen Spalt oder Spalte und Abrieb durch Abspaltungen verursacht, wird ein Nitrierverfahren vorgeschlagen, um die Bildung der Verbindungsschicht zu verhindern oder sie so dünn wie möglich zu auszubilden.
  • Das Patentdokument 2 offenbart beispielsweise ein Verfahren mit zwei Schritten, in dem ein Ammoniakgasnitrierverfahren zunächst mit relativ niedrigen Temperaturen von 450 bis 530°C ausgeführt wird. Die Zufuhr von Ammoniak wird dann verringert oder unterbrochen, wenn der Stickstoff im Inneren in einem Bereich von Bearbeitungstemperaturen von 550 bis 590°C verteilt wird. Im Allgemeinen wird mit dem Ammoniakgasnitrierverfahren mit relativ niedrigen Temperaturen die Verbindungsschicht dünn ausgebildet. Die Tiefe der Stickstoffdiffusionsschicht wird dadurch jedoch sehr gering. Daher wird der Stickstoff der Stickstoffdiffusionsschicht tief in der Form verteilt, um die dicke Stickstoffdiffusionsschicht bereitzustellen, während die dünne Verbindungsschicht beibehalten wird.
  • In ähnlicher Weise offenbart das Patentdokument 3 ein Verfahren mit zwei Schritten, in dem ein Ammoniakgasnitrierverfahren zunächst unter einem reduzierten Druck bei einer Temperatur von weniger als 570°C ausgeführt wird. Die Zufuhr von Ammoniak wird dann reduziert oder unterbrochen, wenn der Stickstoff im Inneren in einem Bereich der Bearbeitungstemperaturen von 570 bis 650°C verteilt wird. Patentdokument 3 beschreibt weiter, dass die Stickstoffverbindungsschicht dünn und in einem nicht porösen Zustand ist, während die Breite bzw. Tiefe der Stickstoffverbindungsschicht breiter oder tiefer sein kann als die Stickstoffdiffusionsschicht bei einem thermischen Verfahren.
  • Stand der Technik Dokumente
  • Patentdokumente
    • Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-148362
    • Patentdokument 2: Japanische Patentoffenlegungsschrift Tokkai-Hei Nr. 10-306364
    • Patentdokument 3: Japanische Patentoffenlegungsschrift Tokkai-Hei Nr. 11-100655
  • Abriss der Erfindung
  • Zu lösende Aufgabe der Erfindung
  • Wie in den Patentdokumenten 2 und 3 offenbart ist, wird bei einem Ammoniakgasnitrierverfahren eine dünne nitrierte Verbindungsschicht gebildet, da die der Form tatsächlich zugeführten Mengen von Stickstoff gering sind. Die nitrierte Verbindungsschicht kann keine ausreichende Härte haben, wenn ein Versuch gemacht wird, in dem der Stickstoff weiter tief in der Form durch das thermische Verfahren verteilt wird.
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die genannten Umstände gemacht. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung bereitzustellen, das im Wesentlichen keine Nitridverbindungsschicht erzeugt, die Wärmerisse oder Abnutzungen der Form verursacht, während das Verfahren im Inneren große Mengen von Nitrid in eine Form einführen kann. Dies resultiert in der Herstellung einer Formgussform mit einer sehr guten Wärmerissfestigkeit und einer sehr guten Abriebfestigkeit.
  • Mittel zum Lösen der Aufgabe
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fanden heraus, dass die durch die Nitridverbindung gebildete oberste Schicht durch ein thermisches Verfahren zersetzt werden kann, wobei die Nitridverbindung durch verschiedene Nitrierverfahren, wie z. B. ein Gasnitroaufkohlungsverfahren, ein Gassulfonitrierverfahren, und ein Plasmanitrierverfahren erzeugt werden kann. Bei einer Studie über das Bereitstellen eines Verfahrens zum Herstellen einer Form, das im Wesentlichen keine Nitridverbindungsschicht in der Form erzeugt, erkannten die Erfinder, dass die obige Zersetzung derart Nitride erzeugt, dass die Mengen der der Form zugeführten Nitride durch Verteilen der erzeugten Nitride im Inneren der Form erhöht werden.
