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Verwendung eines Eisennitrid in eutektoider feiner Verteilung enthaltenden
Werkstoffes auf Eisenbasis für Gegenstände, die auf Abnutzung durch Reibung, Gleitung
und Verschleiß beansprucht sind In der Technik besteht ein großes Bedürfnis, Werkstoffe
gegen Abnutzung zu sichern. Abnutzung soll als Oberbegriff, wie in der Vornorm DIN
50 320 vorgeschlagen ist, verstanden werden. Die allgemeine Lehre geht dahin, daß
mit zunehmender Härte auch die Abnutzungsfestigkeit steigt. Man hat deshalb schon
frühzeitig versucht, neben der bekannten Stahlhärtung, die auf dem Kohlenstoffgehalt
basiert, auch eine Nitrierhärtung durchzuführen, die zu einer erheblichen Härtesteigerung
in den beanspruchten Schichten führt. Als Mittel hierzu dienen insbesondere Legierungselemente,
die beständige Nitride bilden, wie beispielsweise Al, Cr, Ti, Zr, Nb u. a. Solche
Sonderstähle zeigen nach einer Glühbehandlung im Ammoniakstrom bei höheren Temperaturen
eine ausgezeichnete Härte, die mit einer guten Verschleißfestigkeit verbunden ist.
Man hat auch bereits Nitrierverfahren entwickelt, bei denen Stähle nitriert werden,
die nur geringe Gehalte oder gar keine Gehalte an Nitridbildnern aufweisen. Hierbei
erhält man eine Nitrierschicht, die verhältnismäßig weich ist, eine gute Korrosionsbeständigkeit
besitzt und auch einen ausreichenden Verschleißwiderstand aufweist. Allerdings dürfen
die Belastungen bei einer Reibbeanspruchung nur gering sein, da die Schichten außerordentlich
spröde sind und leicht zum Abplatzen neigen. Setzt man solche verhältnismäßig weichen
nitrierten Gegenstände einer Reib- oder Gleitbeanspruchung aus, wie sie beispielsweise
in einem Gleitlager gegeben sind, so kann man die Verschleißfestigkeit der äußersten
Nitrierschicht nur in begrenztem Maße ausnutzen, da schon von verhältnismäßig geringen
Belastungen an auch diese weiche Nitrierschicht infolge ihrer geringen Verformungsfähigkeit
und Sprödigkeit zum Einreißen, Abplatzen und Ausbröckeln neigt. Die abgeriebenen
Teilchen setzen sich dann leicht in die Oberfläche und führen rasch zu einer Beschädigung
und Zerstörung der Gleitflächen. Man hat auch versucht, gesinterte Eisenkörper auf
diese Weise zu nitrieren, jedoch ist bei diesem Verfahren die Neigung zum Abbröckeln
eher größer als geringer geworden, so daß auch diese Körper für hohe Belastung nicht
geeignet sind.
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Aus der Vorstellung heraus, daß Härtesteigerung und Verschleißminderung
parallel laufen, war die Fachwelt bisher geneigt, möglichts hohe Konzentrationen
des Stickstoffs anzustreben. Die Oberflächen bestanden demnach vorwiegend aus Fe2N
mit etwa 11,2 % N und Fe4N mit etwa 6'% N. Man hätte nunmehr erwarten können, daß
mit niedrigerem Stickstoffgehalt, der mit einer abnehmenden Härte verbunden ist,
auch eine abnehmende Abnutzungsbeständigkeit einhergeht. überraschenderweise wurde
jedoch gefunden, daß die Abnutzung und insbesondere diejenige Kombination von Abnutzungserscheinungen,
die man bei Gleitkörpern als Laufeigenschaften bezeichnet und die neben der Verschleißfestigkeit
in einer hohen ölhaftfähigkeit und einer geringen Verschweißneigung mit dem Gegenwerkstoff
beruhen, dann sprunghaft besser werden, wenn trotz niedrigeren Stickstoffgehaltes
ein eutektoides Gefüge vorliegt. Das eutektoide Gefüge erstreckt sich über einen
Konzentrationsbereich, der eingegrenzt wird durch den reinen a-Mischkristall mit
gelöstem Stickstoff ohne Nitridanteil und durch das Auftreten des reinen Nitrids
bei etwa 6 0/0. Das rein eutektoide Gefüge liegt in kohlenstoffarmen Stählen bei
etwa 2,4 % N. Unterhalb dieser Gefügekonzentration ist die Nitridverteilung untereutektoid
und darüber übereutektoid. Bei dem Eutektoid ist das Nitrid Fe4N in sehr feiner
(eutektoider) Verteilung in dem stickstoffhaltigen a-Mischkristall dispensiert.
