DE2144238A1 - Verfahren zur Verfestigung der Oberfläche von Werkstücken aus Eisen und Stahl - Google Patents

Description

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ELEKTROPHYSIKALISCHE ANSTALT

BERNHARD BERGHAUS Vaduz / Liechtenstein

Verfahren zur Verfestigung der Oberfläche von Werkstücken aus Eisen und Stahl.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verfestigung der Oberfläche von Werkstücken aus Eisen und Stahl mittels einer elektrischen Glimmentladung in einer, diffusionsfähige Stoffe enthaltenden Gasatmosphäre bei erhöhter Temperatur. Solche Verfahren sind vorzugsweise unter Verwendung einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre für die Nitrierhärtung, das sogenannte Ionitrieren, allgemein bekannt und werden in grossem Umfange industriell verwendet. Aber auch die Oberflächenverfestigung mit anderen diffusionsfähigen

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Stoffen nach diesem Verfahren ist bekannt, beispielsweise unter Verwendung einer Gasatmosphäre die eine Titanverbindung enthält.

Die Oberflächenverfestigung von Eisenwerkstoffen nach den Diffusionsverfahren hat infolge der Einlagerung diffusionsfähiger Elemente eine Volumendehnung und somit zwangsläufig eine Massänderung zur Folge. Das gilt natürlich auch für das Nitrieren, obwohl im allgemeinen der Verzug vornehmlich bei Massivteilen als unbedeutend angesehen werden kann.

Anders liegen dagegen die Verhältnisse bei dünnwandigen Teilen, die nach der Nitrierung oft untragbare Massabweichungen aufweisen. In solchen Fällen ist der Vorteil einer Nitrierbehandlung in zweifacher Hinsicht fraglich. Einmal entstehen mit der erforderlichen Masskorrektur durch Nachschleifen erhebliche Mehrkosten. Zum andern gehen mit der Abtragung der äusseren, sehr dünnen intermetallischen Verbindungszone die nitriertypischen Verschleiss-, Gleit- und Notlaufeigenschaften verloren. Diese Schwierigkeit tritt bei dünnwandigen Teilen besonders hervor, wenn z.B. für starke Wälzpressungen grössere Eindringtiefen zu fordern sind. Zwar lässt sich durch Untermassfertigung oder gar ProfilVorkorrektur manche Nacharbeit vermeiden, doch ist bei grösseren Massänderungen auch mit einer grösseren, das Toleranzfeld überschreitenden Streubreite zu rechnen. Eine aufwendigere Fertigung sowie eine intensivere Qualitätskontrolle mit erhöhtem Ausschuss schränken auch dann noch den Einsatz des Nitrierens oder anderer

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flächenverfestigungen nach den Diffusionsverfahren erheblich ein.

Bei der Oberflächenverfestigung von Werkstücken aus Eisen und Stahl ergeben sich, besonders auch bei dünnwandigen Teilen, des öfteren recht unterschiedliche mechanische Anforderungen an die einzelnen Oberflächenbereiche. Beispielsweise kann ein Oberflächenbereich eines Werkstückes einer Wälzpressung und gleichzeitig starkem Verschleiss ausgesetzt sein, während ein anderer Oberflächenbereich des gleichen Werkstücks auf Schlag beansprucht wird. Solche verschiedenen Beanspruchungen machen unterschiedliche mechanische Eigenschaften der jeweiligen verfestigten Oberflächenbereiche wünschenswert, was aber bei den bisher bekannten Verfahren nicht erreichbar ist.

Die vorliegende Erfindung bezweckt die Beseitigung der genannten Mangel bisheriger Verfahren zur Verfestigung der Oberflächen von Werkstücken aus Eisen und Stahl mittels einer elektrischen Glimmentladung in einer diffusionsfähige Stoffe enthaltenden Gasatmosphäre bei erhöhter Temperatur. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens zwei Oberflächenbereichen des gleichenWerkstücks ein Stoff aus der Gasatmosphäre verschieden tief eindiffundiert wird, dabei Diffusionszonen unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften erzeugt und \txkimendehnungen innerhalb vorgeschriebener Grenzen bewirkt werden, indem das Werkstück mindestens in zwei aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten in der Glimmentladung behandelt und dabei wenigstens in einem"der Zeitabschnitte ein Ionenbombardement auf einen

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der Oberflächenbereiche unterdrückt wird.

