DE2018709C3

DE2018709C3 - Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Eisenwerkstoffen

Info

Publication number: DE2018709C3
Application number: DE19702018709
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. Mueller; Otto Prof.Dr.-Ing.Habil. Schaaber
Original assignee: Schaaber Otto Dr-Inghabil 2800 Bremen
Current assignee: Schaaber Otto Dr-Inghabil 2800 Bremen
Priority date: 1970-04-18
Filing date: 1970-04-18
Publication date: 1974-07-04
Also published as: DE2018709B2; DE2018709A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Eisenwerkstoffen Huf chemo-thermischem Wege durch Bildung einer txtrem harten Schicht aus Vanadium-Eisen-Mischkarbiden in den Oberflächenschichten des Werkstoffes.

Chemo-thermische Verfahren zur Anreicherung dt: Oberflächenschichten von EisenwerkstofTen mit verschiedenen Elementen sind bereits bekannt. In den meisten technisch wichtigen Fällen wird darauf hingearbeitet, das oder die Fremdelemente im Eisengitter zumindest bei der Temperatur der chemo-thermischen Behandlung in die feste Lösung zu bringen. Die auf diese Weise erzeugten Schichten werden als »Diffusionsschichten« bezeichnet. Verfahren dieser Kategorie sind z. B. das Aufkohlen, Karbonitrieren, Nitrieren usw. Daneben sind chemo-thermische Verfahren bekannt, bei denen darauf hingearbeitet wird, geschlossene OberflächensChichten aus chemischen Verbindungen (meist vom Typ der sogenannten

intermediären oder intermetallischen Verbindungen), zwischen eindiffundierendem Element und Matrix zu erzeugen. Beispiele für Verfahren dieser letzteren An sind: das Borieren von Eisenwerkstoffen oder das Silizieren von Molybdän.

ίο Bei den Verbindungsschichten wirken die in Eisenwerkstoffen vorher vorhandenen Drittelemente, wie Kohlenstoff, in der Mehrzahl der Fälle störend; beim Borieren wird der Kohlenstoff aus den Oberflächenüchichten verdrängt und vor der wachsenden Schicht

hergeschoben. Lediglich beim Badnitrieren rcheint eine dünne Verbindungsschicht zu entstehen, in welcher der Kohlenstoff neben Stickstoff, Sauerstoff und Eisen in die Schicht eingebaut ist.

Die chemo-thermische Behandlung von Eisen mi; Vanadium ist aus der russischen Literatur bereits bekannt. Nach den Angaben von Minkevic entstehen bei dieser chemo-thermischen Behandlung Schichter, mittlerer Härte (etwa 1200 HV als Maximum).

Durch Versuche konnte jetzt bestätigt werden, dab Reineisen nach Glühen in Vanadiumpulver Vanadium in Lösung aufnimmt und den bei das Gammagebie: einschnürenden Elementen zu erwartenden Verlauf der Vanadiumkonzentration zeigt. Die Härte der cnistehenden Schicht beträgt HV 200. In der äußerste!· Schicht tritt vereinzelt eine spröde Phase, vermutlich fi-Phase, auf.

Geht man bei der chemo-thermischen Behandlung nicht von reinem Eisen aus, sondern setzt einen kohlenstoffhaltigen Ei^enwerkstofT ein, so überwiegt bei

der Behandlung in Vanadiumpulver die extrem spröde o-Phase. Es entsteht eine so spröde Schicht, daß diese nicht einmal ein rascheres Abkühlen als im Pulver ohne Abplatzen übersteht. Durch Messungen konnte festgestellt werden, daß die Harte dieser spröden Schicht mit 2000 HV in der Größenordnung von borierten Schichten, d. h. erheblicn höher liegt, als die Angaben in der russischen Litt ratur erwarten ließen.

Weiterhin konnte jetzt festgestellt werden, daß unter dieser Schicht bei höher kohlenstoffhaltiger. Stählen eine zweite, offensichtlich noch härtere, aber auch zähere Schicht auftritt, die bei Reineisen und Stählen mit niederem Kohlenstoffgehalt fehlt.

Auf Grund folgender Überlegungen kann geschlossen werden, daß es sich dabei um eine Karbidschicht handelt, bei der einzelne der Vanadiumatome im Vanadiumkarbid durch Eisenatome ersetzt sind:

a) die offensichtlich hohe Härte der Schicht,

b) die Notwendigkeit, daß ein höherer Kohlenstoffgehalt im Grundwerkstoff vorhanden sein muß, und

c) daß unter der zweiten Schicht weder eine starke Anreicherung noch eine Verarmung der Kohlenstoffe zu erkennen ist.

