DE112014004502T5 - Nitrierungs-Verfahren für ein Stahl-Element - Google Patents

Abstract

Ein erster Nitrierungs-Verfahrens-Schritt wird ausgeführt, in welchem ein Stahl-Element einem Nitrierungs-Verfahren in einer Nitriergas-Atmosphäre mit einem Nitrier-Potenzial unterzogen wird, bei welchem eine Nitrid-Verbindungs-Schicht mit einer γ’-Phase oder einer ε-Phase erzeugt wird, und anschließend ein zweiter Nitrierungs-Verfahrens-Schritt ausgeführt wird, bei welchem das Stahl-Element einem Nitrierungs-Verfahren in einer Nitriergas-Atmosphäre mit einem Nitrier-Potenzial geringer als das Nitrier-Potenzial in dem ersten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt unterzogen wird, um dabei die γ’-Phase in der Nitrid-Verbindungs-Schicht auszuscheiden. Es ist möglich, die Nitrid-Verbindungs-Schicht mit einem gewünschten Phasen-Modus gleichförmig lückenlos auf einer zu behandelnden Komponente zu erzeugen und ein nitriertes Stahl-Element mit hoher Lochfraß-Beständigkeit und Dauerbiegefestigkeit herzustellen.

Description

• [Technisches Gebiet]
• (Hinweis auf zugehörige Anmeldung)
• Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der Japanischen Patent-Anmeldung Nr. 2013-204786 , eingereicht am 30. September 2013; deren gesamter Inhalt hierin durch diesen Hinweis einbezogen ist.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nitrierungs-Verfahren für ein Stahl-Element, wobei das Verfahren auf einer Oberfläche des Stahl-Elements durch ein Nitrierungs-Verfahren eine Nitrid-Verbindungs-Schicht bildet.
• [Technischer Hintergrund]
• Von Stahl-Elementen, wie Zahnrädern, die in Fahrzeuggetrieben verwendet werden, wird gefordert, dass sie eine hohe Lochfraß-Beständigkeit und Dauerbiegefestigkeit aufweisen, und ein solches Erfordernis unter Erhöhen der Festigkeit erfüllen, wobei es als Verfahren zum Verfestigen von Stahl-Elementen, wie Getriebe, in der Praxis das Aufkohlungs-Verfahren oder das Nitrierungs-Verfahren gibt.
• Es ist üblicherweise bekannt, dass Lochfraß-Beständigkeit und Dauerbiegefestigkeit eines Stahl-Elements wirksam verbessert werden, wenn man, wie zum Beispiel in Patent-Dokument 1 beschrieben, auf einer Oberfläche des Stahl-Elements durch ein Nitrierungs-Verfahren eine Eisen-Nitrid-Verbindungs-Schicht erzeugt, deren Haupt-Komponente eine γ’-Phase ist.
• Als Nitrierungs-Verfahren, das in einem Stahl-Element enthaltenen Stickstoff in kurzer Zeit gleichförmig von seiner Oberflächenschicht bis zu einem tieferen Teil bringt, beschreibt Patent-Dokument 2 zudem, dass nachdem ein Nitrierungs-Verfahren in zum Beispiel einer 100%-igen NH₃-Atmosphäre in einem Heizofen ausgeführt worden ist, ein Nitrierungs-Verfahren unter einer geringeren NH₃-Gas-Konzentration als die vorstehend genannte, zum Beispiel 50%, und einer 50%-igen N₂-Gas-Konzentration ausgeführt wird.
• [Dokument des Standes der Technik]
• [Patent-Dokument]
• [Patent-Dokument 1] Japanische Patent-Anmeldung Nr. 2012-095035
• [Patent-Dokument 2] Japanische offengelegte Patent-Veröffentlichung Nr. 2007-238969
• [Offenbarung der Erfindung]
• [Durch die Erfindung zu lösende Aufgaben]
• Um die γ’-Phase auf der Oberflächenschicht zu erzeugen, ist es notwendig, dass der NH₃-Partialdruck im Ofen während des Nitrierungs-Verfahrens gering ist, jedoch hat das in Patent-Dokument 1 beschriebene Verfahren die Einschränkung, dass die Fließgeschwindigkeit des Nitrierungs-Verfahrensgases im Ofen 1 m/s oder höher sein muss, um gleichförmig eine Nitrid-Verbindungs-Schicht zu bilden. Wenn zudem eine Komponente eine komplizierte Form aufweist, wurde es schwierig, die Nitrid-Verbindungs-Schicht gleichförmig über Positionen der Komponente zu erzeugen. Weiterhin gab es bei der Massenproduktion ein Produktivitätsproblem auf Grund einer starken Dickenschwankung unter den Nitrid-Verbindungs-Schichten in einer Partie.
• Weiterhin beschreibt Patent-Dokument 2, dass ihr Nitrierungs-Verfahren das gleichförmige Nitrieren in kurzer Zeit erreicht, erwähnt jedoch die Phasenänderung der Verbindung und so weiter in diesem Verfahren nicht.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines nitrierten Stahl-Elements mit hoher Lochfraß-Beständigkeit und Dauerbiegefestigkeit bereitzustellen, wobei das Verfahren frei von Beschränkung durch die Windgeschwindigkeit ist und eine Nitrid-Verbindungs-Schicht mit einem gewünschten Phasen-Modus erzeugen kann, gleichförmig lückenlos über der zu behandelnden Komponente, selbst wenn die zu behandelnde Komponente ein Massenprodukt ist.
