DE19714306C2 - Verfahren zum Einsatzhärten von Sinterteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einsatzhärten von Sinterteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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 angespochenen 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 nach Anspruch 1.

Das Aufkohlen im Plasmaofen ist in der Lage, bei den hohen Kohlungstemperaturen ein ausreichend hohes, gleichmäßiges und steuerbares Kohlenstoffangebot sicherzustellen. Dies geschieht bei Unterdruck am besten mit Kohlenwasserstoffgasen, 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. Der Temperaturbereich liegt bei 1070 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. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren 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. Durch die 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 (11)

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) und anschließendes beschleunigtes Abkühlen, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß die Temperatur über die gesamte Haltedauer bei der Aufkohlung oberhalb der Mindesttemperatur von 1070°C gehalten und auf maximal 1100°C beschränkt wird,
• 2. 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
• 3. daß die Abkühlung mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 100 K/min erfolgt,
• 4. daß die Aufkohlung bei Unterdruck erfolgt, und daß die Aufkohlung in einem Plasmaofen vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufkohlung bei einem Druck im Bereich von 100 bis 1000 Pa (absolut) erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltedauer bei der Aufkohlung im Bereich von 30 bis 300 min, insbesondere im Bereich von 60 bis 180 min, liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlgeschwindigkeit mindestens 120 K/min, insbesondere mindestens 140 K/min beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung durch eine Gasdusche vorgenommen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung durch einen unter Überdruck stehenden Kühlgasstrom, insbesondere ein Stickstoffstrom, vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlgasdruck bei der Abkühlung im Bereich von 0,2 bis 2 MPa (absolut) liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung in demselben Behandlungsraum stattfindet wie die Aufkohlung.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung in einem separaten Gaskühlraum erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Sinterteile mit einem Mo-Gehalt im Bereich von 3,5 bis 4,5 Gew.-% eingesetzt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 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.