DE19854726A1

DE19854726A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl

Info

Publication number: DE19854726A1
Application number: DE19854726A
Authority: DE
Inventors: Takefumu Isogai; Ryuichi Uchino; Masahiko Sato; Yoshio Kono
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1997-11-27
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2018-11-27
Also published as: US6149734A; JPH11217626A; JP3387427B2; DE19854726C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl und genauer ein Verfahren zur Verringerung der Korngröße und zur Ausscheidung von Karbonitriden bei Stahl, um dadurch die Festigkeit des Stahls zu erhöhen.

Zur Verbesserung der Festigkeit von Stahl sind verschie dene Wärmebehandlungsarten wie zum Beispiel Nitro karburierungshärten, Induktionshärten, Abschrecken, Tempern usw. bekannt. Im allgemeinen wird warmgewalzter oder kaltgewalzter Kohlenstoffstahl, mäßig oder niedrig legierter Stahl oder warmgeschmiedeter Stahl getrennt, geformt und einer beliebigen derartigen Wärmebehandlung unterzogen. Dabei wird der Stahl in einen austenitischen Bereich aufgeheizt, damit dadurch die Härte der Stahloberfläche oder des gesamten Stahls erhöht wird. Die Festigkeit des wärmebehandelten Stahls wird somit erhöht.

Die ursprüngliche austenitische Korngröße kann jedoch bei Stahl, der gemäß einem der obengenannten herkömmlichen Wärmebehandlungsverfahren behandelt wurde, in JIS-Stahlkorngröße (Gc) ausgedrückt lediglich ungefähr die Größe Gc 8 einnehmen. Daher weist der herkömmliche wärme behandelte Stahl nicht immer eine ausreichend erhöhte Festigkeit auf, wenn er wie zum Beispiel bei Getrieben harten Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, die eine hohe Dauerfestigkeit, Beständigkeit gegen Grübchenbildung und Schlagfestigkeit erfordern.

In der JP-A-7-13294 ist daher ein Nitrokarburierungs verfahren zur Wärmebehandlungsfeinung oder -reduzierung von Stahl offenbart, um die Korngröße bei Stahl zu verringern und dadurch seine Festigkeit zu erhöhen. Das Verfahren umfaßt einen Karburierungshärtungsschritt, bei dem ein Chrom enthaltender Stahl in einer ein Aufkoh lungsgas oder Karburiergas enthaltenden Atmosphäre aufge heizt, unter den A₁-Umwandlungspunkt des Stahls abgekühlt und abgeschreckt wird. Darauf folgt ein zweiter Härtungs schritt, bei dem der auf diese Weise karburierte Stahl zur Verringerung der Korngröße und zur Auflösung von Chromkarbiden auf 850 bis 900°C aufgeheizt, zur Entstehung von Karbonitriden in der Außenschicht des Stahls in einer 800 bis 850°C heißen Atmosphäre einer Nitrokarburierung unterzogen und erneut abgeschreckt wird.

Bei dem obengenannten Verfahren wird jedoch beim Karburierungshärtungsschritt auf keine Weise auf die Abkühlgeschwindigkeit vom Beginn bis zum Ende der Abkühlung des Stahls eingegangen, wonach sich der Stahl unterhalb des A₁-Umwandlungspunkt des Stahls ergibt. Falls nämlich die Abkühlgeschwindigkeit zu gering ist, kann in der Außenschicht des Stahls keine ausreichende Martensitbildung erzielt werden. Da bei dem Stahl daher keine Verringerung der Korngröße erzielt werden kann und nur wenig Karbonitride entstehen, wird bei diesem Stahl die Festigkeit nicht genügend erhöht.

In Anbetracht dessen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl bereitzustellen, bei dem die Korngröße von behandeltem Stahl weitaus geringer als bei einem mit einem herkömm lichen Wärmebehandlungsverfahren behandelten Stahl ist und bei dem in den Körnern des behandelten Stahls genügend Karbonitride ausgebildet sind, wodurch sich bei dem auf diese Weise behandelten Stahl eine zufrieden stellende Erhöhung des Festigkeitsgrads ergibt.

