DE19851766A1

DE19851766A1 - High temperature nitriding of ferrous products includes producing one homogeneous nitrogen austenitic layer at specified temperature range and raising the nitride number

Info

Publication number: DE19851766A1
Application number: DE1998151766
Authority: DE
Inventors: Ruediger Hoffmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-11-10
Filing date: 1998-11-10
Publication date: 2000-05-11

Abstract

In high temperature nitriding of ferrous products with stepped nitriding number, one homogeneous nitrogen austenitic layer is produced at temperature between 600 and 750 deg C and at nitriding number under 0.2 for a duration depending on later use of nitriding object and the nitriding number for a shorter duration depending on later use for subsequent formation of an additional connecting layer is raised to a value above 0.5.

Description

Das Nitrieren und Nitrocarburieren von Eisenwerkstoffen gehört seit vielen Jahren zu den häufig sten, industriell genutzten thermochemischen Verfahren. Viele Varianten dieser Verfahren wurden bislang vorgeschlagen und nicht wenige fanden Eingang in die industrielle Praxis.The nitriding and nitrocarburizing of ferrous materials has been one of the most common for many years Most industrially used thermochemical processes. Many variations of these procedures were made So far proposed and quite a few found their way into industrial practice.

Das Nitrieren bzw. Nitrocarburieren bei Temperaturen oberhalb 600°C gehört aus mancherlei Gründen jedoch noch immer zu den selteneren Prozessen. Einer der wesentlichsten Gründe ist das kaum beherrschbare Wachstumsverhalten der Verbindungsschicht aus Eisennitriden bzw. Eisen carbonitriden. Obwohl bekannt ist, daß die Bildung von ferritischen bzw. austenitischen Eisen- Stickstoff-Mischkristallen auch ohne Verbindungsschicht möglich ist, wurde bisher in der indu striellen Praxis mangels zuverlässig kontrollierbarer Nitrierkennzahlen davon kaum Gebrauch ge macht. Inzwischen sind aber kommerzielle Meß- und Regeleinrichtungen erhältlich, die diesen Mangel beheben können.Nitriding or nitrocarburizing at temperatures above 600 ° C belongs to many things However, reasons still for the rarer processes. One of the main reasons is that growth behavior of the connecting layer made of iron nitrides or iron, which is hardly controllable carbonitrides. Although it is known that the formation of ferritic or austenitic iron Nitrogen mixed crystals is also possible without a connection layer, was previously in the indu In practice, due to the lack of reliably controllable nitriding indicators, hardly any use is made of it makes. In the meantime, however, commercial measuring and control devices have become available Can remedy the deficiency.

Während es kaum sinnvoll erscheint, zuerst zum Beispiel eine Schicht aus ferritischem Eisen- Stickstoff-Mischkristall zu erzeugen und diese anschließend mit einer Verbindungsschicht zu überziehen, ist dieser Gesichtspunkt bei austenitischem Eisen-Stickstoff-Mischkristall sogar aus mindestens drei Gründen von besonderem Interesse. Erstens ist es möglich, das Wachstum der sogenannten austenitischen "Zwischenschicht" ohne behindernden Einfluß durch eine Verbin dungsschicht auf vergleichsweise hohem Niveau zu halten. Zweitens ist es möglich, bei Bedarf einen bestimmten Stickstoffverlauf in dieser Austenitschicht einzustellen und damit bestimmte Umwandlungseigenschaften des Stickstoffaustenits in Stickstoffperlit, Stickstoffbainit oder Stick stoffmartensit zu fördern. Drittens kann eine gezielte Beschaffenheit der Verbindungsschicht ohne Rücksicht auf die Herstellungsbedingungen für eine Zwischenschicht erreicht werden.While it hardly seems sensible, for example a layer of ferritic iron Generate nitrogen mixed crystal and then with a connecting layer coated, this aspect is even from austenitic iron-nitrogen mixed crystal at least three reasons of special interest. First, it is possible to grow the so-called austenitic "intermediate layer" without a hindering influence by a verb to keep the layer of comparatively high. Second, it is possible if necessary to set a certain course of nitrogen in this austenite layer and thus determine it Conversion properties of nitrogen austenite into nitrogen perlite, nitrogen bainite or stick to promote martensite. Third, a targeted nature of the connection layer without Consideration of the manufacturing conditions for an intermediate layer can be achieved.

