DE2361801A1

DE2361801A1 - Nitrierbare staehle

Info

Publication number: DE2361801A1
Application number: DE2361801A
Authority: DE
Inventors: Maria Ronay
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-12-18
Filing date: 1973-12-12
Publication date: 1974-06-20
Also published as: US3887362A; FR2210671A1; JPS4990208A; FR2210671B1

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 972 005

Nitrierbare Stähle .

Die Erfindung betrifft nitrierbare Stahllegierungen.

Solche Stahllegierungen sind für Kaltverfortnungsverfahren brauchbar und werden zur Herstellung von Stahlteilen, oft angewandt. Bei diesen Verfahren werden Stähle benötigt, die sich durch hohe Plastizität und eine geringe Festigkeit auszeichnen. Stähle mit diesen Eigenschaften haben einen geringen Kohlenstoffgehalt. Besonders sind Stähle für diese Verfahren geeignet, deren Kohlenstoffgehalt unter 0,15 Gewichtsprozent liegt. Die Eigenschaften, die einen Stahl für seine Verwendung in einem Kaltverformungsverfahren brauchbar machen, machen einen solchen Stahl jedoch ungeeignet für Anwendungen, wo es auf hohe Festigkeit und auf eine hohe Widerstandskraft gegenüber Abrieb ankommt. Ein kalt verformbarer Stahl läßt sich für solche Anwendungen deshalb nur dann verwenden, wenn sich seine Festigkeit und Oberflächenhärte nach dem Kaltverformen erhöhen läßt.

Ein Verfahren, um die Härte von Stahlteilen, die mittels eines Kaltverformungsverfahrens hergestellt worden sind, zu erhöhen, ist die sogenannte Zementation. Bei diesem Verfahren läßt man Kohlenstoff bei einer relativ hohen Temperatur (860-920 °C)

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in einen Stahl mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt eindiffundieren, schreckt anschließend das auf die Zementationstemperatur erwärmte Teil in Wasser oder öl ab und tempert schließlich das abgeschreckte Teil bei einer relativ niedrigen Temperatur (150 bis 190 °C). Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren besteht darin, daß wegen der hohen Temperatur und wegen des schnellen Abkühlens je nach der Gestalt des Stahlteils starke Verformungen auftreten. Diese Verformungen müssen durch teure Arbeitsschritte, wie z.B. Schleifen korrigiert werden. Kompliziert geformte Teile lassen sich nicht mehr korrigieren. Deshalb ist die Zementationsmethode nur bei relativ einfach geformten Teilen anwendbar. Gerade aber für die Herstellung von kompliziert geformten Teilen ist das Kaltverformungsverfahren besonders vorteilhaft.

Ein anderes Verfahren zum Härten von Stählen ist das Nitrieren. Bei diesem Verfahren diffundiert Stickstoff, der in Form von Ammoniak oder Ammoniak-Stickstoff Gasmischungen vorhanden ist, durch die Oberfläche in den nitrierbaren Stahl hinein. Dabei entsteht eine harte Oberflächenschicht. Die üblichen nitrierbaren Stähle haben einen mittleren Kohlenstoffgehalt. Um die Gesamtfestigkeit zu erhöhen, werden diese Stähle vor dem Nitrieren durch Abschrecken und anschließendes Tempern gehärtet. Vorhandene Legierungselemente unterstützen auf der einen Seite die Härtbarkeit und bilden auf der anderen Seite Nitride während des Nitrierens. Diese konventionellen Stähle enthalten normalerweise 0,35-0,4 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,5-0,8 Gewichtsprozent Mangan, 0,2-0,4 Gewichtsprozent Molybdän, 1,2-1,6 Gewichtsprozent Chrom, 0,85-1,5 Gewichtsprozent Aluminium und 0,3-0,5 Gewichtsprozent Silizium. Von diesen Legierungselementen verbessern der Kohlenstoff, das Mangan und das Molybdän die Gesamthärtbarkeit, während Chrom und Aluminium die Elemente sind, die Nitride bilden, welche die Härte der nitrierten Schicht verursachen. Die mit Aluminium und Chrom gebildeten Nitride liegen nur dann in ausreichend feiner Verteilung vor und bewirken nur dann eine große Härte, wenn sie in einer abgeschreckten und getemperten Struktur mit einer hohen Versetzungsdichte gebildet werden. Der Kohlen-