Eine technische Lösung der obengenannten Aufgabe zur Wärmebehandlung von Stahl umfaßt gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung einen Karburierungshärtungs schritt, bei dem Stahl in einer ein Aufkohlungsgas enthaltenden Atmosphäre in einen austenitischen Bereich aufgeheizt, in einen martensitischen Bereich abgekühlt und abgeschreckt wird, worauf ein zweiter Härtungsschritt folgt, bei dem der auf diese Weise karburierte Stahl in einer ein Aufkohlungsgas und Ammoniak enthaltenden Atmosphäre in einen austenitischen Bereich aufgeheizt und danach erneut abgeschreckt wird.

Während bei diesem Verfahren der Stahl in dem zweiten Härtungsschritt erneut erhitzt wird, bilden sich um die hochdichten Versetzungskeime oder Karbidkeime herum, die sich bei dem ersten Karburierungshärtungsschritt in der martensitischen Phase gebildet haben, eine große Anzahl austenitischer Körner. Infolgedessen wird die Korngröße des gemäß diesem Verfahren behandelten Stahls auf unge fähr ein Niveau von etwa Gc 13 verringert. Zusätzlich dringen beziehungsweise diffundieren aufgrund der Wirkung des Aufkohlungsgases und des Ammoniakgases bei dem zweiten Härtungsschritt Kohlenstoff und Stickstoff in den Stahl ein, so daß sich in dem Stahl innerhalb der Körner und um die Korngrenzen herum eine große Anzahl feiner intragranularer und intergranularer Karbonitride bilden und dadurch die Festigkeit des wärmebehandelten Stahls erhöht wird.

Ein weitere technische Lösung der obengenannten Aufgabe zur Wärmebehandlung von Stahl umfaßt gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung einen Nitrokarburierungs härtungsschritt, bei dem Stahl in einer ein Aufkohlungs gas und Ammoniak enthaltenden Atmosphäre in einen austenitischen Bereich aufgeheizt, in einen marten sitischen Bereich abgekühlt und abgeschreckt wird, worauf ein zweiter Härtungsschritt folgt, bei dem der auf diese Weise nitrokarburierte Stahl in einer ein Aufkohlungsgas und Ammoniak enthaltenden Atmosphäre in einen austeni tischen Bereich aufgeheizt und danach erneut abgeschreckt wird.

Gemäß dieser Vorgehensweise dringen bei dem ersten Nitro karburierungshärtungsschritt Kohlenstoff und Stickstoff in die Oberfläche des in einem austenitischen Bereich behandelten Stahls ein. Dadurch sind die Versetzungs dichte und der Anteil an Karbonitriden in der nach dem Abschrecken in dem Stahl gebildeten Martensitphase höher als bei dem Stahl, der nur karburiert wurde. Dies führt zur Bildung einer größeren Anzahl von Keimen, die während des erneuten Erwärmens in dem zweiten Härtungsschritt bei der Austenitisierungstemperatur des Stahls zu austeni tischen Körnern wachsen. Daher weist ein gemäß diesem Verfahren behandelter Stahl in sich eine größere Anzahl austenitischer Körner auf. Infolgedessen ist die Korn größe des auf diese Weise behandelten Stahls auf ungefähr ein Niveau von etwa Gc 15 verringert. Zusätzlich bilden sich in dem Stahl, der in sich somit eine größere Anzahl von Körnern aufweist, bei dem zweiten Härtungsschritt aufgrund der Wirkung des Aufkohlungsgases und des Ammoniakgases innerhalb der Körner und um die Korngrenzen herum eine größere Anzahl feiner intragranularer und intergranularer Karbonitride, wodurch die Festigkeit des wärmebehandelten Stahls weit stärker erhöht wird.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung wird nachstehend eine ausführlich Beschreibung erfindungs gemäßer Ausführungsformen des Verfahrens zur Wärme behandlung von Stahl gegeben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Temperaturführung gemäß einer ersten und zweiten Ausführungsform des Verfahrens zur Wärme behandlung von Stahl;

Fig. 2 bei der ersten Ausführungsform des Verfahrens zur Wärmebehandlung von Stahl den Zusammenhang zwischen den Abkühlgeschwindigkeiten nach einer Behandlung T2, den Phasenbildungen an der Außenschicht eines Stahlbauteils aufgrund der Abkühlung und den Eigenschaften des Stahl bauteils nach dem zweiten Härtungsschritt;

