DE19714306A1 - Verfahren zum Einsatzhärten von Sinterteilen - Google Patents
Verfahren zum Einsatzhärten von SinterteilenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einsatzhärten von Sinterteilen aus einem
Sinterstahl mit 3,0 bis 5,0 Gew.-% Mo, die praktisch kohlenstofffrei sind (maximaler
C-Gehalt 0,06 Gew.-%). Zur Aufkohlung findet eine Glühbehandlung in einem C-haltigen
Medium bei einer Temperatur von mindestens 1060°C statt. Anschließend erfolgt ein
beschleunigtes Abkühlen.
Aus der DE 43 31 938 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer preßfertigen
Pulvermischung aus Stahlpulver zur Herstellung von Sinterteilen mit hoher Zähigkeit
und Dichte bekannt. Dieses Stahlpulver soll praktisch kohlenstofffrei (max. 0,06 Gew.-% C)
erzeugt werden und weist einen in Abhängigkeit von der Sintertemperatur
festgelegten Mindestgehalt an Mo auf. Üblicherweise liegt der Mo-Gehalt im Bereich
von etwa 3,0 bis 5,0 Gew.-%. Da dieses Stahlpulver die Herstellung von Sinterteilen
mit hoher Zähigkeit und Dichte ermöglicht, eignet es sich in besonderer Weise für
mechanisch hochbeanspruchte Teile wie etwa Zahnräder für Automobilgetriebe, ohne
daß es hierzu etwa einer aufwendigen Zweifachsintertechnik oder eines zusätzlichen
Schmiedevorgangs nach dem Sintern bedarf.
Für die Durchführung des Sintervorgangs ist es wesentlich, daß die Gitterstruktur des
Alpha-Eisens vorliegt. Daher muß der Sinterstahl nahezu kohlenstofffrei sein. Für die
mechanischen Eigenschaften der Sinterteile ist aber vielfach ein höherer C-Gehalt
erforderlich, um beispielsweise eine ausreichende Oberflächenhärte zu gewährleisten.
Dies kann prinzipiell mittels einer anschließenden Einsatzhärtung bewirkt werden.
In der DE 195 20 354 A1 wird ein Verfahren zum Einsatzhärten von
höhermolybdänhaltigen Sinterstählen beschrieben. Hier wird auf die Problematik
hingewiesen, daß sich bei einer Einsatzhärtung, die in dem für übliche Sinterstähle
geeigneten Temperaturbereich für die Aufkohlung von etwa 850 bis 940°C
durchgeführt wird, ein unerwünschtes Netz von Molybdänkarbiden einstellt. Dies ist
eine Folge der auch bei höhermolybdänhaltigen Baustählen bekannten stark
behinderten Kohlenstoffdiffusion innerhalb der ferritischen Gefügekörner in diesem
Temperaturbereich. Der Kohlenstoff kann allerdings vergleichsweise leicht über die
Korngrenzen in das Sinterteil eindringen und bildet dort über das aus den Körnern
vergleichsweise leicht herausdiffundierende Molybdän die unerwünschten
Molybdänkarbide, die eine Versprödung bewirken.
Um eine ordnungsgemäße Aufkohlung der aus höhermolybdänhaltigen Sinterstählen
hergestellten Sinterteile zu bewirken, wird in der DE 195 20 354 A1 eine sogenannte
Aktivierungsbehandlung vorgeschlagen, die eine Glühung in einer
Kohlenstoffatmosphäre bei einer so hohen Temperatur vorsieht, bei der im Sinterstahl
ein Mindestanteil an Gamma-Eisen vorliegt. Konkret wird hierzu ein Temperaturbereich
von 1050 bis 1200°C genannt. Über die Dauer dieser Aktivierungsbehandlung oder
die Höhe des erforderlichen Mindestanteils an Gamma-Eisen werden keine präzisen
Angaben gemacht. Allerdings ist der Beschreibung entnehmbar, daß durch die
geringen Anteile an gelöstem Kohlenstoff, der durch die Aktivierungsbehandlung
eingebracht wurde, auch das Restvolumen des Werkstoffs in die Gitterstruktur des
Gamma-Eisens umwandelt. Für manche Einsatzzwecke sollen die so
"aktivierungsbehandelten" Teile bereits ausreichende Eigenschaften besitzen.