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stoff behindert stark die Eindiffusion des Stickstoffs, da er im Kristallgitter dieselben Zwischengitterplätze einnimmt wie der Stickstoff. Infolgedessen behindert der Kohlenstoff das Nitrieren. Wegen des hohen Kohlenstoffsgehalts in den konventionellen nitrierbaren Stählen dauert die Diffusion des Stickstoffs in diese konventionellen Stähle hinein so lange, daß es bis zu 50 Stunden dauern kann, um bei 560 ⁰C eine 500 u dicke Schicht zu erzeugen. Außerdem können diese konventionellen nitrierbaren Stähle wegen ihres relativ hohen Kohlenstoffgehalts, der sich in einer relativ niedrigen Elastizität äußert, nicht bei allen Kaltverformungsverfahren eingesetzt werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Stahl anzugeben, der sich leicht kaltverformen läßt und der beim Kaltverformen nicht verhärtet, der sich wirtschaftlich, d.h. innerhalb eines vertretbaren Zeitraums durch Nitrieren härten läßt, der im gehärteten Zustand gegenüber bekannten Stählen eine erhöhte Oberflächenhärte zeigt und sich durch eine hohe Festigkeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird mit einem Stahl der eingangs genannten Art gelöst, der gekennzeichnet ist durch einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,005 und 0,03 Gewichtsprozent durch einen Gehalt von mindestens einem Element aus der Gruppe Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadin, Niob, Tantal und Aluminium, einen Nickelgehalt zwischen 0 und 15 Gewichtsprozent, einen Siliziumgehalt zwischen 0 und 4 Gewichtsprozent und einen Mangangehalt zwischen 0 und 1,5 Gewichtsprozent, wobei der verbleibende Rest aus Eisen besteht.

Der erfindungsgemäße Stahl hat gegenüber konventionellen nitrierbaren Stählen den Vorteil, daß beim Nitrieren innerhalb von 5 Stunden bei 600 ⁰C eine 500 ρ dicke Nitridschicht erzeugt werden kann, während bei den konventionellen Stählen zur Erreichung desselben Ergebnisses etwa 50 Stunden benötigt würden. Die Dickenzunahme der Teile beim Nitrieren ist definiert und, reproduzierbar. Hinzukommt, daß der erfindungsgemäße Stahl nach dem Nitrieren eine Oberflächenhärte von bis zu 1600 HV (Vickers-Härte)

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zeigt, während die konventionellen Stähle nach dem Nitrieren eine Oberflächenhärte von maximal 1150 HV haben. Das Zementieren von konventionellen Stählen läßt sich zwar auch in vertretbaren Zeiten durchführen, jedoch zeigt der erfindungsgemäße Stahl nach dem Härten eine größere Härte als durch Zementieren erreicht werden kann (maximal 1600 HV gegenüber maximal 900 HV). Außerdem zeigt der gehärtete erfindungsgemäße Stahl gegenüber den durch Zementation gehärteten konventionellen Stählen eine größere chemische und mechanische Widerstandsfähigkeit, eine größere Schlagfestigkeit und eine größere Widerstandskraft gegen Ermüdungserscheinungen auch bei höheren Temperaturen. Als sehr wesentlich kommt noch hinzu, daß der erfindungsgemäße Stahl sich vor dem Härten besser bearbeiten läßt und sich leichter schweißen läßt wie die konventionellen Stähle und daß beim Härten keine Deformation der Teile eintritt. Die hohe Festigkeit der erfindungsgemäßen Stahllegierung erhält man z.B. durch eine Ausscheidungshärtung, die während des Nitrierens stattfindet und bei der Verbindungen, wie z.B. TiSi und Ni-Ti, beteiligt sind. Die beim Nitrieren erzielte Härte bleibt auch beim Erhitzen auf die Nitriertemperatur erhalten. Im übrigen läßt sich, sofern ein bestimmter Anwendungszweck dies erfordert, der erfindungsgemäße Stahl auch durch Zementation härten.

Es ist vorteilhaft, wenn, sofern vorhanden, der Titangehalt zwischen 0,2 und 3 Gewichtsprozent, der Zirkongehalt zwischen 0,1 und 1 Gewichtsprozent, der Hafniumgehalt zwischen 0,1 und 1 Gewichtsprozent, der Vanadingehalt zwischen 0,2 und 3 Gewichtsprozent, der Niobgehalt zwischen O,2 und 3 Gewichtsprozent, der Tantalgehalt zwischen 0,1 und 1 Gewichtsprozent und der Aluminiumgehalt zwischen 0 und 2 Gewichtsprozent liegt. Diese Legierungselemente verbinden sich mit dem eingelagerten Kohlenstoff zu Carbiden und bilden mit dem eindiffundierenden Stickstoff besonders leicht Nitride. Die erzielbare Härte hängt unter anderem von der Menge der zur Nitridbildung zur Verfügung stehenden Legierungselemente ab.

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Eine vorteilhafte Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Stahls liegt vor, wenn er aus 0,75 bis 1,0 Gewichtsprozent Titan, 5 Gewichtsprozent Nickel, 0,3 Gewichtsprozent Silizium, 0,4 Gewichtsprozent Mangan und im übrigen aus Eisen besteht. Das Titan hat die Aufgabe den Kohlenstoff zu binden, beim Nitrieren Titannitrid zu bilden und die Ferritstruktur zu festigen. Durch den Zusatz von Nickel, Silizium und Mangan erhöht sich die Zugfestigkeit und die Streckgrenze des Stahls ganz erheblich. Ein Nickelzusatz macht das Nitrieren zusätzlich unempfindlich gegenüber einer vorangegangenen Oxydation an der Oberfläche.