• [Mittel zum Lösen der Aufgabe]
• Zum Lösen der vorstehend erwähnten Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung ein Nitrierungs-Verfahren für ein Stahl-Element bereit, wobei ein erster Nitrierungs-Verfahrens-Schritt ausgeführt wird, in welchem das Stahl-Element einem Nitrierungs-Verfahren in einer Nitriergas-Atmosphäre mit einem Nitrier-Potenzial unterzogen wird, bei welchem eine Nitrid-Verbindungs-Schicht mit einer γ’-Phase oder einer ε-Phase erzeugt wird, und anschließend ein zweiter Nitrierungs-Verfahrens-Schritt ausgeführt wird, bei welchem das Stahl-Element einem Nitrierungs-Verfahren in einer Nitriergas-Atmosphäre mit einem Nitrier-Potenzial geringer als das Nitrier-Potenzial in dem ersten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt unterzogen wird, um dabei die γ’-Phase in der Nitrid-Verbindungs-Schicht auszuscheiden.
• Der erste Nitrierungs-Verfahrens-Schritt kann in einer Nitriergas-Atmosphäre bei einem Nitrier-Potenzial von 0,6 bis 1,51 ausgeführt werden und der zweite Nitrierungs-Verfahrens-Schritt kann in einer Nitriergas-Atmosphäre bei einem Nitrier-Potenzial von 0,16 bis 0,25 ausgeführt werden.
• [Wirkung der Erfindung]
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Nitrid-Verbindungs-Schicht mit einem gewünschten Phasen-Modus gleichförmig lückenlos ohne jegliche Beschränkung der Windgeschwindigkeit über einer zu behandelnden Komponente zu erzeugen und ein nitriertes Stahl-Element mit hoher Lochfraß-Beständigkeit und Dauerbiegefestigkeit herzustellen, selbst wenn die zu behandelnde Komponente ein Massenprodukt ist.
• [Kurzbeschreibung der Zeichnungen]
• [1] ist eine erklärende Ansicht, die ein Beispiel der Struktur einer Wärmebehandlungs-Vorrichtung erläutert.
• [2] ist ein erklärendes Fließdiagramm eines Nitrierungs-Verfahrens.
• [3] ist ein Diagramm, das Phasen einer Verbindung veranschaulicht, die in Abhängigkeit von KN und Temperatur erzeugt werden.
• [Ausführungsform der Erfindung]
• Hierin anschließend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
• In der vorliegenden Erfindung wird ein Stahl-Element einem Gas-Nitrierungs-Verfahren unterzogen, wobei eine Eisennitrid-Verbindungs-Schicht, deren Haupt-Komponente eine γ’-Phase ist, auf einer Oberfläche des Stahl-Elements (Basismetall) gebildet wird.
• Eine zum Beispiel in 1 veranschaulichte Wärmebehandlungs-Vorrichtung 1 wird für das Nitrierungs-Verfahren verwendet, das auf das Stahl-Element angewendet wird, welches ein Behandlungsziel ist. Wie in 1 veranschaulicht, weist die Wärmebehandlungs-Vorrichtung 1 eine Beladungseinheit 10, eine Heizkammer 11, eine Kühlkammer 12 und ein Abführband 13 auf. Das aus einem Kohlenstoffstahlmaterial für mechanische Struktur oder einem Legierungsstahlmaterial für mechanische Struktur hergestellte Stahl-Element, wie zum Beispiel ein Zahnrad, das in einem Automatik-Getriebe verwendet wird, ist in einem auf der Beladungseinheit 10 untergebrachten Gehäuse 20 angeordnet. Eine Zugangshaube 22, die eine öffenbare/verschließbare Tür 21 einschließt, ist an einer Eintrittsseite (linke Seite in 1) der Heizkammer 11 befestigt.
• Heizvorrichtungen 25 werden in der Heizkammer 11 eingerichtet. Nitrierungs-Verfahrens-Gas, hergestellt aus N₂-Gas, NH₃-Gas und H₂-Gas, wird in die Heizkammer 11 eingeführt, das Nitrierungs-Verfahrens-Gas wird auf eine vorbestimmte Temperatur durch die Heizvorrichtungen 25 erhitzt und das in die Heizkammer 11 geladene Stahl-Element wird dem Nitrierungs-Verfahren unterzogen. Ein Gebläse 26 zum Rühren des Verfahrens-Gases in der Heizkammer 11 und gleichförmigen Halten der Heiz-Temperatur des Stahl-Elements ist in eine Kammerdecke der Heizkammer 11 eingepasst. Eine öffenbare/verschließbare Zwischentür 27 ist an einer Ausgangsseite (rechte Seite in 1) der Heizkammer 11 befestigt.
• Ein Aufzug 30, der das das Stahl-Element beherbergende Gehäuse 20 auf und ab transportiert, ist in der Kühlkammer 12 installiert. Ein Öltank 32, der Kühlöl 31 lagert, ist in einem unteren Teil der Kühlkammer 12 installiert. Eine Ausgangshaube 36, einschließlich einer öffenbaren/verschließbaren Tür 35, ist an einer Ausgangsseite (rechte Seite in 1) der Kühlkammer 12 befestigt.