Wenn allerdings Bauteile gefordert werden, die höheren Anforderungen genügen
sollen, so wird durch die DE 195 20 354 A1 hierfür die Durchführung einer üblichen
Einsatzhärtung vorgeschlagen, die im Temperaturbereich von 840 bis 950°C
stattfinden soll. Das bedeutet also, daß einsatzgehärtete Sinterteile aus
höhermolybdänhaltigen Sinterstählen einer zweistufigen Wärmebehandlung
unterzogen werden, nämlich der angesprochenen Aktivierungsbehandlung und der
anschließenden Einsatzhärtung bei niedrigeren Temperaturen.
Eine erhebliche Schwierigkeit bei der verfahrenstechnischen Beherrschung einer in
dem erforderlichen extrem hohen Temperaturniveau durchzuführenden
Aufkohlungsbehandlung von höhermolybdänhaltigen Sinterstählen besteht darin, daß
die Entstehung einer flüssigen Phase sehr schnell eintreten kann, so daß die
eingesetzte Werkstückcharge zu Ausschuß wird. Durch die sehr vorsichtige
Aufkohlung im Rahmen der Aktivierungsbehandlung gemäß DE 195 20 354 A1 und die
erst im Anschluß daran durchgeführte weitere Aufkohlung im Rahmen einer
"normalen" Einsatzhärtebehandlung wird dieser negative Effekt vermieden. Allerdings
muß dies mit dem zusätzlichen Aufwand für eine zweistufige Verfahrensführung
erkauft werden. Das beeinträchtigt die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art
dahingehend zu verbessern, daß der Durchführungsaufwand vermindert wird.
Gelöst wird dies erfindungsgemäß durch ein einstufiges Einsatzhärteverfahren, das
dadurch gekennzeichnet ist, daß die Temperatur über die gesamte Haltedauer bei der
Aufkohlung oberhalb einer Mindesttemperatur von 1060°C gehalten und auf maximal
1120°C beschränkt wird. Darüber hinaus wird die Haltedauer bei der Aufkohlung in
Abhängigkeit von der C-Aktivität der Atmosphäre so bemessen, daß der
Randkohlenstoffgehalt der Sinterteile im Bereich von 0,6 bis 1,6 Gew.-% liegt. Die zur
Erzeugung des gewünschten Härtegefüges erforderliche Abkühlung nach der
Aufkohlung muß mindestens mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 100 K/min erfolgen.
Die Aufkohlung wird zweckmäßigerweise mit Verfahren durchgeführt, die in der Lage
sind, bei den hohen Kohlungstemperaturen ein ausreichend hohes, gleichmäßiges und
steuerbares Kohlenstoffangebot sicherzustellen. Dies geht am besten mit
Kohlenwasserstoffgasen bei Unterdruck, wobei der Druck (absolut) vorteilhaft auf
einen Wert im Bereich von 100 bis 1000 Pa eingestellt wird. Die Temperatur bei der
Aufkohlung ist so hoch gewählt, daß keine oder zumindest keine nennenswerte
Beständigkeit von Molybdänkarbiden gegeben ist. Ein bevorzugter Temperaturbereich
liegt bei 1080 bis 1100°C. Im praktischen Fall kann die Haltedauer bei der Aufkohlung
auf einen Bereich von etwa 30 bis 300 min, vorzugsweise 60 bis 240 Minuten,
begrenzt werden. Wesentlich ist, daß der Randkohlenstoffgehalt der Sinterteile
keinesfalls eine Größenordnung von 1,6 Gew.-% übersteigt, damit die Entstehung
einer flüssigen Phase sicher vermieden wird. Hierzu sind die C-Übertragung und die
Temperatur im Behandlungsraum entsprechend einzustellen. Es hat sich als
besonders vorteilhaft erwiesen, die Aufkohlung in einem Plasmaofen bei Unterdruck
vorzunehmen. Damit läßt sich der Randkohlenstoffgehalt sehr präzise auf den
gewünschten Wert einstellen. Außerdem sind nur vergleichsweise kurze
Behandlungsdauern für die Aufkohlung erforderlich, so daß die Durchsatzleistung
einer entsprechenden Ofenanlage sehr hoch ist. Die Abkühlgeschwindigkeit für die
Einstellung des Härtegefüges beträgt vorzugsweise mindestens 120 K/min,
insbesondere mindestens etwa 140 K/min. Eine solche beschleunigte Abkühlung läßt
sich beispielsweise mittels einer Gasdusche vornehmen. Zweckmäßigerweise wird als
Kühlgas Stickstoff verwendet, um eine Oxidation der Oberflächen der Sinterteile zu
vermeiden. Zur Verstärkung des Abkühleffektes empfiehlt es sich, den Druck der
Kühlgasatmosphäre zu erhöhen. Der bevorzugte Druckbereich für das Kühlgas liegt
bei 0,2 bis 2 MPa (absolut). Es ist gelegentlich zweckmäßig, wenn die Abkühlung in
demselben Behandlungsraum stattfindet wie die Aufkohlungsbehandlung.