Die Erfindung ist nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert, anhand der Fig. 1 bis 15 der Zeichnungen. Diese zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Ventilkolben mit den beanspruchten Oberflächenbereichen;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Ventiltrieb mit dem Ventilkolben gemäss Fig.l;

Fig. 3 ein Diagramm über die Volumendehnung eines gasnitrierten Ventilkolbens gemäss Fig.l, in^tan oder 10~3 mm angegeben ;

Fig. 4 eine Härtetiefenkurve des Ventilkolbens der Fig.3;

Fig.5,7,12 und 14 jeweils einen Längsschnitt durch den Ventilkolben der Fig.l mit verschiedenen Abschirmungen von Oberflächenbereichen versehen;

Fig.6, 8, 11, 13 und 15 je ein Diagramm entsprechend demjenigen der Fig.3;

Fig. 9 eine Mikrophotographie der Nitrierzone "bei einem nach dem vorliegenden Verfahren ionitrierten Ventilkolben gemäss Fig.l ;

Fig.10 eine Härtetiefenkurve eines nach dem vorliegenden Verfahren ionitrierten Ventilkolbens gemäss Fig.l.

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Das vorliegende Verfahren wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, nachstehend am Beispiel der Oberflächenverfestigung durch Nitrierung eines serienmässigen Bauteils aus Stahl von Explosionsmotoren erläutert, nämlich des Ventilkolbens 10 gemäss Pig.l eines Ventils der in Fig.2 dargestellten Bauart. Im Betrieb des Motors wird der, unter Wirkung der Druckfeder 11 stehende Ventilkolben 10 auf seiner Oberseite 1 durch die rotierende Nockenwelle 12 und den daran befindlichen Nocken 13 beansprucht, während auf die untere Stirnfläche 2 der Ventilstössel 14 einwirkt und die zylindrische Mantelfläche 3 im Gehäuse 15 gleitet. Die Innenflächen 4 und 5 des Ventilkolbens 10 erfahren nur eine indirekte mechanische Beanspruchung und die Unterkante 6 ist praktisch nicht beansprucht.

Wie in Fig.l angedeutet, sollten die Obex'flächenbereiche 1, 2 und 3 bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften unterschiedlicher Beanspruchung angepasst sein. Für die Oberseite 1 ist gleichzeitig hohe Wälzfestigkeit A undVerschleissfestigkeit C erwünscht, während für die untere Stirnfläche 2 gute Schlagfestigkeit B und für die zylindrische Mantelfläche 3 ausreichende Verschleissfestigkeit A vorhanden sein sollte.

Es sei zunächst erläutert, welche Ergebnisse bei einer Oberfläche nver fest igung dieses Ventillcolbens 10 durch die bekannte Nitrierbehandlung in einer ämmoniakgasatmosphäre während etwa 30 Stunden bei einer Temperatur des Werkstückes von 510° C erzielt

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werden. Der behandelte Ventilkolben 10 hatte etwa 32 mm Durchmesser, 24 mm Höhe und bestand aus mit Aluminium legiertem Nitrierstahl, der auf eine Festigkeit von 95 kg/mm² vergütet worden war. Das Diagramm der Fig. 3 zeigt die durch Volumendehnung infolge eindiffundiertem Stickstoff aufgetretenen Aenderungen D des Durchmessers Kurve 16 bzw.17 und die Vergrösserung E der Höhe Kurve 18 , jeweils in ^m oder 10~ mm, wobei der Mittelwert aus

mehreren derart behandelten Werkstücken angegeben ist und die Streubereiche 19 bzw.20 eingetragen sind. Die Oberflächenhärte HV

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in kp/mm oder kg/mm mit einem Mikrohärteprüfer von VICKERS bei einem Druck von 0.2 kg ist in Abhängigkeit von der Tiefe in mm unterhalb der Oberfläche im Diagramm der Fig.4 wiedergegeben, wobei die beiden Kurven 19 den Grenzwerten aus mehreren behandelten

Werkstücken entsprechen. Die Nitrierhärtetiefe schwankt dabei, wie bei 20 angedeutet, etwa von 0,24 bis 0,31 mm also in einem Bereich der angesichts der zu ertragenden Wälz- und Schlagdauerbeanspruchung gefordert werden muss.