Die Erfindung wird anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 auf halblogärithmischem Papier für drei Temperaturen die Abhängigkeit der Dicke der nitrierten Schicht in den beschriebenen, nitrierbaren' Stählen von der Nitrierzeit?

Fig. 2 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Härte

der nitrierten Schicht der beschriebenen, nitrierbaren Stähle von ihrem freien Titangehalt,

Fig. 3 eine Reihe von Kurven, die die Abhängigkeit der

Härte-von der durch Kaltwalzen der beschriebenen, nitrierbaren Stähle hervorgerufenen Dickenreduzierung in Prozent illustrieren,

Fig. 4 - das Verhalten der beschriebenen, nitrierbaren

Stähle bei Belastung in Abhängigkeit von ihrem Gehalt an Nickel, an Silizium und Mangan bzw. an Nickel, Silizium und Mangan,

Fig. 5 das Profil eines aus einem der beschriebenen,

nitrierbaren Stähle hergestellten Bandes, aufgenommen vor und nach dem Nitrieren und

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vn Q-7O

Fig. 6 - in einem Diagramm die Härte der nitrierten

Schicht in Abhängigkeit von der Eindringtiefe bei einem der beschriebenen nitrierbaren Stähle,

Das komplizierte Verfahren zum Herstellen von Teilen mittels Kaltverformens unter hohem Druck und anschließenden Härtens dieser Teile mit dem Ziel hoher Oberflächenhärte durch Nitrieren kann mit den hier beschriebenen kaltverformbaren und nitrierbaren Stählen durchgeführt werden. Diese Stähle sind ausgezeichnet durch einen sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt und ein Legierungselement _f das mit Eisen eine feste Lösung bildet, in der das Eisen teilweise durch dieses Element ersetzt ist. Zusätzlich bildet dieses Legierungselement ein stabiles Carbid, wobei dem Eisen Kohlenstoff, der sich fest gelöst auf Zwischengitterplätzen befindet, entzogen wird, und außerdem mit dem Stickstoff, der in das Eisen eindiffundiert, ein sehr stabiles Nitrid, wobei die Größe der Nitridpartikel, die sich im getemperten oder kalt bearbeiteten Eisen bilden, sehr klein ist (maximal 40 Ä Durchmesser), wodurch dem Eisen eine sehr große Härte gegeben wird. Das Legierungselement bildet außerdem intermetallische Verbindungen mit Nickel oder Silizium, wodurch der Stahl allgemein zur Ausscheidungshärtung befähigt wird. Die beschriebenen Stähle können noch zusätzlich zur Erhöhung der Festigkeit Legierungselemente enthalten. Die beschriebenen Stähle haben die folgenden Zusammensetzungen, wobei der zu 100 % fehlende Rest aus Eisen besteht:

1. Kohlenstoff O,OO5-O,O3 Gewichtsprozent. Der Grund dafür, daß dieser Kohlenstoffgehalt angestrebt wird, ist der, daß, weil Kohlenstoff sowohl die Diffusion des Stickstoffs und die plastische Deformation behindert und weil der Wunsch besteht, auch die kleinsten Mengen Kohlenstoff als stabile Carbide zu binden, der Kohlenstoffgehalt des Stahls so klein als möglich sein soll, um zu verhindern, daß zu viel von dem Carbid bildenden Legierungselement isoliert wird, und große Mengen von Carbiden gebildet werden.

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2. Elemente der Gruppe IV B des Periodensystems, d.h. Titan, Zirkon und Hafnium und Elemente der Gruppe V B des Periodensystem, d.h. Vanadin, Niob und Tantal entweder allein oder in Kombination miteinander, wobei sich die Gewichtsprozente ^: in den folgenden Bereichen bewegen.

Gruppe IV.B Gruppe V.B

Ti = 0,2 - 3,0 Gewichtsprozent · V = O,2 - 3,0 Gewichtsprozent

Zr = 0,1 - 1,0 Gewichtsprozent Nb = 0,2 - 3,0 Gewichtsprozent

Hf =0,1 - 1,0 Gewichtsprozent Ta = 0,1 - 1,0 Gewichtsprozent

Alle aufgezählten Elemente der Gruppen IV.B und V.B bilden stabile Nitride, die im kubischen Kristallsystem kristallisieren · und dieselbe Struktur wie NaCl haben.