Fig. 3 bei der ersten Ausführungsform des Verfahrens zur Wärmebehandlung von Stahl den Zusammenhang zwischen den ersten Erwärmungstemperaturen einer Behandlung T3 und den Anteilen an Karbonitriden in dem Stahlbauteil nach dem zweiten Härtungsschritt;

Fig. 4 bei der ersten Ausführungsform des Verfahrens zur Wärmebehandlung von Stahl den Zusammenhang zwischen den Temperaturdifferenzen ΔT zwischen einer ersten Erwärmungstemperatur der Behandlung T3 und einer zweiten Erwärmungstemperatur der Behandlung T3 und den Anteilen an Karbonitriden in dem Stahlbauteil nach dem zweiten Härtungsschritt; und

Fig. 5 bezogen auf die erste und zweite Ausführungsform des Verfahrens zur Wärmebehandlung von Stahl sowie ein herkömmliches Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl Versuchsergebnisse für Dauerfestigkeit, Beständigkeit gegenüber Grübchenbildung und Schlagfestigkeit.

Anhand von Fig. 1, in der eine Temperaturführung gemäß einer ersten und zweiten Ausführungsform des Verfahrens zur Wärmebehandlung von Stahl gezeigt ist, wird zunächst die erste erfindungsgemäße Ausführungsform erläutert. Gemäß Fig. 1 umfaßt die Wärmebehandlung bei der ersten Ausführungsform vier Behandlungen T1 bis T4. Im Behandlungsschritt T1 wird Stahl, zum Beispiel Scr420, in einer Kohlenstoff enthaltenden Atmosphäre auf eine Temperatur aufgeheizt, die zwischen 900 und 950°C liegt, wobei das Kohlenstoffpotential (CP), das das Verhältnis von Kohlenstoff zu der Atmosphäre angibt, geeigneterweise 0,75% beträgt. Dadurch wird der Stahl karburiert und diffundiert Kohlenstoff in die Oberfläche des Stahlbauteils ein. Der ursprüngliche Kohlenstoffgehalt des unbehandelten Stahlbauteils beträgt 0,2%, wobei das Stahlbauteil in dem Behandlungsschritt T1 derart karburiert wird, daß die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche des behandelten Stahls zwischen 0,7 und 1,0% liegen kann. Die Wärmebehandlung T1 dauert einige Stunden.

In dem Behandlungsschritt T2 wird die Temperatur des Stahlbauteils als nächstes in einer ein Aufkohlungsgas enthaltenden Atmosphäre auf 820 bis 870°C gesenkt, wobei das Kohlenstoffpotential (CP) geeigneterweise 0,75% beträgt, so daß das Stahlbauteil karburiert wird. Die Behandlung T2 dauert 20 bis 60 Minuten. Das Stahlbauteil wird in Öl abgeschreckt, so daß die Temperatur des Stahl bauteils 120°C erreicht, und der Behandlung T3 unter zogen. Daher entsprechen die Behandlungen T1, T2 und die obengenannte Abschreckbehandlung dem erfindungsgemäßen Karburierungshärtungsschritt.

Die Behandlung T3 und die folgende Abschreckbehandlung stellen den erfindungsgemäßen zweiten Härtungsschritt dar, bei dem das Stahlbauteil für eine Dauer von 20 bis 60 Minuten bei einer Temperatur zwischen 800 und 850°C in einer ein Aufkohlungsgas und Ammoniak enthaltenden Atmosphäre nitrokarburiert und dann abgeschreckt wird, wobei das Kohlenstoffpotential (CP) geeigneterweise 0,75% und das Stickstoffpotential (NP), das das Verhältnis von Stickstoff zu der Atmosphäre angibt, 0,2% betragen. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die Behandlung T3 eine erste und eine zweite Erwärmungstemperatur. Bei der Behandlung T3 wird das Stahlbauteil bei der ersten Erwärmungstemperatur von beispielsweise 840°C für eine vorbestimmte Dauer von beispielsweise 20 Minuten erhitzt. Im Anschluß daran wird das Stahlbauteil bei der zweiten Erwärmungstemperatur von beispielsweise 820°C für eine vorbestimmte Dauer von beispielsweise 15 Minuten erhitzt. Danach wird das Stahlbauteil in Öl abgeschreckt, so daß die Temperatur des Stahlbauteils 120°C erreicht. Nach dem Abschrecken des Stahlbauteils in Öl wird es der Behand lung T4 unterzogen. Die Behandlung T4 ist ein Temper schritt, der im wesentlichen zur Verhinderung von Härte rissen in dem Stahlbauteil dient und der für einige Stunden bei einer Temperatur zwischen 120 und 200°C erfolgt.