Infolge der relativ grossen Nitriertiefe verursachen die Volumendehnungen an der Oberfläche unzulässige Massänderungen des Werkstücks. Die Kante der Oberseite 1 zeigt typische Aufwölbungen, die unerwünscht sind und sich für die Wälzdauerbelastung ungünstig auswirken. Der Durchmesser des Ventilkolbens wird nahezu um 0,2 mm vergrössert; würde der Durchmesser durch Abschleifen des Ventilkolbens um 0,1 mm Linie 21 bis 0,2 mm Linie 22 korrigiert, so ergäben sich die bei 23 bzw.24 angedeuteten Schwankungen der

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Oberflächenhärte und ein Absinken der Oberflächenhärte bis auf ·

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550 HV bzw. kg/mm könnte eintreten. Die Korrektur der Volumendehnungen durch Nachschleifen wäre also wegen der ,Verminderung der Oberflächenverfestigung nicht durchführbar, ganz abgesehen von den hierdurch verursachten Kosten. Ausserdem ist auch von Nachteil, dass die doppelseitige Nitrierung des dünnwandigen zylindrischen Teils von den Flächen 3 und 5 aus eventuell zu einer Durchhärtung mit extremer SprÖdbruchgefahr führen kann.

Aehnliche Nachteile wie oben für eine Gasnitrierung des Ventilkolbens beschrieben, treten auch bei der Badnitrierung oder lonitrierung solcher dünnwandiger Werkstücke auf. .

Da eine Begrenzung des Verzugs bzw. der Massänderungen durch eine geringere Nitriertiefe nicht zulässig ist, wegen der hohen mechanischen Beanspruchung, muss die normale allseitige Nitrierung dieses Bauteils grundsätzlich scheitern. Die Nitrierbehandlung wäre nur dann sinnvoll, wenn sich die Nitrierung auf die beanspruchten Flächen 1 , 2 ■ und 3 mit der jeweils geringsten Nitriertiefe beschränken lässt, was nach dem vorliegenden Verfahren möglich ist. Hierbei wird eine Oberflächenverfestigung durch Ionitrierung durchgeführt, also das betreffende Werkstück mittels einer elektrischen Glimmentladung in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 500° C behandelt. Das Verfahren der Ionitrierung ist allgemein bekannt, beispielsweise aus den Patentschriften Nr PBP A.

sodass sich eine nähere Erläuterung erübrigt; es sei 209812/1535

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lediglich erwähnt, dass die zu nitrierenden Oberflächen der Werkstücke einem Ionenbombardement ausgesetzt werden und dabei Stickstoff in diese Oberflächen eindiffundiert wird.

Gemäss dem vorliegenden Verfahren wird an einzelnen Oberflächenbereichen des Ventilkolbens 10 der Stickstoff aus der Gasatmosphäre verschieden tief eindiffundiert und dabei Diffusionszonen unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften erzeugt unter gleichzeitiger Einhaltung vorgeschriebener Grenzen für die Volumendehnung. Dabei wird der Ventilkolben in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten in der Glimmentladung behandelt und wenigstens in einem der Zeitabschnitte ein Ionenbombardement auf einem der Oberflächenbereiche unterdrückt. In den nachstehend erläuterten Ausführungsbeispielen der Ionitrierung des Ventilkörpers 10 gemäss den Fig. 1 und 2 erfolgt die Unterdrückung des Ionenbombardements durch die Abschirmung des elektrischen Feldes an den betreffenden Oberflächenbereichen, beispielsweise durch Abschirmbleche aus Eisen die in geringem Abstände bis zu etwa 0,5 mm von den Oberflächen entfernt angeordnet sind oder auch auf diesen aufliegen. Es ist nicht erforderlich, dass die metallischen Abschirmungen in elektrischem Kontakt mit den Werkstücken stehen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Ionitrierung des Ventilkolbens 10 gemäss dem vorliegenden Verfahren wird die Behandlung in zwei aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten durchgeführt.