  • Dementsprechend wird bei dem Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Formgussform gemäß der Erfindung die Druckeigenspannung in einer sichtbaren Oberfläche der Formgussform unter Verwendung eines Kugelstrahlverfahrens erzeugt. Das Verfahren gemäß der Erfindung umfasst den Schritt von Nitrieren zum Bilden einer Nitridschicht an einer sichtbaren Oberfläche der Formgussform durch Einführen von einem wenigstens Ammoniakgas umfassenden Gas in einen Ofen, wobei die Nitridschicht wenigstens eine Verbindungsschicht aufweist, die durch eine Stickstoffverbindung mit einem Nitrierverfahren, beispielsweise einem Gasnitroaufkohlen, einem Gassulfonitieren und einem Plasmanitrieren gebildet wird. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt von Zersetzen der Verbindung durch abführen des Ammoniakgases von dem Ofen und Einführen von Umgebungsgas in den Ofen, um ein thermisches Verfahren zum Zersetzen der Stickstoffverbindung auszuführen, und den Schritt von Kugelstrahlen der sichtbaren Oberfläche der Form. Die Dicke der Verbindungsschicht, die in der in dem Schritt des Nitrierverfahrens gebildeten Stickstoffschicht enthalten ist, liegt im Bereich von 2 μm bis 7 μm.
  • Mit diesem Verfahren wird die Dicke der Stickstoffverbindungsschicht auf eine vorbestimmte Dicke derart gesteuert, dass die Stickstoffverbindung in dem Schritt von Zersetzen der Verbindung zersetzt wird. Die Stickstoffverbindungsschicht wird während des Nitrierverfahrens durch Einführen von einem wenigstens Ammoniakgas enthaltenden Gas in den Ofen gebildet. Als Resultat wird im Wesentlichen keine Stickstoffverbindungsschicht gebildet. Daher wird der Stickstoff anstatt dessen zum Erhöhen der Menge des der Form zuzuführenden Stickstoffs erzeugt, so dass eine Stickstoffdiffusionsschicht mit einer hohen Härte erzeugt werden kann. Trotzdem sollte die im Wesentlichen unterdrückte Stickstoffverbindungsschicht erhalten bleiben, da die Schicht eine große Anzahl von Freiräumen enthält, die die Aufprallenergien der Kugeln in dem Kugelstrahlprozess aufnehmen und verteilen. Die Dicke der Stickstoffverbindungsschicht wird jedoch ebenfalls auf eine vorbestimmte Dicke in dem Nitrierschritt derart gesteuert, dass die Druckeigenspannung durch den Kugelstrahlprozess auf die Stickstoffdiffusionsschicht übertragen werden kann. Basierend auf der hohen Härte und der hohen Druckeigenspannung kann eine Gussform mit einer sehr guten Abriebfestigkeit und einer sehr guten Wärmerissfestigkeit erzeugt werden.
  • In dem voranstehend beschriebenen Verfahren kann der Schritt von Zersetzen der Verbindung bevorzugt durch ein thermisches Verfahren an einer Temperatur ausgeführt werden, die niedriger als die Temperatur des Schrittes des Nitrierverfahrens ist. In diesem Fall kann eine höhere Härte und eine höhere Druckeigenspannung in die Formgussform eingebracht werden, so dass eine Form mit einer noch besseren Abriebfestigkeit und einer noch besseren Wärmerissfestigkeit erzeugt werden kann.
  • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Form, die gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Oberflächenbehandlung einer Formgussform zu verwenden ist.
  • 2 zeigt die Stahlklassen und die Zustände der Oberflächenbehandlung der in 1 gezeigten Form.
  • 3 zeigt ein Beispiel der Wärme- und Kühlprüfausrüstung, die mit dem Verfahren gemäß der Erfindung zur Oberflächenbehandlung einer Formgussform verwendet wird.
  • 4(a) und 4(b) sind vergrößerte Schnittansichten, die die Veränderungen der Form nahe der Oberfläche nach dem Nitrierschritt (4(a)) und nach dem Verbindungszersetzungsschritt (4(b)) bei dem Verfahren gemäß der Erfindung zur Oberflächenbehandlung der Formgussform zeigen.
  • 5(a) und 5(b) sind vergrößerte Schnittansichten, die die Veränderungen der Stickstoffdichte in der Form nahe der Fläche der 4(a) und 4(b) zeigen.