• In der vorstehend beschriebenen Wärmebehandlungs-Vorrichtung 1 wird das das Stahl-Element beherbergende Gehäuse 20 aus der Beladungseinheit 10 durch eine Schiebevorrichtung oder dergleichen in die Heizkammer 11 geladen. Es ist zudem bevorzugt, das Behandlungsziel (zu nitrierendes Stahl-Element) vor dem Nitrierungs-Verfahren vorzureinigen, um Schmutz und Öl davon zu entfernen. Das Vorreinigen geschieht vorzugsweise durch zum Beispiel Vakuumreinigung, die das Behandlungsziel entfettet und trocknet und Ersetzen von Öl und so weiter durch eine Kohlenwasserstoff-basierte Reinigungsflüssigkeit und Verdampfen derselben, Alkali-Reinigung, die das Behandlungsziel durch eine alkalische Reinigungsflüssigkeit oder dergleichen entfettet.
• Dann nachdem das so vorbehandelte, das Stahl-Element beherbergende Gehäuse 20 in die Heizkammer 11 geladen ist, wird das Verfahrens-Gas in die Heizkammer 11 eingeführt. Weiterhin wird das in die Heizkammer 11 eingeführte Verfahrens-Gas durch die Heizvorrichtungen 25 auf die vorbestimmte Temperatur erhitzt und das in die Heizkammer 11 geladene Stahl-Element wird dem Nitrierungs-Verfahren unterzogen, während das Verfahrens-Gas durch das Gebläse 26 bewegt wird. Die Wärmebehandlungs-Vorrichtung in 1 ist ein Beispiel und die Heizkammer und die Kühlkammer können eine Verfahrenskammer in dem gleichen Raum sein und das Wärme-behandelte Stahl-Element kann durch Luft Gas-gekühlt werden. Weiterhin kann die Heizkammer in zwei geteilt werden, und später beschriebene Zwei-Stufen-Nitrierungs-Verfahrens-Schritte können in verschiedenen Heizkammern ausgeführt werden.
• 2 erläutert eine Ausführungsform der Nitrierungs-Verfahrens-Schritte und hierin anschließend wird das Nitrierungs-Verfahren mit Bezug auf 2 beschrieben. Bevor das Stahl-Element geladen wurde, werden zum Beispiel das N₂-Gas und das NH₃-Gas in die Heizkammer 11 bei 30 l/min bzw. 120 l/min eingeführt und das Innere der Heizkammer 11 wird bei 600°C gehalten. Da die Temperatur in der Heizkammer 11 sinkt, wenn die Tür 21 für das zu beladende Stahl-Element geöffnet wird, wird die Temperatur in der Heizkammer 11 durch die Heizvorrichtungen 25 auf bis zu 600°C Nitrierungs-Verfahrens-Temperatur erhöht, während die Einführung des N₂-Gases und des NH₃-Gases bei 30 l/min und 120 l/min fortgesetzt wird. Zu dieser Zeit rotiert das Gebläse 26 bei zum Beispiel 1000 U/min, damit das Innere der Heizkammer 11 gleichförmig erhitzt wird.
• Nachdem die Temperatur in der Heizkammer 11 die Nitrierungs-Verfahrens-Temperatur erreicht hat, welche zum Beispiel 600°C ist, wird ein erster Nitrierungs-Verfahrens-Schritt zuerst in einer Atmosphäre mit einem hohen Nitrier-Potenzial KN ausgeführt, um die anfängliche Erzeugung der Nitrid-Verbindungs-Schicht auf der Oberflächenschicht des Stahl-Elements zu fördern. Angemerkt sei, dass das Nitrier-Potenzial KN durch den nachstehenden gut bekannten Ausdruck (1) unter Verwendung eines Verhältnisses zwischen einem Partialdruck P(NH₃) des NH₃-Gases und einem Partialdruck P(H₂) des H₂-Gases ausgedrückt wird. KN = P(NH₃)/P(H₂)^3/2 (1)
• Bei dem Schritt, bei dem das Stahl-Element dem Nitrierungs-Verfahren unterzogen wird, werden der Partialdruck P(NH₃) des NH₃-Gases in der Heizkammer 11 und der Partialdruck P(H₂) des H₂-Gases zu vorbestimmten Bereichen gesteuert. Es ist möglich, diese Gas-Partialdrücke durch Analysieren des NH₃-Gases der Atmosphäre in der Heizkammer 11 durch ein Infrarot-Absorptions-Verfahren und Analysieren des H₂-Gases durch ein Hoch-Korrosions-Beständigkeits-Wärmeleitfähigkeits-Verfahren zu steuern, und während des Analysierens ihrer analytischen Werte automatisch online die Fließgeschwindigkeit des der Heizkammer 11 zuzuführenden H₂-Gases einzustellen. Zum Beispiel wird, wie in 2 gezeigt, in dem ersten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt das in die Heizkammer 11 einzuführende NH₃-Gas auf 120 l/min eingestellt und die Fließgeschwindigkeit des H₂-Gases wird eingestellt, wobei das Nitrier-Potenzial KN auf einen vorbestimmten Wert geregelt wird. Dann wird das Innere der Heizkammer 11 durch die Heizvorrichtungen 25 erhitzt und das Stahl-Element wird dem Nitrierungs-Verfahren unterzogen, während die Temperatur zum Beispiel für sechzig Minuten bei 600°C gehalten wird. Das Nitrier-Potenzial KN in dem ersten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt ist vorzugsweise 0,6 bis 1,51.
