DE1758208A1

DE1758208A1 - Verfahren zur Waermebehandlung von Staehlen

Info

Publication number: DE1758208A1
Application number: DE19681758208
Authority: DE
Inventors: Waterfall Frederick David
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1966-12-21
Filing date: 1968-04-23
Publication date: 1971-01-28
Also published as: FR94664E; ES353267A2; GB1191122A; BE714333A; US3615908A; NL6805948A

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. H. FINCKE Di P L.-INQ. H. BOHR DIPL.-ING. S. STAEGER

Fernruf: '26 60 60

8 MÜNCHEN 5. Müllersh-aße 31

23. APR. 1968

Mappe 21fo^4 - Dr₀K Gase MD 20178

Beschreibung zur Patentanmeldung der

IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES LTD., London, Grossbritannien

betreffend:

'Verfahren zur Wärmebehandlung von Stählen"

Zusatz zu J 35 295 VIa/18^

PRIOHITiT : 28. 4. 1967

Grossbritannien

Die TCrfirdung bezie.it sich auf die Wärmebehandlung von Stählen» Sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Eisen uad Stahl nller Klassen, welche beim Erhitzen auf den Auster.itisierun.jetemperaturberaich und anschließende Abschreckung ohae die Notwendigkeit der Einführung zusätzlichen Kohlenstoffs während der Erhitzungsstufe gehärtet werden können, und ist eine Abwandlung des Wärmebehandlungsver-

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fahrens des deutschen Patents ... (Aktenseichen J 35 295 VXm/18e). Φ Der Einfachheit halber «erden Eisen und Stähle der oben genannten Klaasen in der Folge als "durch Erhitzen und Abschrecken härtbare Stähle" bezeichnet. Diese Klasse von Materialien umfaBtdie unlegiert«Kohlenstoffstähle und Gußstähle mit mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt und die legierten Stähle mit mindesten· O,25 Gew.-% Kohlenstoff.

In dem oben bezeichneten Hauptpatent ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Kohlenstoffeinsatzhärtungsstählen, legierten Einsatzhärtungsstählen und Legierungestählen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt beschrieben, bei welchem auf dem Stahl eine Oberflächenschicht erzeugt wird, die reich an Stickstoff und Kohlenstoff ist und eine Eisen/Stickstoff-Verbindung enthält, welche Schicht gegenüber Anfressen und Abnützung beständig ist, wenn sie unter einer schweren Belastung der Reibung ausgesetzt wird, und «obei weiterhin unterhalb dieser Schicht eine harte martensitische Zone vorhanden ist, die ebenfalls etwas Stickstoff wie auch Kohlenstoff enthält und gegenüber Eindrücken widerstandsfähig ist. Das Verfahren des Hauptpatents umfaßt in seiner breitesten Form zunächst eine Aufkohlung dieser Stahlarten auf eine Gesamttiefe von mindestens 0,125 am durch Eintauchen des Stahls in ein Aufkohlungsmedium bei einer Temperatur innerhalb des Austenitislerungsbereiohs,bei welchem

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Kohlenetoff rasch absorbiert wird, insbesondere 800 - 950*^3,

geeehaolieaen

ein anschließendes Durchglühen dee heißen Stahls in einem/Salsbad, das mindestens $ Gew.~% und vorzugsweise mindestens 10 Gemseines Alknlimetallcyanats, gerechnet ale NaCKO, enthält, wfthrend mindestens 3 Minuten bei einer Temperatur im Bereich von 700 77O⁰C und vorzugsweise während mindestens 5 Minuten, wenn die Temperatur des Selzbades im Bereich von 700 - 75O⁰C liegt, und des abschließende rasche Abkühlen des Stahls.

Es wurde nunmehr gefunden, daß eine ähnliche an Stickstoff und Kohlenstoff reiche Oberflächenschicht, die gegenüber einer Reibungsabnutzung widerstandsfähig ist, und auch ein gehärteter Kern, der gegenüber Eindrücken widerstandsfähig ist, bei Stählen, die durch Frhitzen und Abschrecken härtbar sind, erzeugt werden kann, wenn diese Stähle der gleichen Behandlung, wie sie im Hauptpatent für die Behandlung von Einsatzhärten^sstahlen beschrieben ist, oder einer nahezu analogen behandlung interworfen werden.