  • 6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke der Verbindungsschicht und der Anzahl der Wärmerisse (HC) an der Form zeigt, an der das Verfahren gemäß der Erfindung zur Oberflächenbehandlung einer Formgussform angewandt wird.
  • 7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke der Verbindungsschicht und der Eigenspannung der Form zeigt, an der der Schritt des Kugelstrahlens des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Oberflächenbehandlung der Formgussform angewandt wird.
  • 8 ist eine Fotoaufnahme eines Querschnitts der Form (11. Ausführungsform) nach dem Nitrierschritt.
  • Ausführungsvarianten der Erfindung
  • Bezüglich des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Oberflächenbehandlung einer Formgussform werden die Einzelheiten mit Bezug auf die Ergebnisse des Kontrolltests erklärt, die in den 1 bis 8 dargestellt sind. In den Kontrolltests werden zylindrische Formen 1 (siehe 1), von denen jede einer Formgussform entspricht, vorbereitet und verschiedene Oberflächenbehandlungen werden an ihnen ausgeführt, um die Formen beurteilen zu können.
  • Es werden zylindrische Formen 1 vorbereitet, die einen Außendurchmesser D1 = 15 mm, einen Innendurchmesser D2 = 3 mm und eine Länge L = 20 mm aufweisen. Jede Form 1 wird mit einem Rundeisen gemäß dem japanischen Industriestandards (JIS) bearbeitet, und das Stahlmaterial entspricht einer Legierungsklasse SKD61 (oder einer gleichwertigen Legierungsklasse). Anstelle der SKD61 (oder einer gleichwertigen Legierungsklasse) können die Formen 1 in der neunten Ausführungsform und der zehnten Ausführungsform mit Rundeisen ähnlich der Klasse JIS SKD7 bearbeitet werden und das Stahlmaterial kann einer Legierungsklasse SKH51 (oder einer gleichwertigen Legierungsklasse) entsprechen. Die Stahlklassen der Ausführungsformen und Vergleichsbeispiele werden mit Bezug auf 2 beschrieben und dargetellt.
  • Jede der Formen 1 wird anschließend in einem Ofen erwärmt, während Ammoniakgas in den Ofen derart eingeführt wird, dass die Umfangsfläche der Form einem Gasnitroaufkohlungsverfahren (der Nitrierschritt) unterzogen wird. Anstelle des Gasnitroaufkohlungsprozesses kann die Form gemäß der sechsten Ausführungsform mit einem Gassulfonitrierverfahren bearbeitet werden. Ferner können die Formen der siebten Ausführungsform und des fünften Vergleichsbeispiels durch ein Plasmanitrierverfahren bearbeitet werden. Die Typen von Nitrierverfahren, die Gasarten, die Temperaturen und die Anzahl der Ausführungsformen sowie der Vergleichsbeispiele sind in 2 aufgeführt und beschrieben.
  • Das Ammoniakgas wird dann von dem Ofen abgezogen und anschließend wird Stickstoff als ein atmosphärisches Gas in den Ofen eingeführt, während die Form noch immer thermisch bearbeitet wird, so dass ein Diffusionsverfahren abläuft. Eine Stickstoffverbindung innerhalb einer Verbindungsschicht 2 (siehe 4), die, wie nachstehend beschrieben wird, durch das Nitrierverfahren erzeugt wird, wird vollständig aufgelöst (der Schritt von Zersetzen der Verbindung). Die Temperaturen und die Anzahl der Diffusionsverfahren werden in 2 beschrieben und aufgeführt.
  • Kugeln, die beispielsweise aus einer amorphen Legierung bestehen und einen Durchmesser von 0,05 mm bis 0,2 mm aufweisen, werden ausgestoßen und die Umfangsfläche der Form 1 wird mit einem Ausstoßdruck von 0,3 MPa (der Schritt des Kugelstrahlens) kugelgestrahlt.
  • An der mit dem obigen Verfahren bearbeiteten Form 1 wird die Eigenspannung der Umfangsfläche nahe der Längsmitte gemessen.