Bislang ist es üblich, den Stickstoffaustenit als tatsächliche Zwischenschicht, daß heißt als beson dere Schicht zwischen Verbindungsschicht und mit Stickstoff angereichertem Grundwerkstoff (z. B. ferritischer Eisen-Stickstoff-Mischkristall) zu erzeugen. Dabei entwickeln sich Verbindungs- und Zwischenschicht gleichzeitig. Die gegenseitige Beeinflussung ist jedoch sowohl für die Ver bindungs- als auch für die Zwischenschicht in praktisch allen Fällen nachteilig. Natürlich kann die Nitrierkennzahl so niedrig gewählt werden, daß während des Wachstums der Zwischenschicht nur eine äußerst dünne Verbindungsschicht entsteht. Dann aber besteht die Möglichkeit, daß die in der Verbindungsschicht entstandenen Nitride für die angestrebten Bauteileigenschaften wie Kor rosion, Verschleiß etc. zu geringe Stickstoffkonzentrationen enthalten. Ein Anheben der Nitrier kennzahl nach einem derartigen Prozeß, um den angedeuteten Mangel zu beheben, ist aber nur dann sinnvoll, wenn die bereits vorhandene Dicke der Verbindungsschicht nicht zu groß ist. Ein solcher Fall ist als Grenzfall des Anspruchs 1 zu betrachten. Allerdings würde dabei die Stick stoffkonzentration im oberen Bereich der Zwischenschicht immer einen maximalen Wert anneh men, also nicht gezielt eingestellt werden können.So far, it has been customary to use nitrogen austenite as an actual intermediate layer, i.e. as a special one layer between the connection layer and the nitrogen-enriched base material (e.g. ferritic iron-nitrogen mixed crystal). In the process, connection and Interlayer at the same time. The mutual influence is however both for the Ver binding as well as for the intermediate layer disadvantageous in practically all cases. Of course it can Nitriding index should be chosen so low that only during the growth of the intermediate layer an extremely thin connection layer is created. But then there is a possibility that the in the nitride for the desired component properties such as cor corrosion, wear etc. contain too low nitrogen concentrations. Raising the nitriers Indicator after such a process to remedy the indicated deficiency is only then makes sense if the existing thickness of the connection layer is not too large. On such a case is to be regarded as the borderline case of claim 1. However, doing so would stick concentration in the upper area of the intermediate layer always has a maximum value men, that is, cannot be set specifically.

Wie bei allen Diffusionsprozessen kann in bekannter Weise die Konzentration des diffundierenden Stickstoffs durch entsprechende Wahl der Nitrierkennzahl oder durch einen gezielten Verlauf der Nitrierkennzahl (jedoch unter 0,2) nach Wunsch variiert werden. Dies ist natürlich ebenso als selbstverständliche Variante des Anspruchs 1 anzusehen. Es ist naturgemäß auch denkbar, wäh rend des ersten Schritts in den bereits gebildeten Stickstoffaustenit durch Zugabe einer Kohlen stoff-abgebenden Gaskomponente auch Kohlenstoff einzulagern und damit die Umwandlungski netik des Stickstoff-Kohlenstoffs-Austenits ebenfalls zu beeinflussen. Da dieser Schritt in seiner technologischen Auswirkung aber nicht beurteilt werden kann, wird er als besonderer Anspruch nicht hervorgehoben.As with all diffusion processes, the concentration of the diffusing Nitrogen by appropriate choice of the nitriding index or by a specific course of the The nitriding index (but less than 0.2) can be varied as required. This is of course as well to take for granted variant of claim 1. It is naturally conceivable, too by the first step in the already formed nitrogen austenite by adding a coal substance-releasing gas component also store carbon and thus the conversion ki also affect the nitrogen-carbon austenite netics. Since this step in his technological impact but can not be assessed, it is a special claim not highlighted.

Über die im zweiten Schrift bei einer Nitrierkennzahl vorzugsweise über 0,5 erzeugte Verbin dungsschicht werden keine einschränkenden Aussagen gemacht, da Schichtdicke und Schichtzu sammensetzung entsprechend bisherigen Erkenntnissen frei wählbar sind. Durch Absenken der Temperatur vor bzw. während des zweiten Schritts kann die Treffsicherheit für diese Eigenschaf ten noch erhöht und selbst bei gleichbleibender Nitrierkennzahl die maximal erreichbare Stick stoffkonzentration im äußeren Bereich des Eisennitrids erhöht werden. Auch ist - bei Bedarf - die Einstellung höherer Nitrierkennzahlen bei niedrigeren Temperaturen leichter möglich. Zudem zerfallen die Nitride während der abschließenden Abkühlung von der Temperatur des eigentlichen Nitrier- bzw. Nitrocarburierprozesses dann nicht mehr so leicht.About the connection generated in the second document with a nitriding index preferably over 0.5 no restrictive statements are made because the layer thickness and layer add composition can be freely selected according to previous knowledge. By lowering the Temperature before or during the second step can make this property accurate even higher and the maximum achievable stick even with the same nitriding index concentration in the outer region of iron nitride can be increased. Also, if necessary, that is It is easier to set higher nitriding parameters at lower temperatures. In addition the nitrides disintegrate during the final cooling from the temperature of the actual one Nitriding or nitrocarburizing process then not so easy.