Die Erkenntnis der Erfindung ist also darin zu sehen, daß für die Abnutzung, wie
sie beispielsweise an Gleitkörpern auftritt, nicht die hohe Härte des Nitrids maßgebend
ist, sondern daß sprunghaft günstigere Eigenschaften entstehen, wenn das Nitrid
in feiner eutektoider Verteilung vorliegt. Die feine Verteilung des Nitrids wird
durch Kohlenstoffgehalte kaum gestört. Das Stickstoff-Eutektoid verschiebt sich
meist etwas zu niedrigeren Stickstoffgehalten, wenn der Kohlenstoffgehalt ansteigt.
Man kann somit auch kohlenstoffreichere Stähle mit feinverteilten Nitriden versehen.
Dieses Gefüge, bei dem sowohl eutektoider Zementit als auch eutektoides Nitrid zusammen
existieren, bezeichnet man häufig als »Braunit
« nach der beim Ätzen
erhaltenen Farbe des Gefüges. Auch durch Zusatz von Cu, Ni, Pb, Sn oder anderen
nicht nitridbildenden Elementen wird die Bildung des eutektoiden Nitrids nur unwesentlich
beeinflußt.
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Es ist zweckmäßig, Gegenstände, die auf Abnutzung beansprucht sind,
insbesondere Gleitlager, mindestens in ihrer Gleitfläche mit einer eutektoiden,
feinen Verteilung des Nitrids zu versehen, da hierdurch besonders die Haftfähigkeit
des Öles und die Verschweißneigung mit dem Gegenwerkstoff günstig beeinflußt werden.
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Die eutektoide Verteilung des Nitrids erhält man beispielsweise dadurch;
daß man Stähle, die hinreichend frei von Nitridbildnern, wie Cr, Al, Ti, Zr, B,
Ta und Nb, sind und aus 0,01 bis 1,2% C bis 1% Si bis 30% Cu bis 36 % Ni bis 10%
Mn bis 5 % Pb bis 10% Sn bis 30 % Eisenoxyde Rest Fe mit den üblichen Beimengungen
an S, P und anderen üblichen Eisenbegleitelementen bestehen, ausreichende Zeit bei
höheren Temperaturen zwischen 500 und 850° C einem stickstoffabgebenden Medium,
vorzugsweise in Form eines Ammoniakstromes, aussetzt. Hierbei bildet sich eine von
Zeit und Temperatur abhängige eutektoide Zone mit einem Stickstoffgehalt bis unter
6 %, vorzugsweise unter 5,5 %, die für die Abnutzungsbeständigkeit besonders günstig
ist. Die unerwünschte Zone, die- den Stickstoff nicht in eutektoider Form enthält,
kann man in einfacher Weise durch Abtrennen, Schleifen, Bohren, Drehen, Reiben und
ähnliches beseitigen oder dadurch, daß man die Teile bei einer solchen Temperatur
glüht, bei der sich die hochkonzentrierten Nitride, wie Fe2N und Fe4N, bereits wieder
zersetzen, so daß nur die eutektoide Zone verbleibt. Diese Zersetzung der Nitride
findet bei kohlenstoffarmen Stählen beispielsweise im Temperaturgebiet zwischen
700 und 100° C statt.
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Auf diese Weise ist es möglich, sowohl kompakte, auf dem Schmelz-
und Knetwege hergestellte Gegenstände mit der eutektoiden, feinen Verteilung des
Stickstoffs zu versehen. Es ist aber auch möglich, beispielsweise Sinterkörper in
gleicher Weise zu behandeln. Sinterkörpern kann man noch andere, die Gleitung verbessernde
Elemente oder Verbindungen, wie beispielsweise Pb, Sn, Cd, In, Zn, Graphit, Molybdänglanz,
Wolfram (IV)-sulfid, ferner Oxyde, wie beispielsweise Fe202, Fes04, Fe0, Pb0, Cd0,
einverleiben.
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Es ist auch möglich, die Sinterteile mit einem gewissen Porenvolumen
oder aber mit den Mitteln der Sintertechnik dicht zu pressen, so daß der Porenraum
fast oder gänzlich verschwindet. Bei porösen Sinterwerkstoffen ist es möglich, die
Hohlräume mit festen oder flüssigen Schmierstoffen auszufüllen oder sie mit Kunstharz,
Kunststoffen, Lakken oder bituminösen Stoffen, denen noch Mineralien der Raumgruppe
D; 4 nach S c h ö n f 1 i e ß, wie beispielsweise Graphit, Molybdänglanz, zugefügt
sind, auszufüllen. Unter den Kunststoffen eignen sich besonders die Polyamide, Polyurethane
und fluorhaltigen Äthylene. Die eutektoide Verteilung des Stickstoffs eignet sich
also besonders für Gegenstände, die auf Abnutzung durch Gleitung, Reibung und Verschleiß
beansprucht sind, insbesondere Lager und ihre Gegenflächen, Reibkörper u. a. m.