• Nach dem ersten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt wird ein zweiter Nitrierungs-Verfahrens-Schritt zur Bildung der Nitrid-Verbindungs-Schicht mit einem gewünschten Phasen-Modus in einer Atmosphäre ausgeführt, deren Nitrier-Potenzial KN gesenkt ist. Zum Beispiel wird, wie in 2 angezeigt, in dem zweiten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt das in die Heizkammer 11 eingeführte NH₃-Gas auf 60 l/min eingestellt und die Fließgeschwindigkeit des H₂-Gases wird eingestellt, wobei das Nitrier-Potenzial KN auf einen vorbestimmten Wert geregelt wird. Dann wird das Innere der Heizkammer 11 durch die Heizvorrichtungen 25 erhitzt und das Stahl-Element wird dem Nitrierungs-Verfahren unterzogen, während die Temperatur zum Beispiel für sechzig Minuten bei 600°C gehalten wird. Das Nitrier-Potenzial KN in dem zweiten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt ist vorzugsweise 0,16 bis 0,25.
• Während das Nitrierungs-Verfahren ausgeführt wird, rotiert das Gebläse in der Heizkammer 11 bei zum Beispiel 1800 U/min, um das Nitrierungs-Verfahrens-Gas gleichförmig zu verteilen. Die in 2 ausgewiesene Nitrierungs-Verfahrens-Zeit ist ein Beispiel und ist nicht begrenzend.
• Wenn zudem zum Beispiel das Stahl-Element aus einem Kohlenstoffstahlmaterial für mechanische Struktur oder einem Legierungsstahlmaterial für mechanische Struktur hergestellt wird, wird die Temperatur in der Heizkammer 22 während des Nitrierungs-Verfahrens vorzugsweise bei 520 bis 610°C gehalten, obwohl dies in unterschiedlicher Weise von dem zu behandelnden Element abhängt. Je höher die Temperatur des Nitrierungs-Verfahren, umso höher ist die Produktivität, wenn die Temperatur höher als 610°C ist, kann jedoch Erweichen, ein Anstieg von Dehnungsbeanspruchung und dergleichen in dem zu behandelnden Element auftreten. Wenn sie geringer als 520°C ist, wird die Bildungsgeschwindigkeit der Eisen-Nitrid-Verbindungs-Schicht langsam, was im Hinblick auf die Kosten nicht bevorzugt ist. Wenn ein Unterschied zwischen den Verfahrens-Temperaturen in dem ersten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt und dem zweiten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt kleiner ist, ist es zudem möglich, das Nitrierungs-Verfahren mit der kleinstmöglichen Variation in der Temperatur unter zu behandelnden Elementen auszuführen, wodurch es möglich wird, die Schwankungen in der Nitrier-Qualität unter den zu behandelnden Elementen zu vermindern. Der Temperatur-Unterschied zwischen den beiden Verfahrens-Schritten wird vorzugsweise so geregelt, dass er innerhalb 50°C und bevorzugter innerhalb 30°C liegt und noch bevorzugter haben sie die gleiche Temperatur.
• Wenn der zweite Nitrierungs-Verfahrens-Schritt beendet ist, wird ein Kühlschritt ausgeführt. 2 erläutert das Beispiel eines Falls, bei dem Gas-Kühlen ausgeführt wird, und N₂-Gas zum Kühlen in die Verfahrenskammer zugeführt wird. Dieses Gas-Kühlen wird zum Beispiel für sechzig Minuten ausgeführt. Dann wenn das Kühlen beendet ist, wird das das Stahl-Element beherbergende Gehäuse 20 auf das Abführband 13 geladen. Auf diese Weise wird das Nitrierungs-Verfahren beendet. Zudem kann ein Kühl-Verfahren in dem Kühlschritt nicht nur das Gas-Kühlen oder Öl-Kühlen, das in 1 erläutert wird, sondern auch Luft-Kühlen, Wasser-Kühlen oder dergleichen sein.
• 3 erläutert Modi von Phasen, welche in der Nitrid-Verbindungs-Schicht in Abhängigkeit von dem Nitrier-Potenzial KN und der Verfahrens-Temperatur erzeugt werden, und der schraffierte Bereich ist eine Erzeugungsregion der Nitrid-Verbindungs-Schicht mit einer γ’-Phase und einer ε-Phase. Bei dem Nitrierungs-Verfahrens-Schritt in dem ersten Nitrierungs-Verfahren werden die Temperatur und der KN-Wert zu zum Beispiel Punkt A in 3 gesteuert, was es möglich macht, eine ε + γ’-Phase in einem Anfangszeitraum des Nitrierens zu erzeugen, und bei dem zweiten Nitrierungs-Verfahren wird der KN-Wert gesenkt, während die Temperatur konstant gehalten wird, so dass die Temperatur und der KN-Wert der Punkt B in 3 werden, was es möglich macht, die Phase in einem späteren Zeitpunkt des Nitrierens zu der γ’-Phase zu transformieren. Folglich ist es möglich, die Schwankungen im Wachstum der Nitrid-Verbindung in dem Stahl-Element und in einer Partie zu vermindern und zum Beispiel eine 40%-ige γ’-Phase oder mehr zu erhalten. Wenn die Temperatur oder der KN-Wert geringer als die Nitrid-Verbindungs-Schicht-Erzeugungsregion, die in 3 erläutert wird, ist, ist es nicht möglich, die Nitrid-Verbindungs-Schicht mit der gewünschten Phase zu bilden, und wenn die Temperatur oder der KN-Wert zu hoch ist, wird die γ’-Phase nicht erzeugt.
