DE19626833A1 - Case nitriding stainless steel with controlled stabiliser contents - Google Patents

Case nitriding stainless steel with controlled stabiliser contents

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Abstract

In a method of forming a highly corrosion resistant martensitic case layer on a ferritic-martensitic core in a stainless steel component, the weight contents of ferrite and austenite stabilising elements lie within predetermined boundaries (1-4) so that, after case hardening with nitrogen, the ferrite content in the core is 40-90 vol.% and the core hardness is less than 300 HV30. The steel contains at least 12 wt.% Cr, less than 0.12 wt.% C + N and ferrite and austenite stabilising element weight contents within the hatched region (B) of the figure.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1.

Durch Einsatzhärten erhalten Bauteile aus konventionellem niedriglegierten Einsatzstahl, wie z. B. 16 MnCr 5, eine aufgekohlte martensitische Randschicht hoher Härte über einem weicheren Kern. Für korrosionsbeständige Bauteile aus hochlegiertem nichtrostenden Stahl ist es zweckmäßig, das Aufkohlen durch Aufsticken zu ersetzen, da Stickstoff wie Kohlenstoff zur Aufhärtung der Randschicht führt, aber im Gegensatz zu Kohlenstoff die Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle erhöht. DE 40 33 706 beschreibt ein entsprechendes Verfahren zur Wärmebehandlung martensitischer nichtrostender Stähle, das als Einsatzhärten mit Stickstoff bezeichent werden kann. DE 44 11 795 behandelt einen für das Einsatzhärten mit Stickstoff geeigneten nichtrostenden Stahl, der nach dieser thermochemischen Behandlung neben einem hochkorrosionsbeständigen martensitisch harten Randgefüge auch ein martensitisches aber weicheres Kerngefüge aufweist. Aufgrund des hohen Legierungsgehaltes liegt die Härte des Kerngefüges im nichtrostenden Einsatzstahl über der des konventionellen Einsatzstahles. Die höhere Kernhärte senkt die Duktilität des Kernes. Dadurch wird das Vermögen des Bauteilkernes verringert, im Rand gebildete Risse aufzufangen. Deshalb reicht dieses bekannte Verfahren für manche Einsatzfälle nicht aus.Case hardening gives components made from conventional low-alloy case-hardening steel, such as B. 16 MnCr 5, a carburized martensitic surface layer of high hardness over a softer core. For corrosion-resistant components made of high-alloy stainless Steel, it is appropriate to replace carburizing by embroidery, because Nitrogen like carbon leads to hardening of the surface layer, but in contrast to Carbon increases the corrosion resistance of stainless steels. DE 40 33 706 describes a corresponding method for the heat treatment of martensitic stainless Steels that can be described as case hardening with nitrogen. DE 44 11 795 treats a stainless steel suitable for case hardening with nitrogen Steel that after this thermochemical treatment in addition to a highly corrosion-resistant martensitic hard edge structure also a martensitic but softer Has core structure. Due to the high alloy content, the hardness of the Core structure in stainless case-hardening steel over that of conventional case-hardening steel. The higher core hardness reduces the ductility of the core. This will increase the assets of the Component core reduced to catch cracks formed in the edge. Therefore this is enough known methods for some applications.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung einer hochkorrosionsbeständigen martensitisch harten Randschicht über einem möglichst weichen Kern zu schaffen, wobei die Randschichteigenschaften nach DE 40 33 706 durch Einsatzhärten mit Stickstoff erzielt werden sollen. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verfahrenseinzelheiten sind in den Ansprüchen 2 bis 6, vorteilhafte Verwendungen in den Ansprüchen 7 und 8 angegeben. Zur Absenkung der Kernhärte wird auf ein vollständig martensitisches Kerngefüge verzichtet und ein Anteil an weicherem δ-Ferrit, kurz Ferrit genannt, zugelassen. Um ein weicheres Ferritnetz um die härteren Martensitkörner und die damit verbundene Gefahr lokalisierter Gleitung bei mechanischer Beanspruchung zu vermeiden, soll der Ferritanteil im ferritisch-martensitischen Kerngefüge mindestens 40 Vol.-% betragen. Er soll 90 Vol.-% nicht überschreiten, um durch Zweiphasigkeit des Gefüges das Kornwachstum bei Aufsticktemperatur einzudämmen. Mit steigendem Ferritanteil geht das Kerngefüge von einem Duplex- in ein Dualphasengefüge aus Ferrit und Martensit über.It is therefore the object of the present invention to produce a method a highly corrosion-resistant martensitic hard surface layer over one if possible to create soft core, the surface properties according to DE 40 33 706 should be achieved by case hardening with nitrogen. The solution to this task succeeds with the features specified in the characterizing part of claim 1. Advantageous further developments and process details are in the claims 2 to 6, advantageous uses specified in claims 7 and 8. For lowering the core hardness is dispensed with a completely martensitic core structure and a proportion of softer δ-ferrite, or ferrite for short. A softer one Ferrite network around the harder martensite grains and the associated danger To avoid localized sliding under mechanical stress, the ferrite content should  in the ferritic-martensitic core structure amount to at least 40% by volume. He should Do not exceed 90% by volume to ensure grain growth due to the two-phase structure contain at embroidery temperature. The core structure goes with increasing ferrite content from a duplex to a dual-phase structure made of ferrite and martensite.

