DE19500576A1 - Verfahren zur thermochemischen Behandlung von dünnwandigen Bauteilen - Google Patents
Verfahren zur thermochemischen Behandlung von dünnwandigen BauteilenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermochemischen Behandlung
von dünnwandigen Bauteilen wie Wälzlagerkäfigen, Büchsen, Scheiben
oder Hülsen aus Tiefziehstählen, Einsatzstählen, Vergütungsstählen und
Wälzlagerstählen, bei denen eine Randzone des dünnwandigen Bauteiles
mit Stickstoff und Kohlenstoff angereichert und anschließend abgekühlt
wird.
Ein solches Verfahren zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit ist das
Nitrocarburieren. Dies ist ein thermochemisches Verfahren zum Anrei
chern der Randschicht eines Werkstückes mit Stickstoff und Kohlenstoff
unter Bildung einer Verbindungsschicht, wobei sich unterhalb der
Verbindungsschicht eine vor allem mit Stickstoff angereicherte Diffu
sionszone bildet (Beratungsstelle für Stahlverwendung, 447 Nitrieren
und Nitrocarburieren, 2. Auflage 1983).
Nach dem bisherigen Stand der Technik wurde das Nitrocarburieren
sowohl unterhalb als auch oberhalb der sogenannten eutektoiden Tempe
ratur von 590°C durchgeführt. Der Nachteil im ersten Fall besteht
darin, daß aufgrund der relativ niedrigen Temperatur zwar kein eutek
toider Zerfall des Stickstoffaustenits zu Braunit erfolgt, aber eine
relativ lange Behandlungszeit erforderlich ist. Im zweiten Fall wird
eine Braunitbildung durch eine schnelle Abkühlung/Abschrecken verhin
dert. Das dabei entstehende Austenit- bzw. Martensitgefüge hat jedoch
den Nachteil, daß es in einer nachfolgenden Stufe zur Vermeidung von
Sprödigkeit angelassen werden muß (DE 32 25 686 C3). Darüber hinaus
unterliegen Teile, die martensitisch gehärtet wurden, einem maßlichen
Verzug, so daß wegen der geforderten Formgenauigkeit eine mechanische
Nachbearbeitung erforderlich ist, die die verschleißfeste äußere
Oberflächenschicht zumindest teilweise wieder abträgt. Auch müssen
martensitisch gehärtete Teile zusätzlich gereinigt werden, da sie in
einem Ölbad abgeschreckt werden. Ebenfalls ist allen Verfahren gemein
sam, daß die Verschleißeigenschaften nicht jedem Anwendungsfall ge
recht werden, wie er beispielsweise bei tribologisch hoch beanspruch
ten Bauteilen, wie Tassenstößeln im Ventiltrieb einer Brennkraftma
schine, auftritt. Das Nitrocarburieren mit seinen Nachteilen wurde
nach dem bisherigen Stand der Technik sowohl für massive als auch für
dünnwandige Teile angewendet.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein thermochemisches Behandlungs
verfahren für dünnwandige Bauteile zu schaffen, das einerseits bei
tribologisch hoch beanspruchten Bauteilen eine ausreichende Ver
schleißfestigkeit und Bauteilfestigkeit gewährleistet und das anderer
seits unter wirtschaftlichen Bedingungen realisiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer Tempe
ratur von 590-700°C eine Aufstickung der Randzone erfolgt, so daß
in der Diffusionszone eine Zwischenschicht mit 1-3 Gewichts-% Stick
stoff und maximal 0,8 Gewichts-% Kohlenstoff entsteht, die bei einer
Abkühlung auf Raumtemperatur unter Schutzgas mit einer Geschwindigkeit
von 50-100°C/min eine aus Stickstoffaustenit und/oder Braunit
bestehende, zwischen Verbindungsschicht und Grundgefüge liegende Phase
bildet.
Die Wirkung dieser Zwischenschicht aus Stickstoffaustenit und/oder
Braunit, die mindestens eine Stärke von 30% der Verbindungsschicht
aufweist, wird bei dünnwandigen Bauteilen aufgrund des im Verhältnis
zu dieser Zwischenschicht geringen Restquerschnittes nicht unterdrückt
und führt ohne weitere Nachbehandlung gegenüber den bekannten Ver
fahren nach dem Stand der Technik zu einer Erhöhung der dynamischen
und statischen Festigkeit. Mit anderen Worten, im Gegensatz dazu wird
bei dickwandigen Bauteilen die festigkeitserhöhende Wirkung der Zwi
schenschicht durch den überproportional großen Anteil des Restquer
schnittes aufgehoben.
Bei Abkühlgeschwindigkeiten oberhalb 50°C/min wird der Stickstoff
austenit so stark unterkühlt, daß auch bei Raumtemperatur in den
stickstoffreichen, oberflächennahen Bereichen der Diffusionszone diese
Gefügemodifikation vorliegt d. h. zwischen Verbindungsschicht und
Grundgefüge diese Zwischenschicht aus Stickstoffaustenit und/oder
Braunit entsteht.