  • Ferner wird, wie in 3 dargestellt ist, jede Form 1 während des Erwärmens und Kühlens mit einer Prüfausrüstung 20 wiederholt getestet, so dass die Wärmerissfestigkeit beurteilt werden kann. Im Detail wird ein Abschnitt 22a mit einem kleinen Durchmesser eines Stützelements 22 der Prüfausrüstung 20 in eine Durchgangsöffnung 1a in der Form 1 eingeführt, so dass die Form 1 zur Fixierung mittels einer Halterung 23 von oben und unten geklemmt wird. Die Umfangsfläche der Form 1 wird von Raumtemperatur auf 700°C mit einer Hochfrequenzspule 21 in vier Sekunden erwärmt. Kühlwasser 24 wird dann von einer Düse (nicht gezeigt) ausgestoßen, um die Form 1 auf Raumtemperatur in drei Sekunden abzukühlen. Die erwärmte und gekühlte Form wird anschließend mit einem Luftstrom in einer Sekunde getrocknet. Dieser Kreislauf von Erwärmen, Kühlen und Trocknen wird insgesamt 1000 Mal wiederholt und die Form 1 wird von der Prüfausrüstung 20 entfernt. Die von der Prüfausrüstung 20 entfernte Form 1 wird nahe der Längsmitte in der Ebene aufgeschnitten, so dass die Ebene senkrecht zur Mittelachse der Form 1 verläuft. Die aufgeschnittene Form 1 wird dann auf einem Harzkörper befestigt, um die Schnittfläche auf Hochglanz zu polieren. Die Schnittfläche der Form wird dann unter Verwendung eines optischen Mikroskops mit einer 100fachen Vergrößerung untersucht, um die Anzahl der Wärmerisse (HC) zu zählen, die an der Umfangsfläche der Form 1 erscheinen.
  • Ferner werden alle Stücke der Form 1 aus dem Ofen nach dem voranstehend beschriebenen Nitrierprozess entfernt, um die Dicke der nachstehend beschriebenen Verbindungsschicht 2 (siehe 4) zu messen. Die aus dem Ofen entfernte Form 1 wird nahe der Längsmitte in der Ebene geschnitten, wobei die Ebene senkrecht zur Mittelachse verläuft. Die Schnittfläche der aufgeschnittenen Form 1 wird dann auf Hochglanz poliert. Die polierte Schnittfläche wird unter Verwendung eines optischen Mikroskops untersucht, um die Dicke der Verbindungsschicht 2 zu messen.
  • In dem in den 4(a) und 5(a) beschriebenen Nitrierverfahren diffundiert der aktivierte Stickstoff in einer Gasphase von der Umfangsfläche der Form 1 in das Innere (ein Substrat) 4, um eine Nitridschicht 5 nahe der Umfangsfläche zu erzeugen. Die Nitridschicht 5 besteht aus einer Stickstoffverbindungsschicht 2, die die oberste Schicht ist, und einer Stickstoffdiffusionsschicht 3 an der Innenseite der Verbindungsschicht 2. Die Verbindungsschicht 2 besteht aus einem komplexen Nitrid von Fe oder Cr und ist eine extrem fragile Schicht. Es ist zu berücksichtigen, dass die Zuwachsrate der Verbindungsschicht in einem Plasmanitrierverfahren erheblich niedriger ist als in einem Gasnitrierverfahren. Die Stickstoffdiffusionsschicht 3 ist eine feste Lösungsschicht des Stickstoffs, die ein verteiltes und abgelagertes Nitrid enthält.
  • In dem dem voranstehend beschriebenen Nitrierverfahren folgenden Diffusionsverfahren wird die Tiefe der Nitridschicht 5 wie in den 4(b) und 5(b) erhöht. Im Detail wird ein Fluss des der Form 1 durch die Umfangsfläche von der Gasphase zugeführten Stickstoff derart verringert, dass der Stickstoff der Stickstoffdiffusionsschicht hauptsächlich im Inneren der Form 1 diffundiert. Falls die Stickstoffverbindung in der Verbindungsschicht 2 sich zu einem abgegebenen Stickstoff auflöst, diffundiert der abgegebem Stickstoff ebenfalls in das Innere der Form 1. Da die Dichte des in der Verbindung (siehe 3a in 5(a)) enthaltenen Stickstoffs erheblich höher ist als in einer erstarrten Lösung (siehe 3b in 5(b)), beispielsweise die Stickstoffdiffusionsschicht 3 des Stickstoffs, kann eine Stickstoffdiffusionsschicht 3 erhalten werden (siehe 31 in 5(b)), die sehr große Mengen von Stickstoff enthält. In 5(b) bezeichnet das Bezugszeichen 32 den Fall, in dem nur die Stickstoffdiffusionsschicht diffusionsbearbeitet wird, die alleine durch das Nitrierverfahren bereitgestellt wird.