Gemäß der obengenannten ersten Ausführungsform wird das in dem Karburierungshärtungsschritt der Behandlungen T1, T2 und der obengenannten Abschreckbehandlung behandelte Stahlbauteil von einem austenitischen in einen marten sitischen Zustand umgewandelt, wodurch die Versetzungs dichte an der Oberfläche des Stahls und auch der Anteil der an der Oberfläche vorkommenden Karbide erhöht werden. Nach dem Karburierungshärtungsschritt wird das Stahl bauteil dem zweiten Härtungsschritt der Behandlung T3 und der obengenannten Abschreckbehandlung unterzogen, bei dem sich innerhalb des Stahlbauteils um die hochdichten Versetzungskeime und Karbidkeime herum, die sich bei dem Karburierungshärtungsschritt in der Martensitphase gebil det haben, eine große Anzahl von austenitischen Körnern bildet. Infolgedessen wird die Korngröße der ursprüng lichen Austenitphase des gemäß diesem Verfahren behandel ten Stahlbauteils auf ungefähr ein Niveau von etwa Gc 13 verringert. Zusätzlich dringen beziehungsweise diffun dieren aufgrund der Wirkung des Aufkohlungsgases und des Ammoniakgases in dem zweiten Härtungsschritt Kohlenstoff und Stickstoff in den Stahl ein, so daß sich in dem Stahl innerhalb der Körner und um die Korngrenzen herum eine große Anzahl feiner intragranularer und intergranularer Karbonitride bildet. Dementsprechend wird die Festigkeit des Stahlbauteils erhöht.

Bei dem obengenannten Karburierungshärtungsschritt verändert sich die Phasenbildung in der Außenschicht des Stahlbauteils, wie in Fig. 2 gezeigt ist, im Verhältnis zu den Abkühlgeschwindigkeiten nach der Behandlung T2. Gemäß der Änderung der Phasenbildung sind nach dem zweiten Härtungsschritt die Eigenschaften wie beispiels weise die Korngröße der ursprünglichen Austenitphase des Stahlbauteils und der Anteil an Karbonitriden in dem Stahlbauteil einstellbar. Bei der obengenannten ersten Ausführungsform wird das Stahlbauteil nach Beendigung der Behandlung T2 in Öl abgeschreckt. Daher wird in der Außenschicht des Stahlbauteils mit Sicherheit eine Martensitbildung erzielt und kann die Korngröße des Stahlbauteils stark verringert und der Anteil der entstandenen Karbonitride des Stahlbauteils erhöht werden. Daher sind die Zusammenhänge zwischen den Abkühl geschwindigkeiten und der Phasenbildung in der Außen schicht des Stahlbauteils gemäß dem Material des Stahl bauteils und dem Kohlenstoffpotential (CP) bei der Karburierung einstellbar. Die Zusammenhänge lassen sich experimentell über ein kontinuierliches Abkühlungs- Umwandlungs-Schaubild oder ZTU-Schaubild handhaben.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Anteile der in dem Stahlbauteil enthaltenden Karbonitride nach dem obenge nannten zweiten Härtungsschritt gemäß den ersten Erwär mungstemperaturen der Behandlung T3 einstellbar. Wenn die erste Erwärmungstemperatur hoch ist, sind die Beschrän kungen aufgrund der interstitiellen Lösung von Kohlen stoff und Stickstoff in der festen Phase groß. Daher gehen auch bei dem Karburierungshärtungsschritt oder dem zweiten Härtungsschritt entstandene Ausscheidungskarbide in feste Lösung über. Darüber hinaus ist der Anteil der entstandenen Karbonitride gering. Infolgedessen ist in dem Stahlbauteil der Anteil der Karbonitride gering. Wenn dagegen die erste Erwärmungstemperatur mit beispielsweise weniger als 800°C niedrig ist, entstehen in einem Teil der Außenschicht des Stahlbauteils bei einer gewissen Konzentration der festen Lösung oder des Mischkristalls sowohl weiches Ferrit als auch schädliches Korngrenzen- Zementit, wodurch die Festigkeit des Stahlbauteils abnimmt. Bei der obengenannten ersten Ausführungsform wird die erste Erwärmungstemperatur der Behandlung T3 derart zwischen 800 und 850°C eingerichtet, daß bei dem Stahlbauteil eine Abnahme des Anteils der entstandenen Karbonitride und ein Auftreten anormaler Phasenbildungen wie beispielsweise von Ferrit oder Korngrenzen-Zementit verhindert werden. Die Anteile der Karbonitride in Fig. 3 ergeben sich dabei aus einer Erwärmung bei der obenge nannten ersten Erwärmungstemperatur für 20 Minuten und einer Erwärmung bei einer zweiten Erwärmungstemperatur von 820°C für 15 Minuten.