• Alternativ kann zum Beispiel in dem ersten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt die ε + γ’-Phase in dem Anfangs-Nitrierungszeitraum unter einer geringeren Temperatur und einem höheren Nitrier-Potenzial KN, wie der Punkt C in 3, erzeugt werden und in dem zweiten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt kann die Phase zu der γ’-Phase in dem späteren Zeitpunkt des Nitrierens unter einer erhöhten Temperatur und einem gesenkten KN, wie der Punkt B in 3, umgewandelt werden. In dem ersten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt kann entweder die γ’-Phase oder die ε-Phase erzeugt werden.
• Durch das unter der vorstehenden Bedingung ausgeführte Nitrierungs-Verfahren ist es möglich, ein nitriertes Stahl-Element mit auf seiner Oberfläche der Eisen-Nitrid-Verbindungs-Schicht, deren Haupt-Komponente die γ’-Phase ist, zu erhalten. Das so erhaltene Stahl-Element hat erhöhte Festigkeit mit einer Stickstoff-Diffusionsschicht und einem darin gebildeten Nitrid und hat ausreichende Lochfraß-Beständigkeit und Dauerbiegefestigkeit, wobei die γ’-Phasenreiche Eisen-Nitrid-Verbindungs-Schicht auf ihrer Oberfläche gebildet wird.
• In der vorliegenden Erfindung wird ohne Ausführen des Nitrierungs-Verfahrens unter einem geringen NH₃-Partialdruck-Verhältnis für eine lange Zeit oder ohne Steuern der Windgeschwindigkeit, wie in einem üblichen Nitrierungs-Verfahren praktiziert, die Anfangserzeugung der Nitrid-Verbindungs-Schicht durch Erhöhen des NH₃-Partialdruck-Verhältnisses in dem Anfangszeitraum des Nitrierungs-Verfahrens gefördert, und die Art der Nitrid-Verbindung wird durch anschließendes Ausführen des Nitrierungs-Verfahrens unter dem verminderten NH₃-Partialdruck-Verhältnis gesteuert. Folglich ist es möglich, die Verbindungs-Schicht mit einem gewünschten Phasen-Modus über die Positionen der zu behandelnden Komponente gleichförmig und in einer großen Menge ohne jegliche Beschränkung der Windgeschwindigkeit herzustellen.
• Weiterhin veranlasst, verglichen mit Aufkohlungs- und Carbonitrierungs-Verfahren, das Nitrierungs-Verfahren der vorliegenden Erfindung nur einen geringen Dehnungsgrad, da es ein Verfahren bei einer Austenit-Transformations-Temperatur oder geringer ist. Da weiterhin auf einen Quenchschritt, der bei den Aufkohlungs- und Carbonitrierungs-Verfahren unerlässlich ist, verzichtet werden kann, ist der Grad an Dehnungsschwankungen auch geringer. Im Ergebnis ist es möglich, das nitrierte Stahl-Element mit hoher Festigkeit und geringer Dehnungsbeanspruchung zu erhalten.
• Bis jetzt wurde eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf ein solches Beispiel begrenzt. Es würde für den Fachmann klar sein, über verschiedene Änderungs-Beispiele oder Modifizierungs-Beispiele innerhalb des Umfangs der in den Ansprüchen beschriebenen technischen Idee nachzudenken und diese Beispiele sind natürlich so aufzufassen, dass sie in dem technischen Bereich der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
• [Beispiele]
• Ring-Zahnräder mit zylindrischer Form und Ring-Zahnräder mit einer unteren zylindrischen Form, welche Stahl-Elemente darstellen, wurden als Behandlungsziele verwendet, und sie wurden einem Nitrierungs-Verfahren unterzogen.
• In einem Beispiel 1 und einem Vergleichs-Beispiel 1 wurden die Ring-Zahnräder mit der zylindrischen Form dem Nitrierungs-Verfahren unterzogen. Eine achtstufige Vorrichtung wurde verwendet, die Anzahl der darauf geladenen Elemente war 320 und sie wurden in einer ebenen Weise geladen. In dem Beispiel 1 wurde ein Nitrierungs-Verfahren ausgeführt, in welchem der erste Nitrierungs-Verfahrens-Schritt in einer Atmosphäre von KN = 1,03 für zehn Minuten ausgeführt wird und der zweite Nitrierungs-Verfahrens-Schritt wurde in einer Atmosphäre von KN = 0,24 für 110 Minuten ausgeführt. In dem Vergleichs-Beispiel 1 wurde ein Nitrierungs-Verfahren in einer Atmosphäre von KN = 0,25 für 120 Minuten ausgeführt. Bedingungen und Ergebnisse der Nitrierungs-Verfahren werden in Tabelle 1 wiedergegeben. Angemerkt sei, dass eine Temperatur-Bedingung, wie in 2 angezeigt, eingestellt wurde. [Tabelle 1]