Vorzugsweise wird die Gaskühlung aber in einem separaten Gaskühlraum
vorgenommen. Sehr gute Resultate ergeben sich für Sinterteile, die einen Mo-Gehalt
im Bereich von 3,5 bis 4,5 Gew.-% aufweisen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird die Verfahrenskette zur kostengünstigen
Herstellung von mechanisch hochbelastbaren Bauteilen geschlossen. Durch die
Verwendung von Stahlpulvern mit 3,0 bis 5,0 Gew.-% Molybdän sind Sinterteile mit
hoher Formteilgenauigkeit und hoher Dichte durch die Einfach-Sintertechnik
herstellbar und durch die erfindungsgemäße Einsatzhärtung kostengünstig in ihren
mechanischen Eigenschaften auf Werte einstellbar, die sehr hohen Anforderungen
genügen. Wesentlich dabei ist es, daß die gesamte Arbeitsfolge der Einsatzhärtung in
einem einzigen Behandlungsraum ohne zwischenzeitlich erforderlich werdenden
Handhabungsaufwand unter kontrollierten Bedingungen stattfinden kann.
Insbesondere bei der Verwendung eines Plasmaofens lassen sich sehr kurze
Behandlungszeiten und damit niedrige Herstellkosten gewährleisten. Die Härtung der
Sinterteile erfolgt dabei vorzugsweise im Gasstrom, so daß kein nennenswerter
Verzug der Werkstücke eintritt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es sogar bei wirtschaftlich vertretbarem
Aufwand, den Kohlenstoffgehalt nicht nur in einer Randzone von üblicherweise etwa 1
bis 2 mm auf einen Wert über 0,6 Gew.-% anzuheben, sondern wesentlich höhere
Eindringtiefen von mindestens 4 mm oder sogar über den gesamten Querschnitt eines
Sinterteils zu gewährleisten. Damit lassen sich bei Bedarf trotz niedrigem
Anfangskohlenstoffgehalt deutlich höhere Werkstoffestigkeiten erzielen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
Aus einem wasserverdüsten Eisenpulver aus einer Stahlschmelze mit weniger als 0,01% C,
weniger als 0,02% P und 3,5% Mo (Rest Eisen und übliche Verunreinigungen),
das einer Reduktions- und Weichglühbehandlung unterzogen worden war, wurden
Getriebezahnräder mit einem Durchmesser von ca. 80 mm und einer Breite von ca.
16 mm auf einer hydraulischen Metallpulverpresse hergestellt. Der Preßdruck im
Formraum des Formwerkzeugs betrug ca. 650 Pa. Hierdurch ergab sich im erzeugten
Grünling jeweils ausgehend von einer Pulverschüttdichte von 2,95 g/cm3 eine
Preßdichte von 7,1 g/cm3. Die Grünlinge wurden bei einer Temperatur von etwa 1280°C
30 Minuten lang unter Formiergas (80% N2, 20% H2) gesintert. Die so erzeugten
Zahnräder wurden anschließend in einen Plasmaofen eingesetzt. Nach Erzeugung
eines Unterdrucks von 10 Pa (absolut) wurde das Innere des Ofens auf eine
Temperatur von 1080°C aufgeheizt und durch Zufuhr von kohlenstoffhaltigem Gas auf
einen Druck von 450 Pa (absolut) eingestellt. Nach der Aufheizung wurde durch
Anlegen einer Spannung zwischen der Ofenwandung und den zu behandelnden
Getriebezahnrädern von etwa 650 Volt ein Plasma erzeugt. Hierdurch fand ein
intensiver Übergang von Kohlenstoff aus der Ofenatmosphäre in die Oberfläche der
Getriebezahnräder statt. Dieser Vorgang wurde über eine Gesamtdauer von 177
Minuten fortgeführt, bis sich im Oberflächenbereich eine Aufkohlung von 0,75 Gew.-%
C mit einer Eindringtiefe von 1,1 mm eingestellt hatte. Danach wurde das Innere des
Plasmaofens mit Stickstoff bis zu einem Druck von 1 MPa geflutet und die
Stickstoffüllung in einem geschlossenen Kreislauf unter ständiger Wärmeabfuhr in
einem Wärmetauscher umgewälzt, so daß sich eine Abkühlgeschwindigkeit in einer
Größe von etwa 160 K/min einstellte. Nach etwa 10 Minuten waren die
Getriebezahnräder bis auf eine Temperatur von etwa 50°C abgekühlt und konnten
aus dem Plasmaofen entnommen werden. Die behandelten Getriebezahnräder wiesen
praktisch keinen Verzug auf und hatten eine Oberflächenhärte von 750 HV1.