Im zweiten Härtungsschritt gemäß der obengenannten ersten Ausführungsform ist nach einem ersten Erwärmungsschritt, bei dem für eine vorbestimmte Dauer auf eine erste Erwär mungstemperatur erhitzt wird, die zweite Erwärmungstempe ratur eines zweiten Erwärmungsschritts, bei dem für eine vorbestimmte Dauer bei einer zweiten Erwärmungstemperatur erhitzt wird, um ΔT niedriger als die erste Erwärmungs temperatur. Ein Teil des innerhalb des Stahlbauteils interstitiell in fester Lösung befindlichen Kohlenstoffs oder Stickstoffs kann in dem Stahlbauteil mit Karbiden und Nitriden ausgeschieden werden. Fig. 4 zeigt einige Zusammenhänge zwischen den Temperaturdifferenzen ΔT und den Anteilen an Karbonitriden in dem Stahlbauteil. Die Anteile der Karbonitride in Fig. 4 ergeben sich dabei aus einer Erwärmung für 20 Minuten bei der obengenannten ersten Erwärmungstemperatur von 840°C und einer Erwärmung für 15 Minuten bei einer zweiten Erwärmungstemperatur, die durch Subtraktion von 840°C um ΔT erhalten wird. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, nehmen die Anteile an Karbo nitriden im Verhältnis zum Anstieg der Temperatur differenz AT zu. Da ein innerer Abschnitt des Stahl bauteils nicht gehärtet wird, wenn die zweite Erwärmungs temperatur zu stark gesenkt wird, beträgt die zweite Erwärmungstemperatur geeigneterweise 820°C.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird als nächstes die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform erläutert. Bei dem Behandlungsschritt T1 wird ein Stahlbauteil in einer Atmosphäre, die wie bei der vorstehend erwähnten Ausfüh rungsform Kohlenstoff enthält, auf eine Temperatur zwischen 900 und 950°C erhitzt, wodurch es karburiert wird und Kohlenstoff in die Oberfläche des Stahlbauteils eindiffundiert. Der ursprüngliche Kohlenstoffgehalt des unbehandelten Stahls beträgt 0,2%, wobei der Stahl in dem Behandlungsschritt T1 für einige Stunden derart karburiert wird, daß die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche des behandelten Stahls zwischen 0,7 und 1,0% liegen kann. In dem Behandlungsschritt T2 wird die Tempe ratur des Stahls als nächstes in einer Atmosphäre, die Ammoniak mit einem Anteil von weniger 1% enthält, auf 820 bis 870°C gesenkt, so daß der Stahl nitriert wird. Die Behandlung T2 dauert 20 bis 60 Minuten. Das Stahlbauteil wird in Öl abgeschreckt, so daß die Temperatur des Stahl bauteils 120°C erreicht, und der Behandlung T3 unter zogen. Daher entsprechen die Behandlungen T1, T2 und die obengenannte Abschreckbehandlung dem erfindungsgemäßen Nitrokarburierungshärtungsschritt. Bei der zweiten Ausführungsform wird das Stahlbauteil nach Beendigung der Behandlung T2 genauso wie bei der ersten Ausführungsform in Öl abgeschreckt. Daher wird in der Außenschicht des Stahlbauteils mit Sicherheit eine Martensitbildung erzielt und kann die Korngröße des Stahlbauteils stark verringert und der Anteil der entstandenen Karbonitride des Stahlbauteils erhöht werden.

