DE2417179A1

DE2417179A1 - Verfahren zur aufkohlung hochlegierter staehle

Info

Publication number: DE2417179A1
Application number: DE2417179A
Authority: DE
Inventors: Roy J Cunningham; Warren Lieberman
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1973-04-10
Filing date: 1974-04-09
Publication date: 1974-10-17
Also published as: FR2225550B3; FR2225550A1; DE2417179C3; CA1018876A; GB1431747A; IT1013105B; US3885995A; JPS5133774B2; DE2417179B2; JPS501930A

Description

DIPL.-ING. O. R. KRETZSCHMA* 2 Hamburg ι

3EIM STROH HAUSE 3* PATENTANWALT RU F 0*0/2* 67 *3

The Boeing Company
SEATTLE / USA

Anwaltsakte :

Verfahren zur Aufkohlung hochlegierter Stähle

(Für diese Anmeldung wird die Priorität der US-Anmeldung No. 3^9 715 vom 10. April 1973 in Anspruch genommen)

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufkohlung hochlegierter Stähle.

Es handelt sich insbesondere um ein verbessertes Verfahren zur Aufkohlung derartiger Stähle, das die Probleme überwindet, die durch die passive Metalloxydschicht verursacht werden, die gewöhnlich mit diesen Stählen verknüpft ist.

Die Härte eines Stahls ist eine Funktion seines Kohlenstoffgehalts. Stähle, die einen Kohlenstoffgehalt von 0,5 % und mehr aufweisen, können im allgemeinen bis zu einem hohen Härtegrad gehärtet werden und sind als hochharte Stähle bekannt. Die Härtbarkeit eines Stahls oder die Fähigkeit, Härte unterhalb der Oberfläche des Stahls zu erzielen, ist eine Funktion seines Gehaltes an Legierungszusätzen. Wenn der Gehalt an Legierungszusätzen unter 2 % liegt, wird der Stahl gewöhnlich als niedriglegiert bezeichnet, bei über 2 % wird der Stahl gewöhnlich als hochlegiert bezeichnet. Wenn die Kombination aus Kohlenstoff und Legierungszusätzen in ihrem Gehalt ausreichen, um 90...95 % Martensit in der Mitte einer Querschnittsßbene zu erzielen, und zwar bei Wärmebehandlung des Stahls mit normalen Mitteln, sagt man, daß die betreffende Stahllegierung durchhärtend sei.

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KONTENi DRESDNER BANK, KONTO-NR. 9229 371 · POSTSCHECK HAMBURG NR. 193766-2ΟΟ

Die von durchgehärteten Stählen im allgemeinen gezeigte Verteilung der Restspannungen umfaßt Zugspannungen an der Oberfläche und bis zu großer Tiefe, sowie Druckspannungen nahe der Mitte der Querschnittsebene.

Lager, Getriebe und andere Metallteile, die sich unter Berührung anderer Metallteile bewegen, unterlieg.en Wechsplbeanspruchungen und werden im allgemeinen als auf Ermüdung beansprucht bezeichnet. Es ist bekannt, daß die Festigkeit gegenüber Ermüdungsbeanspruchung durch die Anwesenheit von Druckspannungen an der Oberfläche verbessert wird. Im Idealfall sollten Getriebe, Lager und ähnliche Teile eine Verteilung der Restspannungen mit Druckspannungen an der Oberfläche und mit Zugspannungen im Kern oder in der Mitte der Querschnittsebene aufweisen. Die Oberflächen sollten gute Oberflächen- und Bi egeschwinerungsfestigkeit aufweisen und gute Bruchfestigkeit und Zähfestigkeit haben. Somit ist die in durchp-ehärteten Stählen entwickelte Spannungsverteilung entgegengesetzt zu der für Anwendungen bei Getrieben und Lagern erforderlichen Spannungsverteilung.

Insbesondere sind die bei durchgehärteten Stählen entwickelten Zugspannungsbeanspruchungen an der Oberfläche schädlich im Hinblick auf die Anforderungen an die Dauer der Beanspruchung auf Umfangsreibung und die Biegewechselfestigkeit, die im allgemeinen mit Lagern und Getrieben verknüpft werden. Daher verschlechtert die Spannungsverteilung in durchgehärteten Stählen vielmehr die Lebensdauer bei Ermüdungsbeanspruchung von Lagern und Getrieben, die aus diesen Stählen gefertigt sind, als daß sie die Lebensdauer verbessert.

