DE1521237C - Werkstücke und Bauteile aus Eisenwerkstoffen mit einer Verschleißschicht und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft Werkstücke und Bauteile auf festen verdünnenden Mittel gepackt sind und erhitzt

der Basis von Eisenwerkstoffen mit einer Chrom- werden zur Diffusion des Chroms bis zu der änge-

diffusions-Verschleißschicht und ein Verfahren zu strebten Einsatztiefe. Man kann aber auch eine Gas-

deren Herstellung, wobei vor der Diffusionsver- diffusion, also eine chromabgebende Gasatmosphäre,

chromung eine Aufstickung oder Carbonitrierung 5 hierfür verwenden. Bei dieser Diffusionsverchromung

stattfindet. findet ein Anlassen der Eisenwerkstoffe statt, so daß es

Aus »Blast furnace and steel plant«, 38,1950, S. 1137, zweckmäßig ist, nach der Diffusionsverchromung noch

ist ein Verfahren bekannt, um Chromstähle mit relativ eine Härtung vorzunehmen.

geringem Kohlenstoffgehalt (maximal 0,8% C) mit Als Eisenwerkstoff nach der Erfindung eignen sich

einer Verschleißschicht zu versehen, indem oberfläch- io die verschiedensten Stähle und legierten Stähle auch

lieh aufgestickt wird. Auf diese Weise erhält man im mit hohen Kohlenstoffgehalten, nämlich über 0,4%,

besten Fall eine Oberflächenschicht aus Chromnitrid.' z. B. (SAE 52100) mit 0,98 bis 1,1 % C, 0,25 bis 0,45 %

Die USA.-Patentschrift 3 010 856 bringt ein Ver- Mn, bis 0,025 % P, bis 0,025 % S, 0,2 bis 0,35 % Si und fahren zur Herstellung von Reibrädern zur Erzeugung 1,2 bis 1,6% Cr. Ein solcher Stahl dient vielfach als von Funken, wobei der Eisenwerkstoff zuerst zur 15 Werkstoff für Bolzen und Zapfen. Werden Stähle mit Bildung einer Chromdiffusionsschicht inchromiert und · geringerem Kohlenstoffgehalt angewandt, so beobachanschließend aufgekohlt wird. Durch diese Aufkohlung tet man eine Erhöhung der Duktilität der Verschleißerreicht man eine mittlere Zone aus Eisenchromcarbi- schicht gegenüber einer Härtesteigerung, den und eine Oberflächenzone aus im wesentlichen Vor der erfindungsgemäßen Aufbringung der Ver-Chromcarbid. ' 20 schleißschicht werden die Werkstücke oder Bauteile

Die Erfindung bringt nun Werkstücke und Bauteile zweckmäßigerweise sorgfältig gereinigt, Grate und auf der Basis von Eisenwerkstoffen mit einer gegenüber Oberflächenrauhigkeiten abgeschliffen und dann der den bekannten Verschleißschichten wesentlich härteren erfindungsgemäßen ersten Verfahrensstufe — das ist Verschleißschicht, und ein großtechnisch durchführ- die Aufstickung oder Carbonitrierung — unterworfen, bares Verfahren zur Herstellung dieser mit der neuen as Nach der Erfindung kann man eine Einsatztiefe oder Verschleißschicht versehenen Werkstücke. Die er- Härtezone gewünschten Ausmaßes herstellen, z. B. findungsgemäßen Werkstücke und Bauteile weisen eine etwa 76 μ. Nach der Aufbringung der Verschleißschicht Verschleißchicht im wesentlichen aus Eisenchrom- wird auf die gewünschte Härte gehärtet. Die erfindungscarbiden auf, in welcher eine im wesentlichen aus gemäßen Werkstücke oder Bauteile zeichnen sich, wie Chromnitrid bestehende Phase' eingebettet ist. Zur 30 erwähnt, durch besondere Härte aus. Ein auf übliche Herstellung der erfindungsgemäßen Verschleißschicht Weise diffusionsverchromter Bolzen weist z. B. eine wird der Eisenwerkstoff oberflächlich aufgestickt oder Oberflächenhärte von 1200 bis 1300 HV auf, ein carbonitriert und anschließend nach dem Diffusions- gleicher Bolzen mit der erfindungsgemäßen Vergleichsverfahren eine Chromschicht aufgebracht. Carbo- schicht jedoch wesentlich über 1500 HV. Diese Härtenitrierung kann bei einem Kohlenstoffpegel ent- 35 steigerung ist der erfindungsgemäßen Zwischenzone sprechend einem Kohlenstoffgehalt des Eisenwerk- .aus Chromnitrid zuzuschreiben. Stoffs durchgeführt werden. - Nach der Diffusions- Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verchromierung kann man die Eisenwerkstoffe oder Bau- fahrens wird beispielsweise ein stranggepreßter Rohling teile noch härten. aus einem hochgekohlten Stahl oder legierten Stahl