  • Andererseits führt, falls das komplexe Nitrid in der Verbindungsschicht 2 sich auflöst, ein Schrumpfen ihres Volumens zu einer Oberflächenschicht 2', die ein großes Freiraumvolumen enthält. Eine derartige Oberflächenschicht 2' absorbiert und verteilt Aufprallenergien der Kugeln in dem Kugelstrahlprozess derart, dass die Formation von Druckeigenspannungen verbessert wird. Details dazu werden nachstehend beschrieben.
  • Die Ergebnisse der voranstehend beschriebenen Messungen werden nun erläutert. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Dicke der Verbindungsschicht und der Anzahl der Wärmerisse (HC) an der Form, nach wiederholten Wärme- und Kühlprüfungen.
  • Es wurde festgestellt, dass die Anzahl der Wärmerisse verringert werden kann, wenn die Dicke der Verbindungsschicht 2 zunimmt, so dass die Wärmerissfestigkeit verbessert wird. In der Tat werden durch die Bildung einer dünnen Verbindungsschicht 2 von 1,5 μm in dem ersten Vergleichsbeispiel 597 Wärmerisse und bei einer Dicke von 1,0 μm in dem fünften Vergleichsbeispiel 441 Wärmerisse erzeugt. Im Gegensatz dazu wird durch die Bildung einer dicken Verbindungsschicht 2 von 2 μm bis 7 μm in den ersten bis vierzehnten Ausführungsformen eine erheblich geringere Anzahl von Wärmerissen erzeugt, die zwischen 13 und 257 Wärmerissen liegt.
  • Die Anzahl der Wärmerisse wird in der elften Ausführungsform erheblich reduziert, in der das Diffusionsverfahren (Wärmebehandlung) bei einer Temperatur ausgeführt wird, die unter der Temperatur des Nitrierverfahrens liegt. Es wurde demnach herausgefunden, dass die Wärmebehandlung in dem Schritt von Zersetzen der Verbindung bevorzugt an einer Temperatur ausgeführt wird, die unter der Temperatur des Nitrierschritts liegt.
  • Da die Mengen der während des Diffusionsprozesses zu zersetzenden Stickstoffkomponenten mit der Zunahme der Dicke der Verbindungsschicht 2 erhöht werden können, wie voranstehend beschrieben wurde, kann die Menge von Stickstoff in der Stickstoffdiffusionsschicht 3 erhöht werden, so dass die Härte nach dem Diffusionsverfahren erhöht wird, um die Abriebfestigkeit und die Wärmerissfestigkeit zu verbessern.
  • Andererseits wurde herausgefunden, dass sich die Anzahl von Wärmerissen stark erhöht, wenn die Dicke der Verbindungsschicht 2 oberhalb einer bestimmten Dicke liegt, so dass die Wärmerissfestigkeit erheblich reduziert wird. In der Tat führen dicke gebildete Verbindungsschichten 2 von 8,0 μm, 9,0 μm und 10,0 μm in den ersten, zweiten und vierten Vergleichsbeispielen zu 706, 707 und 840 Wärmerissen. Die Wärmerisse nahmen, verglichen mit denen der ersten bis vierzehnten Ausführungsform, stark zu.
  • Mit Bezug auf das oben gesagte zeigt 7 die Beziehung zwischen der Dicke der Verbindungsschicht 2 und der in die Form 1 durch das Kugelstrahlen eingebrachten Eigenspannung. In 7 sind die Druckspannungen in negativen Werten angegeben.
  • Es wurde herausgefunden, dass der absolute Wert der Druckeigenspannung erhöht werden kann, wenn die Dicke der Verbindungsschicht 2 erhöht wird. Dünn gebildete Verbindungsschichten 2 von 1,5 μm und 1,0 μm in dem ersten und dem fünften Vergleichsbeispiel führen zu –965 MPa und –993 MPa für die Druckeigenspannung. Im Gegensatz dazu führen dick gebildete Verbindungsschichten 2 von 2 μm bis 7 μm in den ersten bis vierzehnten Ausführungsformen zu signifikant erhöhten Druckeigenspannungen, die zwischen –1.350 MPa bis –1.755 MPa liegen. Diese Druckeigenspannungen sind erheblich höher verglichen mit denen des ersten und fünften Vergleichsbeispiels.