Um das ferritisch-martensitische Kerngefüge mit 40 bis 90 Vol.-% Ferrit durch Einsatzhärten zu erzielen, müssen Legierungszusammensetzung und Wärmebehandlungsbedingungen aufeinander abgestimmt werden. Wegen der Korrosionsbeständigkeit und Stickstofflöslichkeit wird der Gehalt an Cr auf mindestens 12 Gew.-% festgelegt. Die Mittelwerte der Legierungsgehalte an ferritstabilisierenden Elementen Cr, Si, Mo und W sowie an austenitstabilisierenden Elementen Ni, Mn, C und N werden gewichtet und zu einem Chromäquivalent CrÄq bzw. einem Nickeläquivalent NiÄq zusammengefaßt. Für das erfindungsgemäße Verfahren sind solche Stähle geeignet, die im Legierungsfeld B nach Fig. 1 liegen. Die Legierungsgehalte können erzeugungsbedingt im üblichen Rahmen um den Mittelwert schwanken.In order to achieve the ferritic-martensitic core structure with 40 to 90 vol .-% ferrite by case hardening, the alloy composition and heat treatment conditions must be coordinated. Because of the corrosion resistance and nitrogen solubility, the Cr content is set to at least 12% by weight. The mean values of the alloy contents of ferrite-stabilizing elements Cr, Si, Mo and W as well as of austenite-stabilizing elements Ni, Mn, C and N are weighted and combined to form a chromium equivalent CrEq or a nickel equivalent NiEq . Steels which are in alloy field B according to FIG. 1 are suitable for the method according to the invention. The alloy contents can fluctuate around the average value due to production.

Das Einsatzhärten besteht in der Regel aus einem Aufsticken in N₂-Gas bei 1050 bis 1150°C, gefolgt von der Direkthärtung. Da das Ferrit/Austenit Phasengleichgewicht mit steigender Temperatur zu einem höheren Ferritgehalt verschoben wird, hängt bei gegebener Legierungszusammensetzung das Volumenverhältnis von Ferrit zu Martensit nach dem Härten von der gewählten Aufsticktemperatur ab. Das Nickeläquivalent nach Fig. 1 wird daher temperaturabhängig um ΔNiÄq = (TA - 1050)/100 in Gew.-% erhöht, so daß mit steigender Aufsticktemperatur TA(°C) das Ferrit/Martensit-Verhältnis unverändert bleibt.The case hardening usually consists of embroidering in N₂ gas at 1050 to 1150 ° C, followed by direct hardening. Since the ferrite / austenite phase equilibrium is shifted to a higher ferrite content with increasing temperature, the volume ratio of ferrite to martensite after hardening depends on the selected piercing temperature for a given alloy composition. . The nickel equivalent of Figure 1 is therefore dependent on the temperature to ΔNi eq = (T A - 1050) increases / 100 in wt .-%, so that with increasing nitriding temperature T A (° C) the ferrite / martensite ratio remains unchanged.