Bei Anreicherung an C wäre auf eine Eisen-Vanadium-Verbindung oder einen Mischkristall zu schließen, bei C-Verarmung auf eine reine Vanadium-Karbid-Schicht, aus der Eisen »verdrängt« wäre.

Diese Feststellungen bilden den Ausgangspunkt für die Erfindung. Wenn es mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens möglich wäre, die Entstehung der extrem spröden Phase zu verhindern, die Ausbildung einer

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Mischkarbidschicht der beschriebenen Art direkt an b) Im Grundwerkstoff muß ein bestimmter Kohlender Oberfläche von Eisenwerkstücken aber zu be- stoffgehalt vorhanden sein, und zwar mindestens günstigen, so müßte eine außerordentlich hohe Ver- 0,6% C. Bei Eisenwerkstoffen mit geringerem schleißfestigkeit der Werkstücke zu erreichen sein. C-Gehalt (Baustähle und Sintereisen) muß durch Es ist wichtig, daß bereits das Entstehen der spröden 5 ein vorhergehendes Aufkohlen der benötigte Schicht verhindert wird, weil eine nachträgliche Ent- Kohlenstoffanteil in die Oberflächenschicht der fernung derselben beispielsweise durch span- Werkstücke eingebracht werden,
abhebende Bearbeitung nur mit Diamant möglich

wäre (Hartmetall mit 1200 HV und Achat mit Damit bereits bei Reaktionstemperatur eine homo-

1500 HV Ii "gen in ihrer Härte zu niedrig). Wegen der io gene geschlossene Verbindungsschicht aus dem

Gefahr des Abplatzens kann die spröde Schicht aber Mischkarbid erzeugt, dabei aber die Bildung der

auf keinen Fall geduldet werden, wenn das ge- ί-Phase vermieden wird, muß der Vanadiumspender

wünschte Maß an Oberflächengüte erreicht weiden so zusammengesetzt sein, daß er bei Reaktionstem-

?■<>!!■ peratur nicht mehr Vanadium »anbietet«, als vom

Es bestand also die Aufgabe, ein Verfahren zu 15 Mischkarbid abgebunden werden kann. Werden diese

finden, mit welchem die Ausbildung der harten und Bedingungen eingehalten, so entsteht eine dünne

ziihen Schicht an der Oberfläche von Werkstücken Schicht, deren Härte mit 2800 bis 3200 TIV sehr viel

erreicht, die Ausbildung einer darüberliegenden höher liegt als die aller anderen Schichten dieser Art.

harten und sp.öden Schicht aber vollständig vermie- Sie ist unter den geschilderten Bedingungen nicht

lien werden konnte. ao spröde, sondern verträgt sogar ein Abschrecken in

Ein Teil dieser Aufgabe wird durch ein Verfahren Öl, ja sogar eine Wiedererwärmung auf Austenitisie-

gelb'st, das aus der britischen Patentschrift 722 915 rungstemperatur mit anschließendem Abschrecken,

bekannt ist. Nach diesem bekannten Verfahren wird Im Gegensatz zu Boridschichten ist es möglich, die

der C-Gehalt des Werkstoffes in der Tiefe desselßen Festigkeit des Grundmaterials, wie sie durch Härten

i:nter der zu behandelnden Oberfläche so gewählt, 25 bzw. Vergüten erhielt werden kann, voll auszunutzen.

daß nach der Bildung der V-C-Schicht an der Ober- Daß ist um so überraschender, als bisher angenom-

fläche noch genügend C in der Tiefe verbleibt, so daß men wurde, die relativ geringe Sprödigkeit der

noch eine geeignete und bekannte Nachbehandlung Boride sei auf diese Verzahnung zurückzuführen, die

erfolgen kam* wie z.B. eine Härtung, Streckung hier entstehende Schicht aber glatt und ohne jede

od. dgl. Durch eine relativ lang andauernde ther- 30 Verzahnung ist.