  • Andererseits wurde herausgefunden, dass der absolute Wert der Druckeigenspannungen rapide abnimmt, wenn die Dicke der Verbindungsschicht 2 über eine vorbestimmte Dicke erhöht wird. Dick gebildete Verbindungsschichten 2 von 8,0 μm, 9,0 μm und 10,0 μm in den zweiten, dritten und vierten Vergleichsbeispielen führen zu Druckeigenspannungen von –1.298 MPA, –1251 MPa und –938 MPa.
  • Wie voranstehend beschrieben wurde, führt die Zunahme der Dicke der Verbindungsschicht 2 über eine vorbestimmte Dicke dazu, dass der absolute Wert der Druckeigenspannung erheblich reduziert wird, und somit die Wärmerissfestigkeit erheblich abnimmt. Dies liegt in der Oberflächenschicht 2' (siehe 4(b)) begründet, die große Mengen von durch die Zersetzung der Verbindung der Verbindungsschicht gebildete Freiräume enthält. Dick gebildete Verbindungsschichten 2 führen insbesondere zu einer dicken Oberflächenschicht 2' durch das Diffusionsverfahren, so dass die Bildung der Druckeigenspannung durch das Kugelstrahlen gehemmt wird und die Wärmerissfestigkeit erheblich reduziert wird.
  • 8(a) zeigt eine von einem optischen Mikroskop aufgenommene Aufnahme der Schnittfläche der Form 1 nach dem Nitrierverfahren in der elften Ausführungsform. 8(b) zeigt eine von einem optischen Mikroskop aufgenommene Aufnahme der Schnittfläche der Form 1 nach dem Diffusionsverfahren, das sich an das Nitrierverfahren in der elften Ausführungsform anschließt. In ersteren kann die Verbindungsschicht 2 und die Diffusionsschicht 3 untersucht werden. In letzteren kann die größere Dicke der Stickstoffdiffusionsschicht 3 und der Oberflächenschicht 2' aufgrund der Zersetzung der Verbindung untersucht werden, wobei die Oberflächenschicht 2' schwarze Freiräume insbesondere nahe der Stickstoffdiffusionsschicht 3 zeigt.
  • Basierend auf der voranstehend beschriebenen Beschreibung führt ein konstantes Begrenzen der Dicke der Verbindungsschicht 2 und damit der Flächenschicht 2', die nach dem Zersetzen der Verbindung verbleibende Freiräume aufweist, zu einer Druckeigenspannung mit exzellenten Eigenschaften durch das Kugelstrahlen, so dass eine Formgussform mit einer hervorragenden Wärmerissfestigkeit erhalten werden kann. Unter den allgemeinen Bedingungen des Kugelstrahlverfahrens wie z. B. in den Ausführungsformen, kann die Dicke der Verbindungsschicht 2 (der verbleibenden Oberflächenschicht 2' nach dem Zersetzen der Verbindung), um diesen Zweck zu erreichen, zwischen 2 bis 7 μm liegen.
  • Die Beziehung zwischen der Dicke der Verbindungsschicht 2 und der Anzahl der Wärmerisse oder der Druckeigenspannung in 6 und 7 führen zu denselben gezeigten Linien unabhängig von den unterschiedlichen Typen der Nitrierverfahren, wie z. B. Gasnitroaufkohlung, Gassulfonitrieren und Plasmanitrieren gemäß den sechsten und siebten Ausführungsformen. Sie sind ferner auch unabhängig von den Unterschieden zwischen den Stahlmaterialien von SKD61, SKD7 und SKH51 in den neunten und zehnten Ausführungsformen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Erfindung unabhängig von den verschiedenen Typen von Nitrierverfahren und den Unterschieden zwischen den einzelnen Materialien für die Form angewandt werden kann.