Wie erfolgreich die Kernhärte durch den Übergang vom vollmartensitischen zum ferritisch- martensitischem Gefüge gesenkt werden kann, geht aus Tafel 1 hervor. Während die Ausführungsbeispiele A und B des bekannten Stahles mit vollmartensitischem Kerngefüge nach dem Härten von 1100°C eine Härte von über 320 HV30 erreichen, zeigen die erfindungsgemäßen Stähle C bis E mit mehr als 40 Vol.-% Ferrit eine Härte von < 300 HV30. Entsprechend liegt die Duktilität, ausgedrückt durch die Bruchdehnung A₅, bei den erfindungsgemäßen Stählen C bis E höher als bei den bekannten Stählen A und B. How successful the core hardness through the transition from fully martensitic to ferritic- martensitic structure can be reduced, is shown in Table 1. While the embodiments A and B of the known steel with fully martensitic Core structure can reach hardness of over 320 HV30 after hardening at 1100 ° C, show the steels C to E according to the invention with more than 40 vol .-% ferrite hardness from <300 HV30. The ductility, expressed in terms of the elongation at break, lies accordingly A₅, in the steels C to E according to the invention higher than in the known ones Steels A and B.  

Die niedrige Härte des ferritisch-martensitischen Kerngefüges ist besonders dann mit einer höheren Duktilität verbunden, wenn übermäßiges Kornwachstum beim Aufsticken vermieden wird, weil die Übergangstemperatur zum Sprödbruch mit der Korngröße steigt. Das kann durch geringe kornfeinende Legierungszusätze wie (V + Nb + Ti) 0,25 Gew.-% erreicht werden. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 wiedergegeben.The low hardness of the ferritic-martensitic core structure is particularly associated with a higher ductility if excessive grain growth during embroidery is avoided because the transition temperature to brittle fracture increases with the grain size. This can be achieved with small grain refining alloy additives such as (V + Nb + Ti) 0.25% by weight. An embodiment is shown in Fig. 2.

Einsatzgehärtete Bauteile aus nichtrostendem Stahl werden zum einen im klimabedingten Temperaturbereich verwendet, zum anderen auch bei erhöhter Betriebstemperatur. Für diesen Fall ist eine hohe Anlaßbeständigkeit im Rand erforderlich. Auch hier bietet das Aufsticken Vorteile gegenüber dem Aufkohlen, da stickstoffhaltiger Martensit bis zum Sekundärhärtemaximum bei 450°C angelassen werden kann, ohne daß die Korrosionsbeständigkeit spürbar nachläßt, während sich die Korrosionsbeständigkeit des kohlenstoffhaltigen Martensits ganz deutlich verschlechtert. Diese bekannte Kombination von hoher Anlaß- und Korrosionsbeständigkeit im Rand der mit Stickstoff einsatzgehärteten Bauteile aus nichtrostendem Stahl wird durch das erfindungsgemäße Verfahren um einen weichen Kern auch nach Anlassen im Sekundärhärtebereich ergänzt. Wie aus Tafel 1 hervorgeht bleibt bei den Ausführungsbeispielen C bis E die Anlaßhärte unter 320 HV30.Case hardened components made of stainless steel are used on the one hand in climate-related Temperature range used, on the other hand also at increased operating temperature. In this case, a high temper resistance in the edge is required. Also embroidery offers advantages over carburizing because it contains nitrogen Martensite can be tempered up to the secondary hardness maximum at 450 ° C without that the corrosion resistance decreases noticeably, while the corrosion resistance of carbonaceous martensite deteriorated significantly. This well-known Combination of high tempering and corrosion resistance in the edge of that with nitrogen Case hardened components made of stainless steel is the inventive Process around a soft core even after tempering in the secondary hardness range added. As can be seen from Table 1, the embodiments C to E remain Toughness below 320 HV30.