  
• In dem dem Nitrierungs-Verfahren durch die vorliegende Erfindung unterzogenen Stahl-Element hat die erzeugte γ’-Phasen-reiche Nitrid-Verbindungs-Schicht vorzugsweise eine Dicke von 4 bis 16 μm. Wenn die Dicke weniger als 4 μm ist, ist die Ermüdungsfestigkeit auf Grund von zu geringer Dicke nicht ausreichend verbessert. Wenn andererseits die Dicke über 16 μm ist, wird, da die Stickstoff-Diffusionsgeschwindigkeit in der γ’-Phase langsam wird, die Stickstoff-Konzentration in der γ’-Phase hoch und das Verhältnis der ε-Phase erhöht sich, so dass die gesamte Nitrid-Verbindungs-Schicht so brüchig wird, dass sie leicht abgeschält wird, und eine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit kann nicht erwartet werden. Der Process-Capability-Index Cp(6σ) des Beispiels 1, welcher berechnet wurde, wenn 4 bis 16 μm in diesem bevorzugten Bereich als oberer Grenzwert eingestellt wurde und der untere Grenzwert 3,45 war, war viel höher ist als jener des Vergleichs-Beispiels 1. Der Process-Capability-Index ist die Verarbeitungsfähigkeit, ausgedrückt als ein Zahlenwert, und ist ein Wert gleich einer Standardbreite, geteilt durch 6σ (σ: Standardabweichung). Wenn Cp ≥ 1,33, ist die Verarbeitungsfähigkeit ausreichend, und 99,9% oder mehr der Produkte genügen dem Standard.
• In Beispielen 2 bis 8 und einem Vergleichs-Beispiel 2 wurden das Ring-Getriebe in der unteren zylindrischen Form einem Nitrierungs-Verfahren unterzogen. Eine achtstufige Vorrichtung wurde verwendet und die Anzahl der darauf geladenen Elemente war 320 und sie wurden mit ihrem Böden nach unten geladen. In den Beispielen 2 bis 8 wurde eine Fließgeschwindigkeit von NH₃-Gas, eingestellt auf 120 l/min und 60 l/min in dem ersten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt bzw. dem zweiten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt, und eine Fließgeschwindigkeit von H₂-Gas wurde eingestellt, wobei KN so gesteuert wurde, dass es in einen Bereich von 0,60 bis 1,51 in dem ersten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt fällt, und KN wurde so gesteuert, dass es in einen Bereich von 0,16 bis 0,25 in dem zweiten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt fällt. Die ersten und zweiten Nitrierungs-Verfahrens-Schritte in den Beispielen 2 bis 8 wurden für jeweils 60 Minuten ausgeführt. In dem Vergleichs-Beispiel 2 wurde wie in dem Vergleichs-Beispiel 1 das Nitrierungs-Verfahren in einer Atmosphäre von KN = 0,25 für 120 Minuten ausgeführt. Bedingungen und Ergebnisse des Nitrierungs-Verfahrens werden in Tabelle 2 wiedergegeben. Angemerkt sei, dass eine Temperatur-Bedingung wie in 2 eingestellt wurde. [Tabelle 2]