  • Wie voranstehend bereits diskutiert wurde, umfassen die Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Oberflächenbehandlung einer Formgussform den Schritt eines Nitrierverfahrens zum Formen einer Nitridschicht an einer sichtbaren Oberfläche der Formgussform durch Einführen eines wenigstens Ammoniakgas umfassenden Gases in einen Ofen, wobei die Nitridschicht eine von einer Stickstoffverbindung in dem Nitrierprozess beispielsweise einem Gasnitroaufkohlen, Gassulfonitrieren und Plasmanitrieren gebildete Verbindungsschicht aufweist, den Schritt von Zersetzen der Komponenten durch Abziehen des Ammoniakgases von dem Ofen und Einführen von atmosphärischen Gases in den Ofen, um die thermische Behandlung zum Zersetzen der Stickstoffverbindung auszuführen, und den Schritt von Kugelstrahlen in dem Kugelstrahlverfahren der sichtbaren Fläche der Form. Die Dicke der Verbindungsschicht, die in der während des Schritts des Nitrierverfahrens gebildeten Stickstoffschicht enthalten ist, liegt innerhalb des Bereichs von 2 μm bis 7 μm.
  • Die Dicke der Stickstoffverbindungsschicht, die mit dem Nitrierverfahren durch Einführen eines wenigstens Ammoniakgas enthaltenden Gases in einen Ofen gebildet ist, wird auf einer vorbestimmten Dicke gehalten, so dass die Stickstoffverbindung in dem Schritt von Zersetzen der Verbindung zersetzt wird. Als Ergebnis wird im Wesentlichen keine Stickstoffverbindungsschicht gebildet und der Stickstoff wird anstatt dessen gebildet, um die der Form zuzuführende Stickstoffmenge zu erhöhen, so dass eine Stickstoffdiffusionsschicht mit einer hohen Härte bereitgestellt werden kann. Dennoch verbleibt die im Wesentlichen unterdrückte Stickstoffverbindungsschicht als eine Schicht mit einem erheblichen Volumen von Freiräumen, die zum Absorbieren und Verteilen der Anprallenergien der Kugeln in dem Kugelstrahlprozess dient. Die Dicke der Stickstoffverbindungsschicht wird jedoch an einer vorbestimmten Dicke in dem Nitrierschritt gehalten, so dass die Druckeigenspannung des Kugelstrahlprozesses in die Stickstoffdiffusionsschicht eingebracht werden kann. Somit kann eine Formgussform mit einer exzellenten Abriebfestigkeit und einer exzellenten Wärmerissfestigkeit basierend auf der hohen Härte und der hohen Druckeigenspannung produziert werden.
  • Obwohl repräsentative Ausführungsformen und ihre Variationen der vorliegenden Erfindung voranstehend beschrieben wurden, ist die vorliegend Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Ein Fachmann erkennt verschiedene alternative Ausführungsformen und Modifikationen ohne sich von den beigefügten Ansprüchen zu entfernen.
  • Beispielsweise werden in der voranstehenden Beschreibung spezielle Formen und Dimensionen von jeder Form beschrieben, diese sind jedoch nur für die Veranschaulichung der Beschreibung der Erfindung angeführt und nicht dazu gedacht, die Erfindung zu beschränken.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Form
    2
    Verbindungsschicht
    3
    Stickstoffdiffusionsschicht
    20
    Prüfungsausrüstung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2004-148362 [0009]
    • JP 10-306364 [0009]
    • JP 11-100655 [0009]

Claims (2)

  1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Formgussform zum Einbringen einer Druckeigenspannung in eine sichtbare Oberfläche der Formgussform unter Verwendung eines Kugelstrahlverfahrens, wobei das Verfahren die Schritte aufweist von: Nitrieren zum Formen einer Nitridschicht an einer sichtbaren Oberfläche der Formgussform durch Einführen eines Gases, das wenigstens Ammoniakgas umfasst, in einen Ofen, wobei die Nitridschicht wenigstens eine von einer Stickstoffverbindung gebildete Verbundschicht umfasst; Zersetzen der Verbindung durch Abziehen des Ammoniakgases von dem Ofen und Einführen eines atmospärischen Gases in den Ofen, um einen thermischen Prozess zum Zersetzen der Stickstoffverbindung auszuführen; und Kugelstrahlbearbeiten der sichtbaren Oberfläche der Form, wobei die Dicke der Verbindungsschicht, die in der in dem Schritt der Nitrierens hergestellten Stickstoffschicht enthalten ist, innerhalb eines Bereichs von 2 μm bis 7 μm liegt.
  2. Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Formgussform gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Zersetzens der Verbindung die thermische Behandlung bei einer Temperatur ausführt, die niedriger ist, als die Temperatur des Schritts des Nitrierens.
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