Ein weiterer Vorteil dieses erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin,
daß die Dauer der Wärmebehandlung von üblicherweise mehreren Stunden
auf einen Wert unter eine Stunde gesenkt werden kann. Auch müssen
derartig thermochemisch behandelte Teile weder gesäubert noch zur
Einhaltung einer Maßbeständigkeit einer anschließenden mechanischen
Feinbearbeitung unterzogen werden.
In Weiterbildung der Erfindung nach den Ansprüchen 2 und 3 kann die
Aufstickung im Gas, im Plasma oder in einer Salzschmelze erfolgen,
wobei das Gasnitrocarburieren in einem Gasgemisch aus Ammoniak, Koh
lendioxid, Stickstoff und Endo- oder Exogas erfolgen soll.
Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläu
tert. Es zeigen:
Fig. 1 den Schichtaufbau eines nach dem Stand der Technik
nitrocarburierten Werkstückes;
Fig. 2 den Schichtaufbau eines nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren nitrocarburierten Werkstückes.
Aus der Stahlsorte St3 gefertigte Käfige für ein Wälzlager wurden
unterschiedlich thermochemisch behandelt und anschließend Versuchen
zur Bestimmung der Stegfestigkeit unterworfen. Dabei wurden die Stege
in Käfig-Umfangsrichtung mittig auf Biegung belastet.
Zunächst wurde als Vergleichsprobe ein Käfig bei 580°C nitrocarbu
riert und anschließend abgekühlt. Dessen Schichtenaufbau der Randzone
ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. An die außenliegende Verbin
dungsschicht 1, die aus ε-Nitriden, γ-Nitriden, Karbiden und Karboni
triden besteht, schließt sich die Diffusionszone 2 an, die aus Nitri
den, Karbiden, Karbonitriden und Ferrit besteht. Die Größenverhält
nisse zwischen Verbindungsschicht 1 und Diffusionszone 2 sind dabei
so, daß die Stärke der Verbindungsschicht bis zu 20 µm beträgt, wäh
rend die Diffusionszone eine Stärke von mehreren Zehntelmillimetern
aufweisen kann. An die Diffusionsschicht 2 schließt sich der Ausgangs
werkstoff 4 an.
Zwei weitere Käfige wurden bei 630°C nitrocarburiert und anschließend
unter Schutzgas unterschiedlich schnell, aber deutlich schneller als
der Vergleichskäfig abgekühlt.
Dementsprechend ergibt sich der in Fig. 2 schematisch dargestellte
Schichtenaufbau der Randzone. Zwischen Verbindungsschicht 1 und Aus
gangswerkstoff 4 entsteht eine Zwischenschicht 3, die je nach Abküh
lungsbedingungen eine Stickstoffaustenitschicht und/oder eine Braunit
schicht ist. Die Verbindungsschicht 1 hat eine Stärke im Bereich
12-15 µm, während die Zwischenschicht 3 aus Stickstoffaustenit
und/oder Braunit eine Stärke von etwa 7 µm aufweist.
Ein Vergleich der auf den gleichen Stegquerschnitt normierten Dauerfe
stigkeit zeigt, daß diese bei dem nach dem Stand der Technik nitrocar
burierten Käfig 8,4 N beträgt, während sie bei den erfindungsgemäß
behandelten Käfigen mit 14,0 N für nitrocarburierte Käfige mit Brau
nitschicht und mit 14,2 N für nitrocarburierte Käfige mit Stickstoff
austenitschicht ermittelt wurden.
Bezugszeichenliste
1 Verbindungsschicht
2 Diffusionszone
3 Zwischenschicht
4 Ausgangswerkstoff
2 Diffusionszone
3 Zwischenschicht
4 Ausgangswerkstoff
Claims (3)
1. Verfahren zur thermochemischen Behandlung von dünnwandigen Bautei
len wie Wälzlagerkäfigen, Büchsen, Scheiben oder Hülsen aus Tiefzieh
stählen, Einsatzstählen, Vergütungsstählen und Wälzlagerstählen, bei
denen eine Randzone des dünnwandigen Bauteils mit Stickstoff und
Kohlenstoff angereichert und anschließend abgekühlt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß bei einer Temperatur von 590-700°C eine Auf
stickung der Randzone erfolgt, so daß in der Diffusionszone (2) eine
Zwischenschicht (3) mit 1-3 Gewichts-% Stickstoff und maximal 0,8
Gewichts-% Kohlenstoff entsteht, die bei einer Abkühlung auf Raumtem
peratur unter Schutzgas mit einer Geschwindigkeit von 50-100°C/min
eine aus Stickstoffaustenit und/oder Braunit bestehende, zwischen
Verbindungsschicht (1) und Grundgefüge (4) liegende Phase bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auf
stickung im Gas, Plasma oder in einer Salzschmelze erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Gasnitrocarburieren in einem Gasgemisch aus Ammoniak, Kohlendioxid,
Stickstoff und Endo- oder Exogas erfolgt.
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