Der Erfolg des neuen Verfahrens läßt sich wie folgt zusammenfassend darstellen: Das Ziel, die Kernhärte eines mit Stickstoff einsatzgehärteten Bauteiles aus nichtrostendem Stahl zu senken, wird durch den Übergang von einem vollmartensitischen zu einem ferritisch-martensitischen Kerngefüge erreicht. Dabei sind zwei Grenzen für den Ferritgehalt zu beachten. Bei einem Ferritgehalt bis 40 Vol.-% besteht die Gefahr lokalisierter Gleitung mit einem nachteiligen Einfluß auf die Duktilität. Bei mehr als 90 Vol.-% Ferrit und insbesondere bei vollständig ferritischem Kerngefüge kommt es zu verstärktem Kornwachstum während des Aufstickens mit ebenfalls nachteiligen Folgen für die Duktilität. Die Verwendung eines Kerngefüges mit 40 bis 90 Vol.-% beruht auf grundsätzlichen werkstofftechnischen Überlegungen und ist die Voraussetzung dafür, daß die geringere Härtte des weicheren Ferrits in Duktilität umgesetzt werden kann, ohne daß dieser Vorteil durch Kornwachstum wieder aufgezehrt wird. The success of the new process can be summarized as follows: The The goal is to make the core hardness of a case-hardened component made of nitrogen from nitrogen Lowering steel is accomplished by moving from a fully martensitic to one ferritic-martensitic core structure achieved. There are two limits to the ferrite content to consider. With a ferrite content of up to 40 vol.%, There is a risk of localized ones Sliding with an adverse influence on ductility. With more than 90 vol% ferrite and especially with a completely ferritic core structure, there is an intensification Grain growth during embroidery with also disadvantageous consequences for the Ductility. The use of a core structure with 40 to 90 vol .-% is based on basic principles material considerations and is the prerequisite for that lower hardness of the softer ferrite can be converted into ductility without this advantage is consumed again by grain growth.  

Die Einstellung des erfindungsgemäßen Kerngefüges erfordert genaue Kenntnisse über die Konstitution nichtrostender Stähle. Die in Fig. 1 wiedergegebenen Grenzlinien geben das Legierungsfeld an, in dem das Verfahren bevorzugt anwendbar ist. Darüber hinaus wird die Höhe der Aufsticktemperatur berücksichtigt.The setting of the core structure according to the invention requires precise knowledge of the constitution of stainless steels. The boundary lines shown in FIG. 1 indicate the alloy field in which the method can preferably be used. In addition, the height of the embroidery temperature is taken into account.

Als Ergebnis des neuen Verfahrens wird die Kernhärte an Ausführungsbeispielen von 420 bis 321 HV30 für bekannte vollmartensitische Stähle auf 298 bis 215 HV30 für erfindungsgemäße Stähle gesenkt. Das entspricht einer mittleren Härteabnahme von 113 HV30. Die Duktilität - als Bruchdehnung A₅ - steigt von 9 auf 28%. Damit wird das gesteckte Ziel in überzeugender Weise erreicht.As a result of the new method, the core hardness of exemplary embodiments of 420 to 321 HV30 for known full martensitic steels to 298 to 215 HV30 for steels according to the invention lowered. This corresponds to an average decrease in hardness of 113 HV30. The ductility - as elongation at break A₅ - increases from 9 to 28%. So that will be set goal achieved in a convincing way.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, den zäh/spröd-Übergang kubisch raumzentrierter Metalle durch Kornfeinung zu tieferen Temperaturen zu verschieben, was vor allem für gekerbte Bauteile von Bedeutung ist. Neben der Kornwachstumsbehinderung beim Aufsticken durch Zweiphasigkeit des Kerngefüges wird eine weitere durch feine Nitrid- oder Karbidausscheidung der Elemente V, Nb und Ti angewendet. Die Effektivität dieser erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ist aus Fig. 2 eindeutig zu ersehen. With the method according to the invention it is possible to shift the tough / brittle transition of body-centered cubic metals to lower temperatures by grain refinement, which is particularly important for notched components. In addition to the grain growth hindrance when embroidering due to the two-phase structure of the core, another one by fine nitride or carbide precipitation of the elements V, Nb and Ti is used. The effectiveness of these method steps according to the invention can be clearly seen from FIG. 2.