Die erfindungsgemäßen Werkstoffe eignen sich in- 40 für stark auf Verschleiß beanspruchte Maschinenfolge ihrer besonderen Härte und verschleißfesten teile untersucht. Der Rohling wird auf die gewünschte Oberfläche für solche Maschinenteile, die nicht nur Länge geschnitten, dann sorgfältig geputzt und in auf Verschleiß, sondern auch auf Druck sehr hoch be- einem Ofen zur Entfernung der gesamten Feuchtigkeit ansprucht sind, also Bauteile aus verschiedenen Lagern, auf 93 bis 121⁰C erwärmt.

wie Lagerringe, schnellaufende Lager, Ablaufplatten 45 Die Prüfkörper werden dann in seichten Körben,

für Walzen und Rollen und verschiedene Teile von z. B. in einem Ofen aufgestickt, und zwar mit Ammo-

Kupplungen, bei denen an die Werkstückoberfläche niak oder nach einem anderen bekannten Verfahren

hohe Beanspruchung hinsichtlich Druck und Relativ- zur Aufstickung von Stählen bei 835 bis 843° C, und

geschwindigkeit gestellt wird. · , ! etwa 90 bis 100 Minuten bei einer Temperatur ent-

Die hervorragenden Eigenschaften der erfindungs- 5° sprechend der gewünschten Härte belassen. ^; gemäßen Verschleißschicht sind zumindest teilweise Es wird dann abgeschreckt, weiter gekühlt und zur der untrennbaren Verbindung dieser Verschleißschicht Entspannung gezogen oder gereckt. > mit dem Werkstück selbst zuzuschreiben. Eine so innige Nun wird nach bekannten Verfahren die Diffusions-Verbindung ist bei oberflächlicher Verchromung, z. B. verchromung vorgenommen und anschließend gedurch Elektroplattieren, nicht möglich, nur die In- 55 härtet, um die durch die Anlaßbehandlung bei der chromierung durch Diffusionsverfahren führt zu einer Verchromung verlorene Härte wieder zu erreichen, so weitgehenden Verbindung, daß ein Abschälen der ■;'· Abgesehen von diesen Verfahrensschritten kann Verschleißschicht nicht stattfinden kann. Die guten noch ein Entgraten, Einschleifen von Nuten, Fertig-.." mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen bearbeiten (mit Ausnahme der Arbeitsflächen) oder Verschleißschicht beruhen wohl auch zum Teil auf der 60 eine Materialprüfung stattfinden; ■ _; ; -r ;_: in der'Chromdiffusionsschicht eingebetteten Chrom- Die Erfindung wird an Hand der Figur näher ernitridschicht. läutert. _;i 5

Die Diffusionsverchromung, also die zweite Stufe Die Figur zeigt eine Mikrophotographie eines zur

des erfindungsgemäßen Verfahrens, kann ein übliches Korngrenzenätzung mit i- bis 2%iger alkoholischer

Verfahren der Diffusionsverchromung sein, also ent- 65 Salpetersäure behandelten Schliffs von Stahl SAE

weder eine Einsatzverchromung, indem die Werk- 52100 in 2000facher Vergrößerung,

stücke oder Bauteile in ein chromabgebendes Pulver, Das Werkstück 10 z. B. aus Stahl SAE 52100 mit

z. B. Chromhälogenid, im Gemisch mit einem feuer- 1 % C wurde in stark aufkohlender Atmosphäre,, bei-

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spielsweise mit einem Kohlenstoffpotential von 1,5 °/₀C, Das ölbad soll vor dem Abschrecken ungefähr

aufgekohlt, es bildet sich eine Vielzahl von Eisen- 32,2 bis 54°C haben und sich nicht über etwa 66°C chromcarbideinschlüssen 12 in relativ hoher Konzen- erwärmen. Mit der Luftkühlung soll man erst beginnen, tration in der Nähe der äußeren modifizierten Chrom- wenn die Charge die öltemperatur unter 66°C erreicht oder Einsatzschicht 14 und bis in das Werkstück hin- 5 hat; die Luftkühlung wird bis auf 23,9⁰C fortgesetzt ein, die zu einem inneren Stützgerüst für die modifi- und bei Raumtemperatur gleich die Härte bestimmt, zierte Chromschicht führen. Wird jedoch in einem Zu diesem Zeitpunkt besitzen die Werkstücke eine relativ kohlenstoffneutralen Milieu aufgestickt, so sind Rockwell-Härte 93 bis 94 (15 N).
derartige Eisencarbideinschlüsse weniger ausgeprägt. In obigem Beispiel ist die Nitrierungszeit für ge-