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Im Zeitabschnitt I wird gemäss Fig.5 durch massive metallische Abschirmungen 25, bestehend aus der äusseren Hülse 26, der inneren Hülse 27, dem Ring 28 und dem diese Teile tragenden Plansch 29, das Ionenbombardement auf die Oberflächenbereiche 3, 4, 5 und 6 (siehe Fig.l) verhindert. Die Behandlung der Oberflächenbereiche 1 und 2 wird im in Fig.5 angedeuteten Ionenbombardement

während 18 Stunden bei 530° C durchgeführt. Die sich hierbei ergebenden Massänderungen sind im Diagramm der Fig.6 angegeben.

Nach dem Erkalten des Ventilkolbens im Ionitrierofen unter Beibehaltung des Unterdrucks wird die äussere Abschirmhülse 26 entfernt und dann in der in Fig.7 angegebenen Anordnung das Werkstück in einem Zeitabschnitt II von 6 Stunden bei einer Temperatur von 490 C zum zweitenmal nitriert. Die Gleitflächen 3 werden dabei verfestigt, aber wegen der relativ niedrigen Temperatur und der Wirkung der Materialabstäubung werden die Flächen 1 und 2 durch diese Nachbehandlung in ihren technologischen Eigenschaften kaum geändert. Lediglich die Nitriertiefe der Oberfl ächenbereiche 1 und 2 nimmt zu, was vorteilhaft und beabsichtigt ist. Die nach Abschluss des Seitabschnitts II sich ergebendem Massänderungen zeigt das Diagramm der Fig.8„ Die anätzbare Nitrierzone im Uebergang der Oberflächenbereiche 1 und 3, sowie die Härtetiefenkurven zeigen die Fig.9 bzw.10. Dabei entspricht die Kurve 30 der Gleitfläche 3, während die Härtetiefenkurve 31 der Oberseite 1 und der unteren Stirnfläche 2 zugeordnet ist. In den Pig.6 und 8 sind die ionitrierten Flächen jeweils mit 33

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bezeichnet. Trotz der gegenüber den Werten der Fig.3 verbesserten Massbeständigkeit des ionitrierten Ventilkolbens, befriedigt der Verzug gemäss Fig. 8 noch nicht vollständig. Es lassen sich folgende zwei Nachteile erkennen:

a) Die Balligkeit der Oberseite 1 ist als bewusst angestrebtes Nebenprodukt dieser Abschirmanordnung zwar sehr willkommen, jedoch zu stark ausgeprägt.

b) Die zylindrische Mantelfläche 3 weicht noch zu sehr vom Sollprofil ab.

Die Verbesserung des Verzugs kann unter Beibehaltung der Behandlung in den Zeitintervallen I und II durch eine Abänderung der Abdeckanordnung erreicht werden.

Da die Balligkeit der Fläche 1 durch die einseitigen Druckeigenspannungen mit starker Dehnung bewirkt wird, kann durch eine zusätzliche Nitrierung der Fläche 4 die Krümmung bzw.Balligkeit teilweise kompensiert werden. Um die Eindringtiefe in der Fläche 4 möglichst gering zu halten, wird im Zeitintervall II auch der die Fläche 4 abschirmende Ring 28 entfernt. Aus dem Diagramm der Fig.11 ist ersichtlich, dass die Balligkeit der Oberseite 1 stark vermindert ist.

Zur Egalisierung der zylindrischen Mantelfläche 3 kann bei der Behandlung im Zeitintervall II die Druckeigenspannung der Innenfläche 5 im oberen Bereich ausgenutzt werden, indem der Ring 28 entfernt und die innere Abschirmungshülse 27 um ein Stück nach unten herausgezogen wird, sodass die Anordnung nach

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Fig.12 entsteht. Die Massänderungen des so ionitrierten Ventilkolbens zeigt das Diagramm der Fig.13. Obwohl die unerwünschte ungleiche Durchmesserzunahme der zylindrischen Mantelfläche 3 beseitigt ist, tritt die Kante zwischen der Oberseite 1 und dieser Fläche 3 durch die darunterliegende Einschnürung noch ungünstig hervor. Diese Unebenheit lässt sich durch Verkürzung der im Zeitintervall I der Behandlung verwendeten äusseren Abschirmhülse 26 gemäss Fig.14 weitgehend beseitigen. Infolge der nun freiliegenden Kante wird durch eine stärkere Materialabstäubung von der Kante die Kantenaufwölbung, bedingt durch die starke tangentiale Dehnung in der Fläche 1 abgetragen und andererseits die darunterliegende Einschnürung durch die zusätzliche Volumendehnung aufgefüllt. Der Erfolg ist aus dem Diagramm der Fig.15 ersichtlich.