Claims (14)
1. Verfahren zum Einsatzhärten von Sinterteilen aus einem Sinterstahl mit 3,0 bis
5,0 Gew.-% Mo und maximal 0,06 Gew.-% C durch eine Glühbehandlung in
einem C-haltigen Medium (Aufkohlung) bei einer Temperatur von mindestens
1060°C und anschließendes beschleunigtes Abkühlen,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Temperatur über die gesamte Haltedauer bei der Aufkohlung oberhalb der Mindesttemperatur von 1060°C gehalten und auf maximal 1120°C beschränkt wird,
- - daß die Haltedauer der Aufkohlung in Abhängigkeit von der Kohlenstoffübertragung so bemessen wird, daß der Randkohlenstoffgehalt der Sinterteile über 0,6 aber unter 1,6 Gew.-% liegt und
- - daß die Abkühlung mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 100 K/min erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufkohlung bei Unterdruck erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufkohlung bei einem Druck im Bereich von 100 bis 1000 Pa (absolut)
erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet
daß die Aufkohlung bei einer Temperatur im Bereich von 1080 bis 1100°C
erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet,
daß die Haltedauer bei der Aufkohlung im Bereich von 30 bis 300 min,
insbesondere im Bereich von 60 bis 180 min, liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufkohlung in einem Plasmaofen vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abkühlgeschwindigkeit mindestens 120 k/min, insbesondere mindestens
140 K/min beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abkühlung durch eine Gasdusche vorgenommen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abkühlung durch einen unter Überdruck stehenden Kühlgasstrom,
insbesondere ein Stickstoffstrom, vorgenommen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlgasdruck bei der Abkühlung im Bereich von 0,2 bis 2 MPa (absolut)
liegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abkühlung in demselben Behandlungsraum stattfindet wie die
Aufkohlung.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abkühlung in einem separaten Gaskühlraum erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß Sinterteile mit einem Mo-Gehalt im Bereich von 3,5 bis 4,5 Gew.-%
eingesetzt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet
daß die Haltedauer bei der Aufkohlung soweit ausgedehnt wird, bis der
Kohlenstoffgehalt über den gesamten Querschnitt des Sinterteils oder
mindestens bis zu einer Eindringtiefe von 4 mm auf über 0,6 Gew.-% angehoben
ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997114306 DE19714306C2 (de) | 1997-03-24 | 1997-03-24 | Verfahren zum Einsatzhärten von Sinterteilen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1997114306 DE19714306C2 (de) | 1997-03-24 | 1997-03-24 | Verfahren zum Einsatzhärten von Sinterteilen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE19714306A1 true DE19714306A1 (de) | 1998-10-08 |
DE19714306C2 DE19714306C2 (de) | 1999-04-08 |
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ID=7825691
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1997114306 Expired - Fee Related DE19714306C2 (de) | 1997-03-24 | 1997-03-24 | Verfahren zum Einsatzhärten von Sinterteilen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19714306C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2869246A1 (fr) * | 2004-04-27 | 2005-10-28 | Renault V I Sa | Procede de fabrication de pieces d'un couple conique |
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DE4331938A1 (de) * | 1993-09-16 | 1995-03-23 | Mannesmann Ag | Molybdänhaltiges Eisenbasispulver |
DE19520354A1 (de) * | 1995-06-07 | 1996-12-12 | Bt Magnettechnologie Gmbh | Verfahren zum Einsatzhärten von höhermolybdänlegierten Sinterstählen |
-
1997
- 1997-03-24 DE DE1997114306 patent/DE19714306C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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Eckstein, Hans-Joachim: Technologie der Wärmebe- handlung von Stahl. 2. stark überarb. Aufl. Leip- zig VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1987, S.171-173,429,448-450,453 u. 454 * |
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Also Published As
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DE19714306C2 (de) | 1999-04-08 |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
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Owner name: QMP METAL POWDERS GMBH, 41069 MOENCHENGLADBACH, DE |
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