mische Behandlung des Fe-W.rkstoffes bei dem be- Die Dicke dieser Oberflächenschichten beträgt 30

kannten Verfahren, die n.ehr a! 34 Stunden beträgt, bis 40 μ. Untersuchungen solcher Proben auf einem

wird das Konzentrationsgleichgirwiciit des Kohien- Verschieißprüistand (Timbken-Tribometer) ergaben

stoffgehaltes in den verschiedenen Tiefen gestört, so gegenüber anderen oberflächenbehandelten Stahl-

daß in nachteiliger Weise ein Diffusionsvorgang mit 35 proben (einsatzgehäriet, boriert, hartverchromt usw.)

einer Wanderung von C nach außen und damit eine eine sehr gute Verschleißfestigkeit (an Proben nach

Verarmung von C im Innern auftritt. Mit diesem be- Eindiffusion von Vanadium w&~ kein Abrieb meßbar)

kannten Verfahren läßt sich daher lediglich eine bei einem niedrigen Fteibwert, dsr auch im Gegensatz

Schicht von 12 bis 25 μ mit einer Härte von 1500 HV zu einsatzgehärteten oder borierten Proben bei stär-

bci einer Bearbeitungszeit von mehr als 34 Stunden 4° kerer Belastung nicht sprunghaft ansteigt, sondern

herstellen. eine nur leicht steigende Tendenz zeigt. Auch eine

Der Erfindung liegt somit unter anderem die Auf- Verschleißspur war kaum ausgeprägt,
gäbe zugrunde, die aufgezeigten Nachteile zu ver- Die Eindiffusion von Vanadium in kohlenstoffmeiden. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei dem haltige Stähle kann mit Hilfe von geeigneten Einsatzeingangs aufgeführten Verfahren zur Verbesserung 45 pulvern erfolgen. Die Zusammensetzung des Einsatzdcr Verschleißfestigkeit von Eisenwerkstoffen da- pulvers muß so gewählt werden, daß dem in dem durch, daß ein Vanadium-Spender verwendet wird, Stahl vorhandenen Kohlenstoff nur so viel Vanadium der bei der Behandlungstemperatur in einer Glühzeit bei der Umsetzung zur Verfugung steht, daß es ausvon 4 bis 8 Stunden höchstens so viel Vanadium ab- schließlich zur Bildung der harten Mischkarbidgibt, wie in Abhängigkeit von dem Kohlenstoffgehalt 50 schicht kommt. Als günstigste Diffusions- bzw. Becler zu behandelnden Oberflächenschicht des Eisen- handlungstemperatur haben sich Temperaturen von Werkstoffes ohne wesentliche Beeinflussung des Koh- 1000 bis !200⁰C erwiesen. Die Glühzeit soll am lenstoffgehaltes tieferer Schichten als Karbid gebun- besten 4 bis 8 Stunden betragen. Bei diesen Tempeden werden kann. raturen erfolgt die Übertragung des Vanadiums vom Damit die gewünschte hohe Verschleißfestigkeit 55 Spender auf die Werkstückoberfläche über die Gasvon Eisenwerkstoffen bei guter Oberflächengüte mit phase.

Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung erreicht Eine an die Eindiffusion des Vanadiums anwird, müssen zwei wesentliche Bedingungen erfüllt schließende Härtung des Grundgefüges ist möglich, sein: ohne daß die Vanadiumkarbidschicht abplatzt,
a) Das Vanadiumangebot muß steuerbar sein. Diese 60 Nach der Erfindung wird nur so viel Vanadium Bedingung wird durch eine entsprechend zu- angeboten, daß es ausschließlich zur Bildung der gesammengesetzte Gasatmosphäre oder durch ein wünschten Mischkarbidschicht kommt. Wegen der Metallpulver ermöglicht, das durch ein inertes nur sehr kurzen Behandlungszeit bei dem Verfahren Füllmaterial »verdünnt« und dem zur Beschleu- nach der Erfindung, wird der C-Gehalt in der Tiefe nigung der Übertragung des Vanadiums vom 65 des Werkstückes in vorteilhafter Weise nicht wesent-Metallpulver auf die Eisenoberfläche noch ein lieh beeinflußt, da das Konzentrationsgleichgewicht Aktivator, z. B. Ammoniumchlorid, zugesetzt des Kohlenstoffgehaltes in den verschiedenen Tiefen wird. des Werkstückes nicht gestört wird., so daß auch kein

Diffusionsvorgang mit einer Wanderung von C nach außen auftritt, wie das bei dem bisher bekannten Verfahren der Fall ist. Bei dem bekannten Verfahren wird dafür gesorgt, daß der Kohlenstoff aus relativ tiefen Schichten zur Oberfläche wandern kann und sich dort mit dem Vanadium verbindet, ohne daß eine zusätzliche C-Zufuhr durch Ablagerung gleichzeitig oder unmittelbar nach der V-Ablagerung erforderlich ist. Damit aber wird auf Kosten der tiefer-.liegenden Schichten des Werkstückes mehr C und dementsprechend auch mehr V angeboten, als bei dem Verfahren nach der Erfindung und darüber hinaus ist das V-Angebot bei dem bekannten Verfahren nicht »gesteuert« und somit nicht begrenzt, so daß auch das überschüssig angebotene V mit dem Fe Verbindungen eingeht. Damit aber lassen sich nicht die vorteilhaften Ergebnisse des Verfahrens nach der Erfindung erzielen.

Im folgendin wird ein Beispiel für die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung bei einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 ^ΡΛ> angegeben. Danach wirkt ein Einsatzpulver aus 8O°/o Ferro-Vanadium mit einem Vanadiumgehalt von 75 bis 80%, mit 16% Al₂O₃ sowie mit 4% NH₁Cl bei einer Temperatur von Ϊ100 bis 1200⁰C während einer Glühzeit von 4 bis 8 Stunden auf den Stahl ein.

Beispiel I

Ein Werkstück aus Gußeisen GGL 28 (Verschleißteil, nämlich Dichtleiste für einen Wanckel-Motor) wurde mit 1,5 kg Einsatzpulver behandelt. Das Einsatzpulver bestand zu 80»/o aus Ferro-Vanadium mit einem Vanadiumgehalt von 75%. Weiterhin enthielt das Einsatzpulver 16°/o Al₂O₃ sowie 4% NH₄Cl. Das Werkstück wurde über einen Zeitraum von 4 Stunden ίο bei einer Temperatur von 1050° C in einem Glühofen behandelt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur an der Luft konnte eine Oberflächenhärte von 2820 HV 0,1 festgestellt werden.

B eispiel II

Ein Stanzwerkzeug für Stahl mit den Abmessungen 20-50-6 mm und mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 "/Ό (Werkstoff 90 MnV 8) wurde mit 2 kg Einsatzpulvcr behandelt. Das Einsatzpulver enthielt TO⁰Zr, Ferro-Vanadium mit einer·. Vanadiumgehalt von 66⁰Zo. Weiterhin enthielt das Einsatzpulver 26° ο Al₂O₃ sowie 4°/o NH₄Cl. Das Werkzeug wurde mit dem Einsatzpulver 4 Stunden in einem Glühofen bei ¹100° C behandelt. Nach dem Abkühlen an der Luft auf Raumtemperatur konnte eine Oberflächenhärte von 2550 HV 0,1 festgestellt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von EisenwerkstofTen auf chemo-thermischem Wege durch Bildung einer extrem harten Schicht aus Vanadium-Eisen-Mischkarbiden in den Oberflächenschichten des Werkstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vanadiumspender verwendet wird, der bei der Behandlungstemperatur in einer Glühzeit von 4 bis 8 Stunden höchstens so viel Vanadium abgibt, wie in Abhängigkeit von dem Kohlenstoffgehalt der zu behandelnden Oberflächenschicht des Eisenwerkstoffes ohne wesentliche Beeinflussung des Kohlenstoffgehaltes tieferer Schichten als Karbid gebunden werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eisenwerkstoff, der vor der Eindiffusion von Vanadium einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,6⁰O aufweist, verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Eisen- und Sintereisenwerkstoffe mit geringerem Kohlenstoffgehalt als 0,6% vor der Eindiffusion des Vanadiums aufkohlt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Eindiffusion des Vanadiums aus einer entsprechend zusammengesetzten Gasatmosphäre oder aus einem geeigneten Einsatzpulver erfolgen läßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Eindiffusion mit Hilfe eines Einsatzpulvers vornimmt, welches aus Ferro-Vanadium, einem Aktivator und einem inerten Füllmaterial besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktivator Ammoniumchlorid verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllmaterial Aluminiumoxyd verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus 80% Ferro-Vanadium mit einem Vanadiumgehalt von 75 bis 80%, 16% Al₂O₃ und 4% NH₁Cl bestehendes Einsatzpulver verwendet wird.