Wegen der kubischen und zugleich metallischen.Struktur dieser Nitride, haben sie eine niedrige Energieschwelle und deshalb eine hohe Nukleationshäufigkeit in Eisen, woraus Ausscheidungen mit sehr kleiner Teilchengröße resultieren, die der nitrierten Schicht eine sehr große Härte verleihen. Die Stabilität der aus diesen Elementen gebildeten Nitride ist groß und steigt zunehmend von Titan zu Hafnium und von Vanadin zu Tantal an. Die Löslichkeit dieser Elemente aus der Gruppe IV.B und V.B in Eisen bei der Nitrierungstemperatur nimmt jedoch zunehmend von Titan zu Hafnium und von Vanadin zu Tantal ab. Aus Löslichkeitserwägungen sind von den genannten Legierungselementen Titan, Niob und Vanadin die wichtigsten. Jedoch bilden alle der genannten Elemente aus den Gruppen IV.B und V.B intermetallische Verbindungen mit Eisen und mit Nickel und verleihen deshalb die Fähigkeit zur Ausscheidungshärtung im gesamten Material.

a) Einwirkung der Titangruppe (IV.B) und der Vanadingruppe (V.B) auf die Nitrierbarkeit.

Betrachtet man hier beispielsweise die Einwirkung des Titans auf die Nitrierbarkeit, so ist zu sagen, daß zuerst während

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des Legierungsprozesses Titan auch mit den geringsten Mengen von Kohlenstoff Titancarbid, TiC,, bildet, und dabei dem Eisen der Kohlenstoff, der in fester Lösung vorliegt, entzogen wird. Infolgedessen diffundiert im Nitrierschritt der Stickstoff fast so schnell in die Legierung hinein, wie er in reines Eisen hineindiffundieren würde, weshalb die Zeiten, die zum Nitrieren notwendig sind, im Verhältnis zu den Zeiten, die zum Nitrieren von konventionellen nitrierbaren Stählen mit einem mittleren Kohlenstoffgehalt benötigt werden, recht kurz sind.

Die Fig. 1 zeigt Kurven auf halblogarithmischem Papier, die die Abhängigkeit der Tiefe der nitrierten Schicht von der Nitrierzeit bei 5OO, 550 und 600 ⁰C zeigen. In den Diagrammen sind auf der Abszisse Stunden und auf den Ordinaten Eindringtiefen in u aufgetragen. Die dabei betrachtete Legierung enthält 0,03 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,53 Gewichtsprozent Titan, 3,5 Gewichtsprozent Nickel, 0,3 Gewichtsprozent Silizium und 0,4 Gewichtsprozent Mangan. Es sei angemerkt, daß, weil das Atomgewicht von Titan 48 ist und das von Kohlenstoff 12, der Gewichtsprozentgehalt von Titan mindestens viermal größer wie der Gewichtsprozentgehalt von Kohlenstoff sein muß, damit der gesamte Kohlenstoff in Form von TiC gebunden wird. Nur wenn das Titan zu Kohlenstoff-Verhältnis größer ist als 4, wird gelöstes Titan für die Nitridbildung im Nitrierschritt zur Verfügung stehen. Das Titan, das nicht in Carbidform vorliegt, kann als das freie Titan in der Legierung bezeichnet werden. Im Nitrierschritt bildet das freie Titan stabiles und fein verteiltes Titannitrid, TiN. Dieses Titannitrid bewirkt die Härte der nitrierten Schicht. Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß die maximale Oberflächenhärte von nitrierten, binären Eisenlegierungen mit unterschiedlichen nitridbildenden Legierungselementen etwa umgekehrt proportional zu der Größe der Nitridpartikel ist. Nitrierte Eisen-Titan-(Eisen-Niob-, Eisen-Vanadin--) Legierungen, die durch TiN (NbN, VN) gehärtet sind, zeigen größere Härte als nitrierte Eisen-Aluminium- oder Eisen-Chrom-Legierungen, weil die Größe der Titan-Nitrid-Partikel die kleinste von allen Nitridpartikeln

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ist, die in getempertem Eisen gebildet werden« Der Durchmesser der Titan-Nitrid-Partifcei ist kleiner als 15 ä* Beim Vorliegen von Eisen-Titan-Legiertingen hängt jedoch die Härte der nitrierten Schicht von der Zahl der kleinen TiNHPartikei ab. Es ist gefunden worden, daß die Härte der nitrierten Schicht linear abhängt von dem Titangehalt der Legierung und daß in dem oben angegebenen Bereich des prozentualen Titangehalts _r d.h. von 0,2-3 Gewichtsprozent (bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,03 Gewichtsprozenti, die Härte im Bereich zwischen 500 und 1.600 HV liegt»

In Fig. 2 ist eine Kurve gezeigt, die äi& Abhängigkeit der Härte der nitrierten Schicht von dem Gehalt der Legierung an freiem Titan zeigt« Wegen dieses Effekts, d.h* der Abhängigkeit der Härte von dem Titangehalt, ist die Härte der nitrierten Schicht in einem großen Bereich leicht kontrollierbar durch ein Variieren des Titangehalts der Legierung.

b) Der Einfluß der Legierungseiemente aus der Titan- und Vanadingruppe auf die plastische Deformieirbarkeit von Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt*

Atome mit einem kleinen Durchmesser auf Zwischengitterplätzen/ wie z«B* Kohlenstoff und stickstoff, bilden eine "Atmosphäre"' um Versetzungen, wodurch deren Bewegung und damit die plastische Deföfmieruiig behindert wird * Diese Kohlenstoff- und stickstoffatome werden aus der Lösung durch Titan entfernt, da Titan eine starke Affinität zu Kohlenstoff und Stickstoff hat und deshalb leicht Carbide und Nitride bildet. Als Folge der Entfernung der hinderlichen "Atmosphäre" im Bereich der Versetzungen lassen sich diese relativ leicht bewegen.