Eine Behandlung T3 und eine weitere Abschreckbehandlung stellen den erfindungsgemäßen zweiten Härtungsschritt dar, bei dem das Stahlbauteil in einer ein Aufkohlungsgas und Ammoniak enthaltenden Atmosphäre bei einer Tempe ratur, die zwischen 800 und 850°C liegt, für eine Dauer von 20 bis 60 Minuten nitrokarburiert und dann abge schreckt wird. Die Behandlung T3 umfaßt genauso wie bei der obengenannten ersten Ausführungsform einen ersten Erwärmungsschritt, bei dem das Stahlbauteil bei einer ersten Erwärmungstemperatur von beispielsweise 840°C für eine vorbestimmte Dauer von beispielsweise 20 Minuten aufgeheizt wird, worauf ein zweiter Erwärmungsschritt folgt, bei dem das Stahlbauteil bei der zweiten Erwär mungstemperatur von beispielsweise 820°C für eine vorbe stimmte Dauer von beispielsweise 15 Minuten aufgeheizt wird. Nach einem Abschrecken des Stahlbauteils in Öl, so daß die Temperatur des Stahlbauteils 120°C erreicht, wird das Stahlbauteil der Behandlung T4 unterzogen. Die Behandlung T4 ist ein Temperschritt, der im wesentlichen zur Verhinderung von Härterissen in dem Stahlbauteil dient und der für einige Stunden bei einer Temperatur zwischen 120 und 200°C erfolgt.

Gemäß der vorstehend genannten zweiten Ausführungsform wird das in dem Nitrokarburierungshärtungsschritt der Behandlung T1 und T2 behandelte Stahlbauteil von einem austenitischen in einen martensitischen Zustand umge wandelt, wodurch die Versetzungsdichte an der Oberfläche des Stahlbauteils und auch der Anteil der an der Ober fläche vorkommenden Karbonitride weitaus stärker als an der Oberfläche des gemäß dem Verfahren der ersten Ausfüh rungsform behandelten Stahls erhöht werden. Nach dem Nitrokarburierungshärtungsschritt wird der Stahl dem zweiten Härtungsschritt der Behandlung T3 unterzogen, bei dem sich um die in größerer Anzahl vorliegenden hoch dichten Versetzungskeime und Karbidkeime herum, die sich bei dem Nitrokarburierungshärtungsschritt in der Martensitphase gebildet haben, eine größere Anzahl von austenitischen Körnern bildet. Infolgedessen wird die Korngröße des gemäß diesem Verfahren behandelten Stahl bauteils auf ungefähr ein Niveau von etwa Gc 15 verrin gert. Zusätzlich bildet sich bei dem zweiten Härtungs schritt aufgrund der Wirkung des Aufkohlungsgases und des Ammoniakgases in dem Stahl innerhalb der Körner und um die Korngrenzen herum eine größere Anzahl feiner intra granularer und intergranularer Karbonitride. Da das wärmebehandelte Stahlbauteil somit in sich eine größere Anzahl von Körnern aufweist, ist seine Festigkeit weit stärker erhöht.

Das Stahlbauteil (SCr420), das gemäß der vorstehend genannten entweder ersten oder zweiten Ausführungsform wärmebehandelt wurde, und solche (herkömmlichen Stahl probekörper), die gemäß einem herkömmlichen Verfahren wärmebehandelt wurden, wurden auf Dauerfestigkeit, Beständigkeit gegenüber Grübchenbildung und Schlag festigkeit hin geprüft. Die erhaltenen Versuchsergebnisse sind in Fig. 5 gezeigt. Darin stellen die herkömmlichen Stahlbauteile auf herkömmliche Weise nitrokarburierten SCr420 dar.

Die Prüfverfahren für die Festigkeit beziehungsweise Beständigkeit, auf die in Fig. 5 Bezug genommen wird, sind nachstehend angegeben. Der Dauerfestigkeitsversuch war wie folgt: Stahlstangen mit einem Durchmesser von 20 mm wurden warmgeschmiedet und zu vorbestimmten Formen verarbeitet. Diese wurden gemäß einer der vorstehend genannten Ausführungsformen wärmebehandelt und in Dauer festigkeits-Prüfstücke geteilt. Unter Verwendung eines Drehbiegeprüfgeräts wurde jedes Prüfstück wiederholt mit Spannung beaufschlagt. Es wurde eine die Dauerfestigkeit des Prüfstücks angebende Höchstspannung gemessen, bei der das Prüfstück nach 10⁷ Zyklen nicht gebrochen war.

Der Versuch in bezug auf die Beständigkeit gegenüber Grübchenbildung war wie folgt: Es wurden auf dieselbe Weise wie bei dem Dauerfestigkeitsversuch Prüfstücke angefertigt. Eine SCM420-Rolle, die mittels Karburierung bis auf eine Einsatzhärtungstiefe von etwa 0,7 mm gehärtet war, wurde an der Oberfläche jedes Prüfstücks mit einem Auflagedruck von 2940 N/mm² (300 kgf/mm²) und einem Gleit-Roll-Verhältnis von 40% in einer Automatik getriebeflüssigkeit (bei etwa 80°C) gerollt, wobei bei dem Probekörper die Anzahl an Rollzyklen vor einer Bildung von Grübchen gezählt wurde. Die Anzahl der auf diese Weise gezählten Rollzyklen gibt die Beständigkeit des Probekörpers gegenüber Grübchenbildung an.

Der Schlagfestigkeitsversuch war wie folgt: Vierkant probekörper mit einer Größe von 55 mm (Länge) × 10 mm × 10 mm wurden gemäß der vorstehend genannten entweder ersten oder zweiten Ausführungsform wärmebehandelt und in ihrer Mitte mit einer Tiefe von R 5 mm eingekerbt. Auf die Mitte jedes Probekörper traf ein Hammer, wobei die von dem Probekörper absorbierte Energie gemessen wurde. Die auf diese Weise gemessene Energie wurde durch die Querschnittsfläche des Probekörpers geteilt, um den auf den Probekörper aufgebrachten Kerbschlagwert zu erhalten. Dieser Kerbschlagwert gibt die Schlagfestigkeit des Probekörpers an.

Aus den Daten in Fig. 5 geht hervor, daß infolge der Wärmebehandlung gemäß der erfindungsgemäßen ersten und zweiten Ausführungsform die ursprüngliche Austenitkorn größe an der Stahlbauteiloberfläche bis zu einer Tiefe von einigen Hundert um auf ein Niveau von etwa Gc13 beziehungsweise Gc15 verringert wurde und zusätzlich in dem wärmebehandelten Stahl innerhalb der Körner und um die Korngrenzen herum eine große Anzahl feiner intra granularer und intergranularer Karbonitride ausgebildet wurden. Im Vergleich mit den Werten des herkömmlichen Stahlbauteils sind die Dauerfestigkeit, die Beständigkeit gegenüber Grübchenbildung und die Schlagfestigkeit des erfindungsgemäß wärmebehandelten Stahls weit stärker verbessert. Der durch die Erfindung erzielte Stahl ist für automatische Getriebe geeignet, die einer Grübchen bildung ausgesetzt sind.

Bei der ersten und zweiten Ausführungsform und ihrer nachstehend beschriebenen Abwandlung wird der Härtungs schritt zweimal auf derartige Weise wiederholt, daß der in dem ersten Härtungsschritt behandelte Stahl vor der Behandlung in dem zweiten Härtungsschritt rasch abgekühlt wird. Für hochgenaue Erzeugnisse kann der in dem ersten Härtungsschritt gehärtete Stahl allmählich abgekühlt werden, bevor er dem zweiten Härtungsschritt unterzogen wird, um so ein durch Abschreckung bedingtes Verziehen zu vermeiden.

Während des Wärmebehandlungsablaufs gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform und der obengenannten Abwandlung können in der Umgebungsatmosphäre CP (Kohlenstoff konzentration) und NP (Stickstoffkonzentration) geeignet gesteuert werden, wodurch der Anteil des an der Stahl oberfläche verbleibenden Austenits so optimiert werden kann, daß er zwischen 20 und 70% liegt. Auf diese Weise können die mechanischen Eigenschaften des wärmebehandel ten Stahls einschließlich seiner Beständigkeit gegenüber einer Grübchenbildung weit stärker verbessert werden.

Wie vorstehend ausführlich erläutert wurde, ist erfindungsgemäß lediglich eine einfache Behandlung des Stahls notwendig, die einen Karburierungshärtungsschritt oder einen Nitrokarburierungsschritt umfaßt, auf den ein zweiter Härtungsschritt folgt, bei dem das Stahlbauteil in einer ein Aufkohlungsgas und Ammoniak enthaltenden Atmosphäre erneut in einen austenitischen Bereich aufgeheizt wird. Bei diesem einfachen Verfahren kann die Korngröße der ursprünglichen Austenitphase des behandel ten Stahls stark verringert und zusätzlich in dem Stahl innerhalb der Körner und um die Korngrenzen herum eine große Anzahl feiner intragranularer und intergranularer Karbonitride ausgebildet werden. Dadurch werden die Festigkeit, die Beständigkeit gegenüber Grübchenbildung und die Schlagfestigkeit des wärmebehandelten Stahls stark erhöht.

Es ist also ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl bereitgestellt, bei dem bei gleichzeitiger Ausscheidung von Karbonitriden innerhalb der Körner die Korngröße des Materials verringert wird, wodurch eine zufrieden stellende Erhöhung der Festigkeit des wärmebehandelten Stahls erzielt wird. Das Verfahren umfaßt einen Karburierungs- oder Nitrokarburierungshärtungsschritt T1 und T2, worauf ein zweiter Härtungsschritt T3 folgt, bei dem der karburierte oder nitrokarburierte Stahl in einer ein Aufkohlungsgas und Ammoniak enthaltenden Atmosphäre in einen austenitischen Bereich aufgeheizt wird.

Claims

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl, mit einem Karburierungshärtungsschritt (T1, T2), bei dem Stahl in einer ein Aufkohlungsgas enthaltenden Atmosphäre in einen austenitischen Bereich aufgeheizt, in einen martensiti schen Bereich abgekühlt und abgeschreckt wird, worauf ein zweiter Härtungsschritt (T3) folgt, bei dem der auf diese Weise karburierte Stahl in einer ein Aufkohlungsgas und Ammoniak enthaltenden Atmosphäre in einen austenitischen Bereich aufgeheizt und danach erneut abgeschreckt wird.

2. Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des auf diese Weise karburierten Stahls bei dem zweiten Härtungsschritt (T3) zwischen 800 und 850°C liegt.

3. Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl nach Anspruch 1, wobei der zweite Härtungsschritt (T3) einen ersten Erwärmungsschritt einschließt, bei dem der auf diese Weise karburierte Stahl in einer eine vorbestimmte Konzentration des Ammoniaks enthaltenden Atmosphäre aufgeheizt wird, worauf ein zweiter Erwärmungsschritt folgt, bei dem er auf eine vorbestimmte Temperatur aufge heizt wird.

4. Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl nach Anspruch 3, wobei die vorbestimmte Temperatur des zweiten Erwär mungsschritts niedriger als die Temperatur des ersten Erwärmungsschritts ist.

5. Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl, mit einem Nitrokarburierungshärtungsschritt (T1, T2), bei dem Stahl in einer ein Aufkohlungsgas und Ammoniak enthaltenden Atmosphäre in einen austenitischen Bereich aufgeheizt, in einen martensitischen Bereich abgekühlt und abgeschreckt wird, worauf ein zweiter Härtungsschritt (T3) folgt, bei dem der auf diese Weise nitrokarburierte Stahl in einer ein Aufkohlungsgas und Ammoniak enthaltenden Atmosphäre in einen austenitischen Bereich aufgeheizt und danach erneut abgeschreckt wird.

6. Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl nach Anspruch 5, wobei die Temperatur des auf diese Weise nitro karburierten Stahls bei dem zweiten Härtungsschritt (T3) zwischen 800 und 850°C liegt.

7. Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl nach Anspruch 5, wobei der zweite Härtungsschritt (T3) einen ersten Erwärmungsschritt einschließt, bei dem der auf diese Weise nitrokarburierte Stahl in einer eine vorbestimmte Konzentration des Ammoniaks enthaltenden Atmosphäre aufgeheizt wird, worauf ein zweiter Erwärmungsschritt folgt, bei dem er auf eine vorbestimmte Temperatur aufge heizt wird.

8. Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl nach Anspruch 7, wobei die vorbestimmte Temperatur des zweiten Erwär mungsschritts niedriger als die Temperatur des ersten Erwärmungsschritts ist.