  
• In allen der Beispiele 2 bis 8 war es möglich, eine 40%-ige γ’-Phase oder mehr zu erhalten, und der Process-Capability-Index Cp(6σ) fiel in den Bereich von 1,57 bis 2,82. Andererseits genügte bei dem Vergleichs-Beispiel 2 die Dickenschwankung der Verbindungs-Schicht in einer Reihe nicht dem Standard und die Produkte waren ohne industriellen Wert. Da weiterhin in dem Vergleichs-Beispiel 1 die Ringe eine einfache Form aufweisen, war die Windgeschwindigkeit in einem Ofen angemessen, jedoch wiesen die Beispiele der vorliegenden Erfindung höhere industrielle Funktionsfähigkeit auf.
• Wie vorstehend beschrieben, war es gemäß den Beispielen der vorliegenden Erfindung möglich, nitrierte Stahl-Elemente zu erhalten, welche mit einer Stickstoff-Diffusionsschicht verfestigt waren und ein Nitrid wurde bei jedem von ihnen gebildet, und welche ausreichende Lochfraß-Beständigkeit und Dauerbiegefestigkeit mit einer auf jedem davon gebildeten γ’-Phasen-reichen Eisennitrid-Verbindungs-Schicht auf der Oberfläche aufwiesen. Da weiterhin das Nitrierungs-Verfahren bei einer Austenit-Transformations-Temperatur oder geringer ausgeführt wird, ist der Dehnungsgrad gering und da zudem auf einen Quenchschritt bzw. Abschreckungsschritt verzichtet werden kann, ist die Schwankung des Dehnungsgrads auch gering. Deshalb war es durch Ausführen der vorliegenden Erfindung möglich, ein nitriertes Stahl-Element mit hoher Festigkeit und geringer Dehnungsbeanspruchung zu erhalten.
• [Industrielle Anwendbarkeit]
• Die vorliegende Erfindung ist für die Stahl-Nitrierungs-Technologie nützlich.
• Bezugszeichenliste