Eine höhere Temperatur für die Erzeugung der homogenen (das heißt ohne Eisennitridausschei dungen) Stickstoffaustenitschicht hat den Vorteil, daß in gleichen Zeiten der Stickstoff in den Ei senwerkstoff tiefer eindiffundieren kann. Bei gleicher Nitrierkennzahl ist die erreichbare Stick stoffkonzentration weitestgehend unabhängig von der Prozeßtemperatur. Es kann - wie bei nied rigeren Temperaturen auch - zu Beginn des ersten Schrittes notwendig sein, mit leicht überhöhter Nitrierkennzahl den Prozeß "anzukeimen". Danach ist die Nitrierkennzahl jedoch auf einen Werte unterhalb ca. 0,2 zurückzufahren. Ein derartiges Ankeimen ist bekannt und daher nicht Bestandteil der obigen Ansprüche.A higher temperature for the generation of homogeneous (i.e. without iron nitride precipitation dungen) nitrogen austenite layer has the advantage that at the same time the nitrogen in the egg diffuse deeper material. The stick that can be reached is the same for the nitriding index Substance concentration largely independent of the process temperature. It can - like with nied higher temperatures too - may be necessary at the beginning of the first step, with slightly excessive Nitriding index "germinate" the process. After that, the nitriding index is at one value drive back below approx. 0.2. Such germination is known and is therefore not part of it of the above claims.

Auch die Umwandlung des Stickstoff-Kohlenstoff-Austenits ist nicht Bestandteil dieser Anmel dung. Hier wird auf bekannte Zusammenhänge verwiesen. Ebenso ist es möglich, die in den be schriebenen zwei Schriften erzeugten Nitrier- bzw. Nitrocarburierschichten in einem zusätzlichen driften Schrift nach ebenfalls bekannten Verfahren einer Nachoxidationsbehandlung zu unterzie hen. Auch diese Möglichkeit ist nicht Bestandteil der Ansprüche. Bei einer Nachoxidation sind aber die Verfahrensdetails auf die Bedingungen für die zuvor erwähnte Umwandlung abzustim men.The conversion of nitrogen-carbon austenite is not part of this application dung. Here, reference is made to known relationships. It is also possible that in the be wrote two documents produced nitriding or nitrocarburizing layers in an additional to subject drift to a post-oxidation treatment by methods which are also known hen. This possibility is also not part of the claims. In case of post-oxidation but to match the procedural details to the conditions for the aforementioned conversion men.

Die vorstehend genannte Nitrierkennzahl von ca. 0,2 gilt für Eisen mit nur geringen Bestandteilen an Legierungselementen. Für höher legierte Stähle muß dieser Wert im Sinne der obigen Ansprü che angepaßt werden. Leider sind entsprechende Zahlenwerte derzeit nicht bekannt. Es gilt aber, daß ein solcher Zahlenwert stets die Nitrieratmosphäre definiert, bei der gerade noch eine Verbin dungsschicht aus Eisennitriden auf dem höher legierten Werkstoff gebildet wird. Ebenso ist bei legierten Werkstoffen der Begriff "homogen" dahingehend zu "erweitern", daß er die Bildung von Nitriden, an denen Legierungselemente beteiligt sind, durchaus zuläßt.The above-mentioned nitriding index of approx. 0.2 applies to iron with only small components on alloy elements. For higher alloyed steels, this value must be within the meaning of the above claims che be adjusted. Unfortunately, corresponding numerical values are currently not known. But it applies that such a numerical value always defines the nitriding atmosphere, in which just one verb layer of iron nitride is formed on the higher alloy material. Likewise, at alloyed materials to "expand" the term "homogeneous" to the extent that it increases the formation of Nitrides, in which alloying elements are involved, are entirely acceptable.

Ergänzend sei bemerkt, daß im Prinzip im ersten Schritt auch eine reine Aufkohlung bei Tempe raturen um 750°C oder darüber durchgeführt werde könnte. Allerdings ist dann der Spielraum für das Aufbringen einer Verbindungsschicht aus Eisennitriden und einer im allgemeinen sicher nicht gewollten Umwandlung in der Perlitstufe sehr gering, so daß dieser Variante aus heutiger Sicht keine größere technologische Bedeutung zugemessen wird. Außerdem wird mit steigender Tem peratur die Verzugsneigung immer größer, so daß bei der genannten Variante der Vorteil der klassischen Nitrierbehandlungen immer mehr verloren ginge.In addition, it should be noted that in principle in the first step a pure carburization at Tempe temperatures around 750 ° C or above. However, there is scope for the application of a compound layer of iron nitrides and one in general certainly not wanted transformation in the pearlite stage very low, so this variant from today's perspective no major technological importance is attached. In addition, with increasing tem temperature, the tendency to warp is always greater, so that with the variant mentioned, the advantage of classic nitriding treatments would be lost more and more.

Claims

1. High-temperature nitriding of ferrous materials with a graded nitriding index, characterized in that a homogeneous nitrogen austenite layer is first generated at temperatures between 600 and approx. 750 ° C and at nitriding indexes below approx. 0.2 for a duration dependent on the intended use of the nitrided object and At the end of the nitriding process, the nitriding index is raised to a value above approx.

2. The method according to claim 1, however, characterized in that in the second step in addition, a carbon-emitting gas is used.

3. The method according to claims 1 and 2, however, characterized in that the second Font the temperature is lower than the first font.

4. The method according to claim 1, however, characterized in that after a certain Duration during the first step temporarily even lowered the nitriding index becomes.