Tafel 1 Plate 1

Ausführungsbeispiele Embodiments

A und B sind bekannte Stähle nach DE 44 11 795 mit vollmartensitischem Kerngefüge des Anspruchs 3 bzw. Anspruchs 2. C bis E sind erfindungsgemäße Stähle mit ferritisch-martensitischem Kerngefüge. A and B are known steels according to DE 44 11 795 with a fully martensitic core structure of claim 3 and claim 2. C to E are steels according to the invention with a ferritic-martensitic core structure.

Claims (8)

1. Verfahren zur Erzeugung einer hochkorrosionsbeständigen martensitischen Randschicht über einem ferritisch-martensitischen Kern in Bauteilen aus nichtrostendem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte an ferritstabilisierenden und austenitstabilisierenden Elementen in gewichteter Form innerhalb vorgegebener Grenzlinien (1, 2, 3, 4) liegen, so daß nach dem Einsatzhärten mit Stickstoff der Ferritanteil im Kern zwischen 40 und 90 Vol.-% liegt und die Kernhärte weniger als 300 HV30 beträgt.1. A method for producing a highly corrosion-resistant martensitic surface layer over a ferritic-martensitic core in components made of stainless steel, characterized in that the contents of ferrite-stabilizing and austenite-stabilizing elements in weighted form lie within predetermined limit lines ( 1, 2, 3, 4 ), so that after case hardening with nitrogen, the ferrite content in the core is between 40 and 90% by volume and the core hardness is less than 300 HV30. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Stahl mindestens 12 Gew.-% Cr und weniger als 0,12 Gew.-% (C + N) enthält.2. The method according to claim 1, characterized in that the steel used contains at least 12 wt% Cr and less than 0.12 wt% (C + N). 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte an ferritstabilisierenden Elementen Cr, Si, Mo und W und an austenitstabilisierenden Elementen Ni, Mn, C und N in gewichteter Form innerhalb des schraffierten Bereiches (B) der Fig. 1 liegen.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the contents of ferrite-stabilizing elements Cr, Si, Mo and W and of austenite-stabilizing elements Ni, Mn, C and N in weighted form within the hatched area (B) of Fig. 1st lie. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nach Fig. 1 für eine Aufsticktemperatur TA von 1050°C geltende Nickeläquivalent um einen Betrag ΔNiÄq = (TA - 1050)/100 erhöht wird, wobei 1050°C < TA < 1150°C.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the nickel equivalent valid according to Fig. 1 for a stick-on temperature T A of 1050 ° C is increased by an amount ΔNi Äq = (T A - 1050) / 100, 1050 ° C <T A <1150 ° C. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verfahrensbedingte Kornwachstum bei Aufsticktemperatur durch kornfeinende Legierungszusätze von (V + Nb + Ti) 0,25 Gew.-% eingeschränkt wird.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the process-related Grain growth at embroidery temperature due to grain-fine alloy additives is restricted by (V + Nb + Ti) 0.25% by weight. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernhärte nach Anlassen bei 400 bis 500°C nicht über 320 HV30 steigt.6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that the core hardness after tempering at 400 to 500 ° C does not rise above 320 HV30. 7. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6 zur Herstellung nichtrostender oder warmfester Teile für Wälzlager, Kugelgewindetriebe, Zahnräder und Wellen mit integrierten Verzahnungen oder Laufbahnen.7. Use of the method according to claim 1 to 6 for the production of stainless or heat resistant parts for rolling bearings, ball screws, gears and Shafts with integrated teeth or raceways. 8. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7 für Werkzeuge, Pumpen, Armaturen und Befestigungselemente.8. Use of the method according to claim 1 to 7 for tools, pumps, Fittings and fasteners.
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