Dies ist der Fall, wenn der Kohlenstoffpegel der auf- io härteten Stahl angegeben, sie liegt für angelassenen kohlenden Atmosphäre den Kohlenstoffgehalt des Stahl unter sonst gleichen Bedingungen niederer. Diese Stahls auf unter 1% verringert und daher keine verkürzte Zeit der Nitrierung ist auch für die Carbo-Kohlenstoffwanderung durch das Stahlgefüge statt- nitrierung von gehärtetem Stahl in einer aufkohlenden findet. , Atmosphäre (z. B. aus einer Vorcharge) anwendbar.

Die inchromierte Schicht 14 umfaßt eine untere 15 Das abschließende Härten nach der Chromdiffusion Zone 16 von Eisenchromcarbid in fester Lösung, die kann auf beliebige Weise geschehen, im allgemeinen ungefähr in der Mitte eine Zwischenzone 18 aus korn- jedoch unter Bedingungen ähnlich der Nitrierung oder plexem Chromnitrid hat, die sich deutlich dunkler ab- Carbonitrierung, mit Ausnahme der kohlenstoff- und zeichnet und in einer Farbmikrophotographie eines ammoniakhaltigen Ofenatmpsphäre, z.B.: Taupunkt mit alkoholischer Salpetersäure geätzten Schliffs rosa ao 1,6 bis 4,5°C; Spaltgas: (kein Ammoniak) Taupunkt erscheint. Der Montageteil 20 diente nur zum Polieren 1,6 ± 2,5° C bei 830 bis 843° C während mindestens und Ätzen des Schliffkörpers. Wie auch immer der 60 Minuten, Abschrecken in öl, Kühlen an der Luft mechanische Einfluß dieser Zwischenzone oder-phase und Recken bei 149 bis 160⁰C.
der Nitride ist, so bewirkt sie eine Erhöhung der Härte So behandelte Werkstücke zeigen im Kern eine und Verschleißfestigkeit der Chromdiffusionsschicht, as Härte von mindestens 60 HRC bzw. mindestens

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun an der 90 HRN und an der Oberfläche nach Knoop 1350 Herstellung von verschleißfesten Kupplungsteil aus bei einer Prüflast von 100 g.
SAE 52100 erläutert; Die Bestimmung des Mikrogefüges ergab eine

Der rohe Formkörper wird zugeschnitten, gereinigt Zwischenphase 18 mit einer Stärke von ungefähr 20% und bei 93 bis 121⁰C getrocknet. Es wird aufgestickt 30 der Stärke der gesamten Chromdiffusionsschicht 14 und (bzw. carbonitriert). Die Temperatur soll über dem kugelige Carbideinlagerungen 12 unmittelbar unter der unteren kritischen Punkt, z. B. bei 835 bis 843° C liegen, Diffusionsschicht 14 in dem Kern des Werkstücks,
der Taupunkt der Ofenatmosphäre wird auf Die erfindungsgemäße Chromschicht 14 zeigt die

^12,5 ± 0,5⁰C gehalten. Die Ofenatmosphäre bildet für eine Chromdiffusionsschicht charakteristische inein Spalt- oder Synthesegas, Erdgas und Ammoniak, 35 nige Verbindung mit dem Grundwerkstoff, wodurch und zwar mit einem Durchsatz an Spaltgas von 5,66 kein Abschälen, Abblättern od. dgl. wie dies bei elekbis 6,37 m³/h, an Erdgas von 1,13 m^s/h oder darüber ' trolytischer Verchromung der Fall ist, stattfindet. Die und an Ammoniak von 0,255 m^a/h. Die Reaktionszeit Oberfläche besitzt extreme Härte und Verschleißfestigsoll 90 bis 100 Minuten betragen. Dann wird in einem keit, kann jedoch auch auf einem Stahl < 0,4 °/₀ C üblichen ölbad bei 32,2 bis 54° C abgeschreckt und in 40 duktiler sein und damit weitere Anwendungen ermögströmender Luft langsam fertiggekühlt und nur zum liehen. Die Oberfläche ist sehr korrosions- und kratz-Abbau innerer Spannungen bei Raumtemperatur 3 bis fest. Die Maßhaltigkeit der Werkstücke wird nicht be-4 Stunden stehengelassen und dann bei 163 bis 177°C einflußt, eventuelle Änderungen sind leicht vorhersehgereckt. (Für z. B. Teile < 45,4 kg mindestens 2 Stun- bar.