In Fig.15 sind auch die Streuwerte 32 der Massänderungen von vier derart behandelten Ventilkolben gestrichelt angegeben. Es ist ersichtlich, dass die Verzugstoleranz der Mantelfläche 3 bei 0,01 mm und somit im normalerweise geforderten Toleranzfeld liegt. Die zylindrische Mantelfläche kann daher mit ca. 0,05 mm Untermass gefertigt werden. Die Vergrösserung der Länge des Werkstücks spielt passungsmässig keine Rolle. Nach der oben beschriebenen Ionitrierung gemäss dem vorliegenden Verfahren sind die Bauteile montagefertig. Eine Nacharbeit, z.B. durch Polieren, ist nicht erforderlich. Ein zu starkes Polieren wäre wegen der Abtragung der sehr dünnen Verbindungszone sogar schädlich.

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Claims (8)

2U4238 Patentansprüche

1. Verfahren zur Verfestigung der Oberflächen von Werkstücken aus Eisen und Stahl mittels einer elektrischen Glimmentladung in einer diffusionsfähige Stoffe enthaltenden Gasatmosphäre bei erhöhter Temperatur

dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens zwei Oberflächenbereichen des gleichen Werkstücks ein Stoff aus der Gasatmosphäre verschieden tief eindiffundiert wird, dabei Diffusionszonen unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften erzeugt und jeweils Volumendehnungen innerhalb vorgeschriebener Grenzen bewirkt werden, indem das Werkstück in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten in der Glimmentladung behandelt und dabei wenigstens in einem der Zeitabschnitte ein Ionenbombardement auf einem der Oberflächenbereiche unterdrückt wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Abschirmung des elektrischen Feldes von einem der Ober flächenbereiche dort das Ionenbombardement und damit die Diffusion verhindert wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Belegung eines der Oberflächenbereiche mit einer der elektrische Glimmentladung verhindernden Schicht dort das Ionenbombardement und damit die Diffusion unterdrückt wird.

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4. Verfahren nach Patentanspruch 1 für die Ionitrierung von topfartigen zylindrischen Kolben (Fig.l) aus Eisen- und Stahl, deren äussere Bodenfläche 1 und Mittelteil der inneren Bodenfläche 2 mit einer tieferen Nitrierung als die äussere zylindrische Mantelfläche 3 versehen werden sollen, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Zeitabschnitt das Ionenbombardement auf die äussere Mantelfläche 5 und die den Mittelteil 2 der inneren Bodenfläche umgebenden Randbereiche 4 unterdrückt (Fig.5) und die Behandlung bei einer Temperatur über 500 C solange fortgesetzt wird bis die erwünschte Nitriertiefe an den Flächenbereichen 1 und 2 nahezu erreicht ist, woraufhin im zweiten kürzeren Zeitabschnitt bei niedrigerer Temperatur ein Ionenbombardement ausser auf den Flächenbereichen 1 und 2 auch auf der äusseren Mantelfläche 3 vorgenommen wird (Fig.7).

5. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Zeitabschnitt auch die den Mittelteil 2 der inneren Bodenfläche umgebenden Randbereiche 4 im Ionenbombardement behandelt werden.

6. Verfahren nach den Patentansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Zeitabschnitt auch der an die Randbereiche 4 der inneren Bodenfläche anschliessende Teilbereich der inneren Mantelfläche 5 im Ionenbombardement behandelt wird (Fig.12).

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7. Verfahren nach den Patentansprüchen 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Zeitintervall auch der an die
Aussenkante der äusseren Bodenfläche 1 anschliessende Rand der äusseren Mantelfläche 3 im Ionenbombardement behandelt wird (Fig. 14).

8. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Werkstücke zwischen dem ersten und zweiten Zeitabschnitt nicht passivierend abgekühlt werden.

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