Beispiele Folgende Eisenwerkstoffe eignen sich für die eutektoide, feine Verteilung
des Stickstoffs: 1. 0,04% C 0,02% Si 0,04% s 0,05% P 0,050/002 0,2 % Cu Rest Fe
mit den üblichen Begleitelementen 2. 0,25% C 0,15% Si 0,25% Mn 0,2 % Ni Rest Fe
mit den üblichen Verunreinigungen an S und P und den üblichen Eisenbegleitelementen
3. 0,55% C 0,3% Si 0,7% Mn 0,2'%Ni Rest Fe mit den üblichen Verunreinigungen an
S und P und den üblichen Eisenbegleitelementen 4. 0,9% C 0,6% Mn 0,4% Si 0,1% Ni
Rest Fe mit den üblichen Verunreinigungen an S und P und den üblichen Eisenbegleitelementen
5. 1,2% C 1% Mn 0,6% Si 0,1% Ni Rest Fe mit den üblichen Verunreinigungen an S und
P und den üblichen Eisenbegleitelementen 6. 0,04% C 0,1% Si 0,3 % Mn 3 % Cu 0,1%
Ni Rest Fe mit den üblichen Verunreinigungen an S und P und den üblichen Eisenbegleitelementen
7. Gesinterte Werkstoffe mit 0,05 % C 5 % Cu 0,4% Si 0,6% Mn Rest Fe B. Gesinterte
Werkstoffe mit 0,05 % C 15 % Cu 0,4% Si 0,60% Mn Rest Fe
9. Gesinterte
Werkstoffe mit 0,05 % C 30 % Cu 0,4% Si 0,6 % Mn Rest Fe 10. Gesinterte Werkstoffe
mit 0,05 % C 0,1% Cu 2 % Ni 0,4% Si 0,6% Mn Rest Fe 11. Gesinterte Werkstoffe mit
0,05% C 0,1% Cu 5 % Ni 0,4 % Si 0,6% Mn Rest Fe 12. Gesinterte Werkstoffe mit 0,05%
C 0,1% Cu 10 % Ni 0,4% Si 0,6% Mn Rest Fe 13. Gesinterte Werkstoffe mit 0,05% C
0,1% Cu 36 % Ni 0,4% Si 0,6% Mn Rest Fe 14. Gesinterte Werkstoffe mit 0,05% C 0,2%
Cu 0,1% Ni 0,4% Si 2 % Mn Rest Fe 15. Gesinterte Werkstoffe mit 0,05 % C 0,2% Cu
0,1% Ni 0,4% Si 5 % Mn Rest Fe 16. Gesinterte Werkstoffe mit 0,05 % C 0,2% Cu 0,1%
Ni 0,4 % Si 10 % Mn Rest Fe 17. Gesinterte Werkstoffe mit 0,80/0 C 0,1% Si 0,2%
Mn 0,5% Ni 5 % Pb Rest Fe 18. Gesinterte Werkstoffe mit 0,8% C 0,1% Si 0,2% Mn 0,5%
Ni 9 % Sn Rest Fe 19. Gesinterte Werkstoffe mit 0,05% C 0,250/0 Si 0,30 % Mn 2%
Cu 10 % Fe203 20. Gesinterte Werkstoffe mit 0,05% C 0,25% Si 0,30% Mn 2% Cu 15 %
Fes04 21. Gesinterte Werkstoffe mit 0,050/0 C 0,25% si 0,30% Mn 2% Cu 25 % Fe0 Rest
Fe 22. Sinterkörper aus 0,02% C 0,1% Si 0,2% Mn 0,1% Ni Rest Fe, dem nach dem Sintern
und Nitrieren noch ein Polyamid mit 10% Pb einverleibt wird. 23. Sinterkörper aus
0,02% C 0,10/ö Si 0,2% Mn 0,1% Ni Rest Fe, dem nach dem Sintern und Nitrieren Tetrafiuoräthylen
mit 15% Pb einverleibt wird. 24. Sinterkörper aus 0,02% C 0,1% Si 0,2% Mn 0,1% Ni
Rest Fe, dem nach dem Sintern und Nitrieren noch ein Gießharz mit 15% Molybdänglanz
einverleibt wird.
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25. Sinterkörper aus 0,02% C 0,1% Si 0,2% Mn 0,1% Ni Rest Fe, dem
nach dem Sintern und Nitrieren noch bis zu 30% Fe204 durch Glühen bei höheren Temperaturen,
insbesondere in einer Wasserdampfatmosphäxe bei 450° C, einverleibt wird.