Gemäß der "Erfindung wird ein Verfahren zur Wännti.eha::d:ung von durch Erhitzen und Abschrecken härtbaren Stählen vor_«?. chlflgen, welches dadurch ausgeführt wird, da5 can-den Stahl i:: oinem gegen'-iber dem Stahl nicht aufkohlenden liediira auf sein»-n Auste-

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nitisierungstemperaturbereleh erhitzt, den Stahl in eine« β·· schmolzenen Salzbad durchglüht, welches mindestens 5 äew«-jft und vorzugsweise mindestens 10 Gen.-* elnea Alkalimetellcjanata, gerechnet als NaCNQ₁ enthält, wobei dae Durchglühen bei einer Salzbadtemperatür von 700 - 77O⁰C mlndestene 3 Minuten und, sofern die Temperatur dea Salzbadea Ib Bereich von 700 - 75O⁰C liegt, vorzugsweise mindeatene 5 Minuten ausgeführt wird, worauf nan dann den Stahl raach abkühlt.

Die Austenitisierungsstufe kann in einer nicht-oxydierenden Gaeatmosphäre oder in eine« neutralen Salzbad, wie ee in der Technik bekannt ist, auegeführt werden. Alternativ kann für etfihle alt hohen Kohlenetoffgehalt eine übliche Gaaaufkohlungsatnoaphäre oder ein SaI»bad, das ein Cyanides!« enthält, verwendet werden. Obwohl diese Medien la allgemeinen als Aufkohlungamedlen bekannt alnd, so besitzen sie im wesentlichen keine Aufkohlungewirkung gegenüber Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt.

Bei der zweiten Stufe dea erfindungsgemaften Verfahrens wird es bevorzugt, ein Salzbad zu verwenden, das aus einem Alkalimetallcyanid, einem Alkalinetallcyanat, einem Alkalimetallcarbonat und gegebenenfalIb einem Alkaliaetallchlorid besteht, wie es in der britischen Patentschrift 1 052 668 im Zusammenhang mit dem so genannten Carbonitridierun^everfoüran beschriebet* ist.

00988b/0832 BADORIGiNAL

Wenn der Cyanatgehalt des Bade beim bevorzugten Minimum -von 10 Gew.-95 oder höher feehalten werden SoIl₁ dann kann dies in einer Weise erreicht werden, wie sie in der genannten britischen Patentschrift gelehrt wird, aber der Eisengehalt der legierten Stahloberflächen des Behälters und irgendwelcher Elektroden, die mit dem geschmolzenen Salzbad in Berührung sind, sollte 22 Gew.~% nicht überschreiten und sollte vorzugsweise zwischen 10 und 20 Gew.-% liegen, da die beim erfindun&sgemäßen Verfahren verwendeten Behandlungstemperaturen im allgemeinen höher sind als die Carbonitridierungstemperaburen, die in der genannten britischen Patentschrift gelehrt werden. Eine Behandlungzeit von 10 Minuten in Bädern dieser Art ist im allgemeinen sehr brauchbar, und es wurde gefunden, daß diese Behandlung eine Schicht aus einer Vovblnclung erzeugt, die reich an Stickstoff und Kohlenstoff ist und . an der Oberfläche eines geätzten MikroSchnitts des behandelten Stahls beobachtet werden kann. Diese Schicht an der unmittelbaren Oberfläche des Stahls besitzt eine unterschiedliche Tiefe von ungefähr 0,0075 ma bis 0,05 mm, was vom Cyanatgehalt und von der Temperatur des Bads abhängt, und es kann auch eine gewisse weitere Eindringling von Stickstoff in den Stahl stattfinden. Während dieser Behandlung bleibt der Stahl unterhalb der Überflächenschicht vollständig oder weitgehend im austenitischen Zustand«

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Nach der Behandlung in Salzbad der «weiten Stufe wird der Stahl rasch abgekühlt, beispielsweise durch Abschrecken in Wasser, öl oder einem anderen üblichen Abschreckungamedium, das eich zur Härtung des jeweiligen Stahle eignet· Wach de« Abschrecken wird festgestellt, daß die äußerste Schicht, die reich an Kohlenstoff und Stickstoff 1st und eine Dick· von ungefähr 0,0075 - 0,05 mm aufweist, unverändert bleibt und eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Anfressen und Abnutzung besitzt, daß aber der darunter liegende Stahl oder das darunter liegende Eisen gehärtet wird, wobei die härteste Zone in der Nähe der Oberfläche liegt.