den.) Die so behandelten Werkstücke werden auf 45 Die kugeligen Einlagerungen 12 scheinen komplexe Härte geprüft, zur Entfernung der Grate getrommelt, Eisenchromcarbide zu sein, die aus den Bestandteilen Nuten od. dgl. eingeschliffen. Es wird nun inchromiert der speziellen Legierung selbst oder ganz oder zumindest bis auf eine Einsatztiefe von 76 μ, wobei diese Tiefe ge- teilweise aus der Chromschicht 14 herrühren können, messen wird. Schließlich wird gehärtet, um das mit der . Um die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Ver-Chromdiffusion verbundene Anlassen rückgängig zu 5° fahrens zu zeigen, wurde nach den Anweisungen der machen. Es folgen nun noch Maßnahmen zur Bestim- USA.-Patentschrift 3 010 856 eine Verschleißschicht mung von Härte, Oberflächengüte, Maßhaltigkeit und nach dem Chromdiffusionsverfahren und anschließenauf Fehler mit Hilfe des Magnetpulververfahrens. der Äufkohlung hergestellt und dabei eine Verschleiß-

Bei Beginn der Nitrierung muß die Atmosphäre schicht mit einer Stärke von 17,8 μ erreicht. Die Obernicht kohlenstofffrei sein; in manchen Fällen ist es 55 flächenhärte der Verschleißschicht betrug bei einer wünschenswert, sofort nach einer Aufkohlung in dem Prüf last von 10 kg nach Knoop 2760, die Härte des Ofen weiterzuarbeiten. Dadurch wird die Chargenzeit Stahlkerns 62 HRC.

unter bestimmten Arbeitsbedingungen herabgesetzt. Der erfindungsgemäßen Behandlung wurde ein

Werden die Werkstücke in einer relativ neutralen Stahl nach der amerikanischen Spezifikation SAE Atmosphäre einer vorhergehenden Wärmebehandlung öo 52100 unterzogen (0,98 bis 1,1 °/„ C, 0,25 bis 0,45% behandelt, so ist eine längere Einsatzzeit erforderlich. Mn, 0,025 P, 0,025 S, 0,20 bis 0,35% Si, 1,3 bis 1,6% Ein Taupunkt von —4° C oder darunter entspricht Cr). Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ereinem Kohlenstoffpegel von 1%, bei großindustrielieh haltene Verschleißschicht hatte eine Stärke von 5 μ. Verfahren ist jedoch ein Taupunkt von etwa -12⁰C Diese wurde zur Bestimmung der Härte der Teilwünschenswert. Der Taupunkt der Ofenatmosphäre 65 schichten aufgeteilt in die äußere Teilschicht, mittlere ist zu Beginn und am Ende der Carbonitrierung zu Teilschicht, innere Teilschicht. Bei einer Prüf last von bestimmen. Eine Charge soll nicht wesentlich mehr als 10 kg ergab sich für die äußere Teilschicht nach 45 kg betragen. Knoop ein Durchschnittswert von 2640, für die

mittlere Teilschicht von 3200 und für die innere Teilschicht von 2721.

Vergleicht man die Härtezahlen aus dem erfindungsgemäßen Verfahren mit denen aus dem bekannten Verfahren, so zeigt sich, daß die Härte der äußeren Teilschicht um etwa 4,3 °/₀ geringer ist als die nach dem bekannten Verfahren. Die mittlere Teilschicht zeigt eine 15,9 °/₀ größere Härte und die innere Teilschicht eine 1,4% geringere Härte als die Verschleißschicht nach dem bekannten Verfahren. Die abgestufte Härte der Verschleißschicht nach der Erfindung ist ganz besonders zweckmäßig für hochbeanspruchte Bolzen u. dgl., und zwar da die relativ weichere äußere Teilschicht auf der extrem harten mittleren Teilschicht aufliegt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Werkstücke und Bauteile auf der Basis von Eisenwerkstoffen mit einer Verschleißschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschicht eine im wesentlichen aus Eisenchromcarbiden bestehende Schicht ist, in welcher eingebettet sich eine im wesentlichen aus Chromnitrid bestehende Phase befindet.

2. Verfahren zur Herstellung der Verschleißschicht auf den Werkstücken und Bauteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenwerkstoff oberflächlich aufgestickt oder carbonitriert und anschließend nach dem Diffusionsverfahren eine Chromschicht aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Carbonisierung bei einem Kohlenstoffpegel entsprechend dem Kohlenstoffgehalt des Eisenwerkstoffs durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,; dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenwerkstoff nach der Diffusionschromierung gehärtet wird. '

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen