DE1902209A1

DE1902209A1 - Verfahren zur Oberflaechenhaertung

Info

Publication number: DE1902209A1
Application number: DE19691902209
Authority: DE
Inventors: Seybolt Alan Upson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-02-01
Filing date: 1969-01-17
Publication date: 1969-09-04
Also published as: FR2001101A1; GB1200165A

Description

Verfahren zur Oberflächenhärtung

Metallstücke werden häufig zur Erhöhung ihrer Verschleißfestigkeit oberflächlich gehärtet werden. Beispielsweise ist es allgemein üblich, die oberflächlichen Teile von Stahllegxerungen einer Nitridhärtung zu unterwerfen und dadurch die Härte der Oberfläche wesentlich zu steigern, daß die Teile in einem stickstoffhaltigen Medium einer Hitzebehandlung unterworfen werden. Im allgemeinen geschieht dies nach einem der drei folgenden grundlegenden Verfahren. In der sogenannten "flüssigen" Nitridhärtung werden die oberflächlich zu härtenden Stücke bei einer Temperatur von etwa 500 bis 55O°C in einem flüssigen Cyanid-Cyanat-Bad gehärtet. In Abwandlungen dieses Verfahrens v/ird das Bad bei einem Druck von 0.07 - 2.1 kg/cm (1 - 30 psi) einer Behandlung mit wasserfreiem Ammoniak unterworfen oder es wird wie im sogenannten "Kohlensäure-Bad"-Verfahren, Luft durch das Bad hindurchgeleitet. Bei der sogenannten "Gas"-Nitridhärtung, wird das oberflächlich zu härtende Teil in einem

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Gefäß, in das unter Atmosphärendruck Ammoniak eingeleitet wird, auf etwa 500 bis 55O°C erhitzt. Bei der "Glimmentladungs-"Nitridhärtung, die manchmal auch·als "Ionennitridhärtung" bezeichnet wird, wird das oberflächlich zu härtende Teil in einem Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff und einem Druck, der wesentlich unterhalb des Atmosphärendruckes liegt, auf 500 bis 55O°C erhitzt und auf der Oberfläche des Teiles eine "Glimmentladung" hervorgerufen. Durch die Entladung wird der Stickstoff ionisiert, und wodurch wiederum seine chemische Vereinigung mit der Oberfläche des Teiles unter Bildung von Nitriden erleichtert wird.

Auf diese Weise können jedoch nicht alle Stähle wirksam gehärtet werden. Dies gilt besonders für unlegierte Kohlenstoffstähle. Bekanntlich sind Eisennitride, Fe.N oder Gemische aus Fe₄N und Fe„N nicht besonders hart, während daraus gebildete Oberflächenschichten spröde sind. Die im Handel für dieses Verfahren erhältlichen, für dieses Verfahren nitridhärtbaren Stähle enthalten beträchtliche Mengen von Zulegierungsbestandteilen, die stabile Nitride bilden, wie beispielsweise Aluminium, Chrom, Vanadin, Titan, Zirkon, Hafnium, Niob und Tantal. Diese legierten Stähle sind wesentlich teurer als unlegierter Kohlenstoffstahl, ihre Nitridhärtung dauert länger, beispielsweise bis zu 80 Stunden und die erhaltene Oberflächenhärte erreicht in den seltensten Fällen mehr als die Härte 1000 nach Vickers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unlegierte Kohlenstoffstähle und andere Metalle und Legierungen, die nicht nitridgehärtet werden können, mit einer harten Oberfläche zu versehen, die einer durch Nitridhärtung erreichbaren Oberfläche vergleichbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit Hilfe herkömmlicher Galvanisierungsverfahren auf die Oberfläche eines Metallstückes eine Schicht axis Chrom auf galvanisiert wird. Die galvanisierte Oberfläche wird anschließend in einer nicht-oxidierenden, stickstoffhaltigen Atmosphäre und bei einer ausreichend hohen Temperatur

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so lange erhitzt, bis ein beträchtlicher Teil des Chroms in Chromnitrid als harte Außenschicht überführt ist und durch Diffusion zwischen dem übrigen Teil der Chromschicht und dem darunter liegenden Metallstück eine Bindung erhalten wird, durch die die Chromnitridschicht fest mit dem Metallkörper verbunden wird.

Im einzelnen wurde beispielsweise eine im Handel erhaltene auf die Oberfläche eines Stahls mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (etwa 0,2%) aufgalvanisierte Chromschicht von etwa 0.06 mm (0.0025 inch) 3 Stunden bei 1000⁰C in einer Atmosphäre von 30% Stickstoff und 70% Wasserstoff bei nahezu Atmosphärendruck erhitzt. Die ursprüngliche Härte der verchromten Oberfläche betrug etwa 650 nach Vickers. Nach dieser Hitzebehandlung zeigte die galvanisierte Oberfläche eine Härte von 1450 nach Vickers. Die Untersuchung ergab, daß der äußere Teil der galvanisierten Schicht in Chromnitrid überführt worden war, und daß der innere Teil der Schicht mit dem Stahlkörper als Substrat durch Diffusion verbunden worden war. Der Verbundkörper bestand aus einer äußeren Zone aus Chromnitrid (Cr„N), einer Zone aus Chromnitrid und nicht umgesetztem Chrom, einer Zone aus Chrom und einer Legierung als Substrat, die gegenseitig ineinander hinein diffundiert waren und schließlich aus der Legierung als Substrat. Da keine dieser Zonen von der angrenzenden nächsten Zone scharf zu unterscheiden ist, liegt vielmehr eine graduelle Verschmelzung der einen Zusammensetzung mit der nächsten vor.

Auf diese Yfeise hergestellte Abnützungsflächen zeigten, verglichen mit den sogenannten "Hartchrom"-galvanisierten Stahlflächen, unter stark abnutzenden Bedingungen eine beträchtlich erhöhte Lebensdauer. Die Chromnitridoberfläche ist auch wesentlich korrosionsbeständiger als die nach herkömmlichen Verfahren-nitridgehärteten Stähle.

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Für den Fachmann ist erkennbar, daß die Umwandlung von Chrom in Chromnitrid eine Zeit-Temperatur-gesteuerte Reaktion ist. Wird deshalb die im Beispiel gewählte temperatur von 1ÖOO°C erniedrigt, dann erhöht sich die für die Reaktion zur Erhaltung einer vorgegebenen Nitridstärke benötigte Zeit, während eine Temperaturerhöhung bei vergleichbarer Stärke zu einer verminderten Zeitdauer führt.

Obwohl hier ein unlegierter Kohlenstoffstahl als Substrat gewählt wurde, ist für den Fachmann offensichtlich, daß jedes Metallsubstrat Verwendung finden kann, das verchromt werden kann und das eine Solidus-Temperatur aufweist, die oberhalb der Temperatur liegt bei der die Hitzebehandlung vorgenommen wurde und bei -der das Chrom durch Diffusion verbunden wird.

Die genannte Zusammensetzung der bei der Hitzebehandlung angewandten Atmosphäre kann innerhalb weiter Grenzen variiert werden; sie muß lediglich eiaea ausreichenden Stickstoffdruck aufweisen, so daß die Nitridbildung stattfinden kann, und sie muß ansonsten gegenüber der Chromschicht und dem Metallkörper als Substrat unter den angewendeten Hitzebehandlungsbedingungen inert sein. In einigen Fällen kann die Verwendung stark reduzierender Gase, wie beispielsweise Viasserstoff, als Bestandteil dieser Atmosphäre unerwünscht sein, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn als Substrat gewisse Legierungen auf Basis Kupfer verwendet werden, die normalerweise Oxide enthalten, In diesem Fall kann eine Atmosphäre aus Stickstoff und einem inerten Gas, wie beispielsweise Argon, zweckmäßig sein. In jedem Fall kann der Stickstoffgehalt so niedrig wie etwa 15 Volumenprozent und so hoch wie etwa 40 Volumenprozent sein, wobei 30 bis 33% am wirksamsten sind.

Festzustellen ist, daß keines der oben beschriebenen, für die Nitridhärtung nitridhärtbarer Stahllegierungen brauchbaren Verfahren, bei der Ausübung der vorliegenden Erfindung wirksam ist.

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Claims

ANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Oberflächenhärtung eines metallischen Verschleißteiles, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des zu härtenden Metallteiles verchromt und die verchromte Oberfläche in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre unter Temperatur- und Zeitbedingungen einer Hitzebehandlung unterworfen wird, die ausreichen, den äußeren Teil der Chromschicht in Chromnitrid zu überführen und an der Zwischenfläche des Chrom/Metallsubstrates durch Diffusion eine Bindung herzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennze lehnet, daß das metallische Verschleißteil unlegierter Kohlenstoffstahl ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stickstoffhaltige Atmosphäre aus mindestens 15 Volumenprozent Stickstoff und der Rest im wesentlichen aus Wasserstoff besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Hitzebehandlung angewendete Temperatur bei 900 bis HOO⁰C liegt.

5. Aus einem metallischen Träger bestehender Gegenstand, der eine Oberflächenschicht aus Chromnitrid aufweist, die infolge einer durch Diffusion zwischen der Oberflächenschicht und dem metallischen Träger unter Ausbildung einer Verbundstruktur entstandenen Bindung mit dem Träger verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Verbundstruktur nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 4 erhalten worden ist.

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