Wenn die gewöhnliche Austenitislerungstemperatur des Stahls innerhalb des Temperaturbereichs von 750 - 770°C liefet, dann besteht ein alternatives Verfahren darin, die Austenitisierung und die Herstellung der Schicht au« der Kohlenstoff/3tickstoff-Verbindung im gleichen Bad auszuführen. Hierzu erhitzt man die Teile zwecks Austenitisierung, indem sie direkt in das Salzbad eingebracht werden, welches mindestens 5 Gew*-%, vorzugsweise 10 Gew.-%, Alkalinetallcyanat, gerechnet als HaCfO,enthält, durchglüht sie mindestens 7 Minuten each Erreichung der Badtemperatur und sdireokt sie ab, um den Stahl zu härten·

Die Kombination aus einem gehärteten Stahl oder gehärteten Elsen und einer anfressbeständigen Oberfläche macht das erfindungs-

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geattße verfahren eehr wertvoll für die Anwendung auf Motorenventilstößel sowohl in Stahl als auoh in kugeligem Bisen (nodular iron), auf verschiedene Typen von Getriebezahnrädern und auf die Herstellung von Werkseugen, die aus unlegierten Kohlenstoff- oder legierten Werkzeugetählen hergestellt sind.

Bei Gegenständen, die bei* Gebrauch einer extremen Reibung zu widerstehen haben, wird es bevorzugt, eine Menge von mindestens 10 Gew.-ft Cyanat, gerechnet als NaCNO, im bei der «weiten Behändlungastufe verwendeten Bad einzuhalten, da dies eine maxlnal« Beständigkeit gegenüber Anfressen der Oberfläche der behandelten Gegenstände ergibt. Cyanatgehalte la Bereich unter· halb 10 %, aber nicht unterhalb 5 Gew.-% sind jedoch für Gegen-

weniger

stände sehr brauchbar· die unter/strengeη Bedingungen verwendet werden. Die Anfresswlderetandsfähigkeit, die alt Cyanatgehalten in dieses Bereich erzielt wird, ist überraschend hoch und wird vielen technischen Anforderungen gerecht.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, in denen alle Prosentangaben in Gewicht ausgedrückt sind. Die Beispiele sind nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen.

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Beispiel 1

Dieses Beispiel zeigt zum Zwecke des Vergleiche die Resultate, die mit einer normalen Härtungebehandlung eines Werkzeugetahle erhalten werden.

Stücke aus einem Werkzeugstahl mit 0,9 % Kohlenetoffgehalt in form von Scheiben mit 0,4 cm Durchmesser, die eich für eine Prüfung in einer Ameler-Abnützungsprüfmaschine eigneten, wurden in der üblichen Weise dadurch gehärtet, daß sie 10 Minuten in einem neutralen Salzbad, das aus einem Gemisch der Chloride aus Natrium und Kalium bestand, auf 780⁰C erhitzt und dann in Wasser abgeechreekt maiden. Härteprüfungen zeigten bei den behandelten Scheiben Rockwell-Härten von C65 - 66. Zwei behandelte Scheiben, A und B, wurden dann einer Abnutzungeprüfung auf einer Asusler-Abnutzungsprüfungemaschlne unterworfene Bei diesen Prüfungsverfahren wurden die Scheiben in einem Kanten-Knnten-lIontakt unter einer Belastung von «20 Ji₀ ait OO bzw. 440 U/min in Drehung versetzt, so daß sie sich am Kontaktpunkt in entgegengesetzten Richtungen bewegten, dabei wurden sie mit einem SAE 30 Mineralöl geschmiert. Die Scheiben wurden dann entnommen und nach 1 000, 9 000 und 25 000 Umdrehungen gewogen. Der Versuch wurde nach 25 000 Umdrehungen abgebrochen, da zu diesem Zeitpunkt die Scheiben stark abgenutzt waren.

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BAD ORiGiNAL

Der Gewichtsverlust; der Scheiben war wie folgt :

Gramm

Scheibe A Scheibe B	1,2625 0,1122
Ge samt verlust	1.3745
	Beispiel 2

Amsler-Abnutzungsprüfungsscheiben von 0,4 cm Durchmesser, die aus einem Werkzeugstahl mit 0,9 % Kohlenstoffgehalt hergestellt «raren, wie sie in Beispiel 1 verwendet wurden, wurden durch das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt behandelt. Die Scheiben wurden durch Erhitzen während 10 Minuten auf 800⁰G in einem neutralen Salzbad, das aus einem Gemisch aus den Chloriden von Natrium und Kalium bestand, austenitisiert und dann unmittelbar in ein SaI»bad überführt, das auf 730⁰C gehalten worden war und 26,1 % NaCN und 13,7 % NaCNO enthielt, wobei der Rest aus Alkaliraetallcarbonat bestand. Die Scheiben wurdsn in diesem Salzbad 10 Minuten belassen und dann in Wasser abgeschreckt.