Titan beseitigt also zunächst die Streckgrenze und erzeugt einen nicht Ermüdungserscheinungen unterworfenen Stahl und stellt zweitens ein leichtes Gleiten entläng der Gleitflächen sicher, wobei eine relativ große plastische öeformierüng stattfinden kann mit einem nur geringen Härten während des Bearheitens.

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Die Fig. 3 -enthält eine Reihe von Kurven, die das Ergebnis des Kaltwalzens bei einigen Beispielen der beschriebenen Stähle zeigen. In diesen Diagrammen ist auf der Abszisse die prozentuale Dickenverminderung beim Kaltwalzen und auf der Ordinate die Vickers-Härte aufgetragen. Die durchgeführten Prüfungen zeigen, daß für gegebene Zusammensetzungen in einem großen Bereich der plastischen Deformierung aufgrund des Kaltverformens nur eine geringe Härtung eintritt.

c) Einfluß der Metalle der Titan- und Vanadin-Gruppe auf die Festigkeit des Eisens.

Die Härte und Festigkeit von Bisen (mit sehr geringem Kohlenstoffgehalt) das nicht wesentlich durch Abschrecken gehärtet und gefestigt werden kann, wird erhöht durch Titan, das sich in einer festen Lösung in dem Ferrit befindet. Tatsächlich ist Titan ein sehr effektiver Ferritfestiger.

Ausscheidungshärtung von Eisen-Titan-Legierungen, die weniger als 4 % "Titan enthalten, ist auch möglich, vorausgesetzt, daß Nickel oder Silizium in genügenden Mengen vorhanden sind. Die Ausscheidungshärtung wird entweder durch Ni₃Ti oder Titansi licid bewirkt.

3. Aluminium zwischen 0 und 2 Gewichtsprozent, entweder allein oder zusätzlich zu den Elementen der Gruppe IV.B und/oder V.B.

a) Versetzungen, die während des Kaltverformens erzeugt werden, bewirken eine hohe Keimdichte für die Bildung von Aluminiumnitrid (AlN). Entsprechend sind in kaltverformtem Eisen, im Gegensatz zu getempertem Eisen die Aluminiumnitrid-Ausscheidungen klein genug, um der nitrierten Schicht eine ausreichende Härte zu geben.

b) Die Elemente der Gruppe IV.B und V.B entfernen Verunreinigungen von Zwischengitterplätzen im Bereich von Versetzungen.

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Durch dieses Entfernen und wegen der diesen Elementen eigenen " ■ Keimbildungshäufigkeit entstehen zusätzliche Keime für die Aluminiumnitridbildung.

4. Nickel zwischen O und 15 Gewichtsprozent.

a) Nickelgehalt zwischen O und 15 Gewichtsprozent und dessen Einfluß auf die Eigenschaften der Stähle.

Die Anwesenheit von Nickel erhöht die Zugfestigkeit, die Streckgrenze, die Ermüdungsfestigkeit und die Schlagfestigkeit, verbessert die Bearbeitbarkeit von Eisen-Titan-Legierungen ohne ihre Formbarkeit und Nitrierbarkeit zu beeinträchtigen. Diese Wirkungen werden erzielt durch die Bildung fester Lösungen und durch Verkleinerung der Korngrößen.

In der Fig. 4 ist eine Reihe von Kurven gezeigt, die illustrieren, wie die Festigkeitseigenschaften einer aus Eisen, bis zu 0,75 Gewichtsprozent Titan und bis zu 0,03 Gewichtsprozent Kohlenstoff bestehenden Legierung sich verändern, wenn Nickel, Silizium plus Mangan oder die drei Elemente kombiniert der Legierung zugemischt werden. Man ersieht aus diesen Kurven, daß in dieser Eisenlegierung sich durch Zusatz von 5 Gewichtsprozent Nickel, 0,3 Gewichtsprozent Silizium und 0,4 Gewichtsprozent Mangan die Zugfestigkeit von 2950 auf 6700, die Streckgrenze von 1120

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auf 5800 Kilopond/cm erhöhen. Die Legierungen haben vor dem Nitrieren eine Ferritstruktur mit einem kleinen Gehalt an TiC. Die nitrierte Schicht hat nach dem Nitrieren eine Ferritstruktur mit eingebautem TiN und einem kleinen Anteil von TiC. Diese Legierungen haben eine sehr kleine Korngröße, welche gegenüber überhitzungen praktisch unempfindlich ist.

