DE19500576A1 - Verfahren zur thermochemischen Behandlung von dünnwandigen Bauteilen - Google Patents

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

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.