Eine Prüfung der behandelten Scheiben zeigte die folgenden Härtecharakteristiken ;

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vickars	Härte	HV2g	445	- 463
It		HV3O	413	- 418
Rockwell	Härte	RHC	38	- 40

Zwei behandelte Scheiben«A und B,inirden auf einer Amsler-Maschine wie in Beispiel 1 einer Abnutzungsprüfung unterzogen. Die Scheiben wurden in Intervallen entnommen und gewogen. Sie zeigten keinerlei Abnutzung, wenn der Test nach einer Gesamtzahl von 10 Umdrehungen abgebrochen wurde. Der Gewichtsverlust der Scheiben war zu diesem Zeitpunkt :

Gramm

Scheibe Scheibe	A B	O O	,0056 ,0048
Geeamtvarlust	O	,0104

Beispiel 3

Amsler-Abnutzungsprüfungsecheiben mit einem Durchmesser von 0_t4 cm, die aus einem Werkzeugstahl mit 0,9 % Kohlenstoffgehalt hergestellt waren, wurden durch 10 Minuten dauerndes Erhitzen in einem neutralen Salzbad bei 800⁰C wie in Beispiel 2 austenitisiert. Sie wurden dann unmittelbar in ein Salzbad überführt das auf 75O⁰C gehalten wurde und das 23,0 % NaCN und 11,3 %

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NaCNO enthielt, wobei der Rest aue Alkalimetallcarbonat bestand. Die Scheiben wurden 10 Minuten in diesem Bad belassen und dann in Wasser abgeschreckt·

Die Prüfung der behandelten Scheiben zeigte die folgenden Härte Charakteristiken :

Vickere	Härte	HV22	680	- ^54
fl	ti	HV30	61	- 690
Rockwell	L Härte	HRC	- 63

Zwei behandelte Scheiben^A und B, die in einer Amsler-Maschine wie in Beispiel 2 einer Abnutzungeprüfung unterworfen worden waren, zeigten nach einer GesamtUmdrehungszahl von 10' keinerlei Abnutzung Der Gewichtsverlust der Scheiben während dieses Tests war wie folgt s

Gramm

Scheibe A	0,3256
Scheibe B	0,2430
	0,5686

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Claims

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von durch Erhitzen und Abschrecken härtbaren Stahlen, dadurch gekennzeichnet, daß man den Stahl in einem Medium, das gegenüber dem Stahl nicht-aufkohlend ist,auf eine Temperatur in seinem Auetenitisierungsbereich erhitzt, den Stahl in einem geschmolzenen Salzbad, das auf eine Temperatur im Bereich von 700 - 77O⁰C gehalten wird und mindestens 5 Ge*.-% Alkalimetallcyanat, gerechnet als NaCNO,enthält, mindestens 3 Minuten durchglüht und hierauf rasch abkühlt«

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Salzbad mindestens 10 Gew.-# Alkalimetalloyanat, gerechnet als NaCNO, enthält.

5" Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Salzbad ein Cerbonitridisierungsbad ist, das auch Alkalinetallcyanid und Alkalimetallcarbonat enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

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BAD ORIGINAL

das geschmolzene Salzbad auch Alkalimetallchlorid enthält.

5° Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des Stahls auf eine Temperatur in seinem Austenitisierungshereich durch Eintauchen des Stahls in ein neutrales Salzbad ausgeführt

6· Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4 in der Anwendung auf einen Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des Stahls auf eine Temperatur in seinem Austenitisierungsbereich duroh Eintauchen des Stahls in ein geschmolzenes Salzbad ausgeführt wird, das Alkalimetall« cyanid enthält, bei welchem es sich um ein anderes Salzbad handelt, als dasjenige, das auf eine Temperatur im Bereich von 700 - 77O⁰C gehalten wird.

7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -· 4·, dadurch gekennzeichnet, daß das auf eine Temperatur im Bereich von 700 - 77O⁰G gehaltene geschmolzene Salzbad bezüglich seiner Temperatur auf einen Bereich von 750 - 77O⁰C beschränket wird, wobei der otahl durch Erhitzen in diesem Bad austenitisiert, nach der Erreichung der Salzbadtemperatur darin mindestens 7 Minuten durchglüht und dann abgeschreckt wird»

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8. Verfahren nach einen, der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekenn

zeichnet, dafl das auf einen Tempera air be reich von 700 - 77O⁰C gehaltene geschmolzene Salzbad bezüglich seiner Temperatur auf einen Beroich von 700 - 75O⁰C bsschränkt iet, wobei der heiße Stahl in dieses Bad eingatauch und mindestens 5 Micufcen darin durchglüht wird.

OL-IN(I. H. fINCKf. DlPl-INO. H. BOHl DIfL-INO. S. STAEOH

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