Einfluß des Nickels auf das Nitrieren.

Die Anwesenheit des Nickels behindert nicht die Eindiffusion von Stickstoff, und beeinflußt deshalb nicht die Tiefe und Härte

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der nitrierten Schicht. Nickel verhindert jedoch eine Brüchigkeit der nitrierten Schicht sogar bei sehr großer Härte und macht das Nitrieren unempfindlich gegenüber einer vorangegangenen Oxydation an der Oberfläche.

b) Nickelgehalt zwischen 3 und 15 Gewichtsprozent.

Legierungen mit einem Nickelgehalt zwischen 3 und 15 Gewichtsprozent in Verbindung mit einem Titangehalt von 1,5 bis 3 Gewichtsprozent lassen sich leicht der Ausscheidungshärtung unterwerfen. Die Verbindung, die dazu benutzt werden kann, eine solche Ausscheidungshärtung hervorzurufen ist Ni₃Ti bzw. für den Fall, daß statt Ti ein anderes Legierungselement benutzt wird: Ni₃Nb, Ni₃Zr, Ni₂Hf, Ni₃V, Ni₃Ta. Zur Vorbereitung wird die Legierung bei 1000 C lösungsgetempert, in Wasser abgeschreckt, anschließend kaltgeformt und schließlich in die endgültige gewünschte Form gebracht. Die Ausscheidungshärtung und das Nitrieren finden gleichzeitig statt, indem das fertiggestellte Teil einer einzigen Wärmebehandlung unterworfen wird, die typischerweise 5 Stunden dauert und bei 500 ⁰C durchgeführt wird. Eine Eisenlegierung beispielsweise, die 2 Gewichtsprozent Titan und 5 Gewichtsprozent Nickel enthält, hat nach einer solchen Wärmebehandlung eine

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Kernfestigkeit von IO 9OO Kilopond/cm und die maximale Härte der nitrierten Schicht liegt bei 1200 HV. Diese ausscheidungsgehärteten, nitrierbaren Stähle, die durch Kaltfließverfahren geformt werden können, sind in vorteilhafter Weise als Material für Stanzwerkzeuge, Schneidwerkzeuge usw. geeignet.

Im Innern der Stähle liegt eine Ferritstruktur vor, die außerdem Ni₃Ti und etwas TiC enthält. Die nitrierte Schicht hat dieselbe Struktur und enthält zusätzlich noch TiN.

5. Silizium zwischen 0 und 4 Gewichtsprozent und Mangan zwischen 0 und 1,5 Gewichtsprozent.

Sowohl Silizium als auch Mangan erhöhen die Festigkeit von YO 972 005 A 0 9 8 2 5 / 0 8 7 5

Eisen durch Mischkristallverfestigung. In Legierungen, die zwischen 1,5 und 4 Gewichtsprozent Silizium und zwischen 1,5 und 3 Gewichtsprozent Titan enthalten, kann eine Ausscheidungshärtung erreicht werden, wobei die Verbindung, welche die Ausscheidungshärtung bewirkt, Titansilicid ist. Eine Eisenlegierung, die 1,5 Gewichtsprozent Titan und 3,5 Gewichtsprozent Silizium enthält und 1000° heiß in Wasser abgeschreckt und anschließend 5 Stunden lang bei 500 ⁰C gealtert wurde, hat eine Zugfestigkeit

von 14 400 Kilopond/cm .

6. Schwefel- und Phosphorgehalt wie in.jedem legierten Stahl. Der Nitrierungsprozeß.

Das Nitrieren der Legierungen kann bei irgendeiner Temperatur zwischen 480 und 700 ⁰C stattfinden. Die notwendige Zeit, um eine bestimmte Schichtdicke zu erreichen, nimmt ab mit zunehmender Temperatur (Fig. 1). Die Härte der nitrierten Schicht nimmt mit zunehmender Nitrierungstemperatur im Bereich zwischen 500 und 600 ⁰C zu. Beim Nitrieren bei 650 ⁰C wird eine nitrierte Schicht erhalten, die etwas weniger hart ist als eine bei 600 C erzeugte nitrierte Schicht.'

Die neuen Legierungen können entweder in reinem Ammoniakgas (NI-I₃) oder in irgendeiner Mischung von Ammoniak und Stickstoff oder Ammoniak und Wasserstoff nitriert werden, sofern die Gasmischung mindestens 10 % Ammoniak enthält. Es ist vorteilhaft, einen relativ niedrigen Prozentgehalt an Ammoniak zu verwenden, um die Bildung von brüchigen Eisennitriden möglichst gering zu halten und um die Schichtdicke zu erhöhen. ·

Dimensionsänderungen aufgrund der Nitrierung.

Die bei der Nitrierung auftretende Verdickung der beschriebenen Legierungen beträgt 2,4 μ bezogen auf eine 254 ji dicke. Schicht. Eine Deformation'tritt nicht ein.