1

Wärmebehandlungs-Vorrichtung

10

Beladungseinheit

11

Heizkammer

12

Kühlkammer

13

Abführband

20

Gehäuse

21

Tür

22

Zugangshaube

26

Gebläse

30

Aufzug

31

Öl

32

Öltank

35

Tür

36

Ausgangshaube

Claims (2)

1. Nitrierungs-Verfahren eines Stahl-Elements, wobei ein erster Nitrierungs-Verfahrens-Schritt ausgeführt wird, in welchem das Stahl-Element einem Nitrierungs-Verfahren in einer Nitriergas-Atmosphäre mit einem Nitrier-Potenzial unterzogen wird, bei welchem eine Nitrid-Verbindungs-Schicht mit einer γ’-Phase oder einer ε-Phase erzeugt wird, und anschließend ein zweiter Nitrierungs-Verfahrens-Schritt ausgeführt wird, bei welchem das Stahl-Element einem Nitrierungs-Verfahren in einer Nitriergas-Atmosphäre mit einem Nitrier-Potenzial geringer als das Nitrier-Potenzial in dem ersten Nitrierungs-Verfahrens-Schritt unterzogen wird, um dabei die γ’-Phase in der Nitrid-Verbindungs-Schicht auszuscheiden.
2. Nitrierungs-Verfahren des Stahl-Elements nach Anspruch 1, wobei der erste Nitrierungs-Verfahrens-Schritt in einer Nitriergas-Atmosphäre mit einem Nitrier-Potenzial von 0,6 bis 1,51 ausgeführt wird, und der zweite Nitrierungs-Verfahrens-Schritt in einer Nitriergas-Atmosphäre mit einem Nitrier-Potenzial von 0,16 bis 0,25 ausgeführt wird.

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