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Fig. 5 zeigt" das mit einem geeigneten Aufnahmegerät vor und nach der Nitrierung aufgenommene Profil eines Bandes. Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß beide Profile zueinander parallel sind. Die Verdickung beträgt 5,08 μ. und rührt davon her, daß auf der Unter- und der Oberseite des Bandes je eine 254 u dicke Nitridschicht gebildet worden ist.

In den folgenden Beispielen wird das Nitrieren von Teilen, die aus den hier beschriebenen Stählen hergestellt worden sind, im einzelnen beschrieben.

Beispiel 1

Eine Drucktype für einen Hochgeschwindigkeitsliniendrucker wird hergestellt aus einer Legierung, die von 0,005 bis 0,03 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,5 bis 0,75 Gewichtsprozent Titan, 3,5 Gewichtsprozent Nickel, 0,3 Gewichtsprozent Silizium, 0,4 Gewichtsprozent Mangan und im übrigen aus Eisen besteht. Dieser Stahl hat die folgenden Festigkeitseigenschaften: Zugfestigkeit 5500 KiIo-

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pond/cm , Streckgrenze 4300 Kilopond/cm und Verlängerung 31 %. Die Herstellung der Drucktype beginnt mit dem Ausstanzen, anschließend wird der Buchstabe geformt und den Abschluß bilden eine Reihe von Schleifoperationen. Die fertiggestellte Drucktype wird bei 6OO ⁰C etwa 1 Stunde lang nitriert, um eine 0,2 mm dicke Schicht zu erhalten. Die Härte der nitrierten Schicht liegt bei 800 HV, wenn der Titangehalt bei 0,75 Gewichtsprozent liegt. Es läßt sich keine meßbare Deformation der Drucktype feststellen. Die gleichförmige Verdickung, die etwa 1 % der Dicke der nitrierten Schicht ausmacht, wird bei der Schleifoperation in Rechnung gestellt. Eine Toleranz von ±7,6 μ läßt sich einhalten. Der Vorteil, den man hat, wenn man die Drucktype entsprechend dem in diesem Beispiel beschriebenen Verfahren herstellt, besteht darin, daß anders als bei Drucktypen, die aus gekohlten Stählen hergestellt werden, die Ausrichtoperationen, die notwendig sind, um eingetretene Deformationen auszugleichen, entfallen und dadurch auch die damit verbundenen hohen Kosten vermieden werden.

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Beispiel 2

Ein Zahnrad wird aus einer Legierung hergestellt, die 0,005 bis 0,03 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,75 bis 1,0 Gewichtsprozent Titan, 5,0 Gewichtsprozent Nickel, .0,3 Gewichtsprozent Silizium, 0,4 Gewichtsprozent Mangan und im übrigen aus Eisen besteht. Diese Legierung hat die folgenden Festigkeitseigenschaften. Zugefestig-

2 · 2

keit: 6670 Kilopond/cm , Streckgrenze bei 5 760 Kilopond/cm und Verlängerung 25 %. Die Ermüdungsgrenzen beim Drehbiegen liegen bei folgenden Werten:

getempert	nitriert
2 (in kp/cm )	(in kp/cm²)
4900	7700
2460	4900

poliert
eingekerbt

Es ist offensichtlich, daß die Nitrierung, die Ermüdungsgrenze , ganz wesentlich erhöht.

Das Zahnrad wird zunächst so geschnitten, daß es grob die Dimensionen zeigt, die es schließlich haben soll. Anschließend wird es mittels des Kaltpreßverfahrens in seine endgültige Form gebracht und gleichzeitig wird die Oberfläche geglättet. Anschließend wird bei 600 ⁰C 5 Stunden lang nitriert, um eine 0#3 mm dicke Schicht zu erhalten. Die Härte der nitrierten Schicht liegt bei einem Titangehalt von 1 Gewichtsprozent bei 900 HV.

Die Fig. 6 zeigt eine Kurve, die die Abhängigkeit der Härte der nitrierten Schicht vom Abstand von der Oberfläche illustriert.

Der Vorteil der hier beschriebenen Legierungen besteht darin, daß ein wirtschaftliches Kaltverformungsverfahren angewandt werden kann und daß nach dem Nitrieren die gewünschten endgültigen Dimensionen des Zahnrades vorliegen. Zusätzlich liegen die Ermüdungsgrenze und die Schlagfestigkeit des Zahnrades hoch.

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Beispiel 3

Eine Matrize zum Formen von Drucktypen wird aus einer Legierung hergestellt, die 0,005 bis 0,03 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 1,5 bis 2 Gewichtsprozent Titan, 6,5 Gewichtsprozent Nickel und im übrigen Eisen enthält. Bei der Herstellung der Matrix wird das Negativ eines Buchstabens mittels eines Musterstempels in das aus der lösungsgetemperten (weichen) Legierung bestehende Material gedrückt. Zusätzlich werden die Außenabmessungen des Materials durch Pressen erhalten. Anschließend wird die hergestellte Matrix einer 5 Stunden dauernden Wärmebehandlung bei 500 °C unterworfen, während der eine Ausscheidungshärtung und das Nitrieren vor sich geht. Als Folge dieser Wärmebehandlung nimmt der Kern der

Matrix eine Zugfestigkeit von 11 9OO kp/cm an und die maximale Härte der nitrierten Schicht liegt bei 1200 HV unter der Voraussetzung eines Titangehalts, der nahe bei 2,0 Gewichtsprozent liegt. Der Vorteil bei der Benutzung der hier beschriebenen Stahllegierung liegt zunächst darin, daß die Form des herzustellenden Gegenstandes mittels des Kaltverformungsverfahrens erhalten werden kann und des weiteren, daß die Lebensdauer des hergestellten Gegenstandes wegen der hohen Abriebfestigkeit der Nitridschicht sich erhöht.

Beispiel 4

Eine Autokarosserie oder Teile davon werden aus einem Stahl hergestellt, der O,OO5 bis 0,03 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,3 bis 0,5 Gewichtsprozent Titan, 0,3 Gewichtsprozent Silizium, 0,4 Gewichtsprozent Mangan und im übrigen im wesentlichen aus Eisen besteht. Die Autokärosserie wird hergestellt mittels eines konventionellen Formpreßverfahrens und wird vor dem Anstreichen bei 500 ⁰C 5 Stunden lang nitriert. Beim Nitrieren wird eine O,2 mm dicke, korrosionsresistente Schicht mit einer Härte von etwa 600 HV gebildet.

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Die Vorteile» die sich ergeben, wenn die beschriebenen Stähle benutzt werden, bestehen in der Erhöhung der Härte {elastische Grenze) der Karosserie, wodurch sich auch die Widerstandskraft gegen das Einbeulen erhöht. Die nitrierte Schicht verhindert die Korrosion an den Stellen, an denen der Farbanstrich beschädigt worden ist» Eine Autokarosserie dieses Typs wird nur korrodieren, wenn die Ό,2 ίηΐη dicke nitrierte Schicht durch Abschleifen entfernt wird» Es leuchtet unmittelbar ein, daß, da die Korrosion und das Einbeulen die brauchbare Lebensdauer von Automobilen erniedrigen, durch diese hier beschriebenen Stähle die brauchbare Lebensdauer der Automobile erhöht werden kann. Zusätzlich können die hier beschriebenen Stähle vorteilhaft zum Herstellen von Teilen, die in der Automobil - und in der sonstigen metallverarbeitenden Industrie benutzt werden, verwendet werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Nitrierbare Stahllegierung, gekennzeichnet durch einen Kohlenstoffgehalt zwischen O,OO5 und O,O3 Gewichtsprozent, durch einen Gehalt von mindestens einem Element aus der Gruppe Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadin, Niob, Tantal und Aluminium und durch einen Nickelgehalt zwischen 0 und Gewichtsprozent, einen Siliziumgehalt zwischen 0 und 4 Gewichtsprozent und einen Mangangehalt zwischen O und 1,5 Gewichtsprozent, wobei der verbleibende Rest aus Eisen besteht.

2. Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, sofern vorhanden, der Titangehalt zwischen 0,2 und 3 Gewichtsprozent, der Zirkongehalt zwischen 0,1 und 1 Gewichtsprozent, der Hafniumgehalt zwischen O,l und 1 Gewichtsprozent, der Vanadingehalt zwischen O₇2 und 3 Gewichtsprozent, der Niobgehalt zwischen 0,2 und 3 Gewichtsprozent und der Tantalgehalt zwischen 0,1 und 1 Gewichtsprozent liegt und daß der Aluminiumgehalt bis zu 2 Gewichtsprozent ansteigen kann.

3. Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen 0,5 und 0,75 Gewichtsprozent Titan, 3,5 Gewichtsprozent Nickel, O,3 Gewichtsprozent Silizium, 0,4 Gewichtsprozent Hangan enthält und im übrigen aus Eisen besteht.

4. Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen 0,75 und 1 Gewichtsprozent Titan, 5 Gewichtsprozent Nickel, 0,3 Gewichtsprozent Silizium, 0,4 Gewichtsprozent Hangan enthält und im übrigen aus Eisen besteht.

. Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen 1 und 1,5 Gewichtsprozent

409825/0875

YO 972 005

Titan,

5 Gewichtsprozent Nickel enthält und im übrigen aus Eisen besteht.

6. Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen 1,5 und 2 Gewichtsprozent Titan, 6,5 Gewichtsprozent Nickel enthält und im übrigen aus Eisen besteht.

7. Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2_r dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen 0,3 und 0,5 Gewichtsprozent Titan, 0,3 Gewichtsprozent Silizium, 0,4 Gewichtsprozent Mangan enthält und im übrigen aus Eisen besteht.

4 0-9-8 25/0875

YO 972 OO5

, So .

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