Es ist wohlbekannt, daß Legierungen, die eine sehr hohe Härte besitzen und durchgehärtet sind, zur Sprödigkeit und zu schnellem Bruch unter Belastung neigen. Ein Gegenstand oder ein Teil, das gänzlich aus einer solchen Legierung hergestellt ist, wird daher bei Stoßbeanspruchung oder anderen, schnell aufgebrachten Beanspruchungen nicht zufriedenstellend arbeiten. Dies ist besonders zutreffend bei Stählen, wo hohe Kohlenstoffgehalte zur Erzielung hoher Härte verwendet werden.

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Das Verfahren der Einsatzhärtung duich Aufkohlung oder Karburierung und anschließende Härtung ist entwickelt worden, um werkstoffeigene Probleme zu überwinden, die durch hohe Kohlenstoffgehalte in Stählen verursacht v/erden, die für Lager, Getriebe und ähnliche Anwendungen benutzt werden. Bei einem Verfahren zur Einsatzhärtung wird die Oberfläche eines Gegenstandes oder Teils, das aus einem Stahl niedrigen Kohlenstoffßehaltes gefertigt ist, dadurch mit Kohlenstoff angereichert, daß dieser Gegenstand oder dieses Teil in Berührung mit einem Kohlenstoff abgebenden Medium erhitzt wird. Während dieser Behandlung diffundiert Kohlenstoff in den Stahl niedrigen Kohlenstoffgehaltes und erzeugt eine damit angereicherte Schicht, die gewöhnlich zwischen 0,125 und 3,7^ mm dick ist, ,je nach dem endgültigen Verwendungszweck des Gegenstandes oder Teils. Die mit Kohlenstoff angereicherte Schicht, die als Randzone bezeichnet wird, enthält gewöhnlich 0,6 bis 1,3 % Kohlenstoff, während der als Kern bezeichnete verbleibende Teil mit niedrigem Kohlenstoffgehalt gewöhnlich nur ungefähr 0,05 bis 0,3 % Kohlenstoff enthält.

Die tatsächliche Härtung der Randzone wird durchgeführt, indem man das mit Kohlenstoff angereicherte Werkstück oder Teil von einer Tenroeratur her abkühlt, wo die aufgekohlte Randzone völlig oder im wesentlichen austenitisch ist (Austenitbildungstemperatur) , bis zu einer Temperatur, wo sich die Randzone in Martensit umwandelt. Das Erreichen dieser Austenit-Mldungs- oder Härtungstemperatur kann auf mehrere Arten durchgeführt werden. Das Werkstück oder Teil kann bei der Austenitbildungstemperatur oder einer anderen hohen Temperatur aufe-ekohlt werden und direkt anschließend abgekühlt werden, um die Umwandlung in Martensit zu bewirken} oder der Gegenstand oder das Teil kann wieder von der Raumtemperatur bis zur Austenitbildungstemperatur nach vorhergegangener Wärmebehandlung: zur Aufkohlung oder Vergütung erhitzt werden.

Bei der Abkühlung von der Austenitbildungstemperatur her ist das Ziel, eine harte martensitische Feinstruktur in der mit Kohlenstoff angereicherten Zone an der Oberfläche zu erzeugen. Die meisten einsatzgehärteten Stähle erfordern die Abschreckung

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in Öl, Wasser oder geschmolzenen Salzen bei niedrigen Temperaturen, um die Umwandlung des Austenits in der Randzone in unerwünschte weiche Feinstrukturen, die bei Zwischentemperaturen auftreten, möglichst gering zu halten oder zu unterbinden. Die resultierende martensitische Randzone ist sehr hart, sie weist eine Rockwell-Härte von über C 50 und gewöhnlich sogar über C 60 auf.

Andererseits liegt der Kern niedrigeren Kohlenstoffgehalts bei einem niedrigeren Härtegrad nach der Abschreckung und behält somit seine-hohe Widerstandsfähigkeit gegen Stoßbeanspruchung und eine gute Zähfestigkeit. Somit ist die Auswirkung der Einsatzhärtung, daß eine sehr harte, gegenüber Abnutzung und Kerbung widerstandsfähige Oberfläche (Randzone) erzeugt wird und mit einem Kern kombiniert ist, der gute Verformungsfähigkeit und Zähfestigkeit, jedoch geringe Härte, aufweist. Mit Kohlenstoff angereicherte Stahlteile haben eine Restspannungsverteilung mit Druckspannungen auf ihren Oberflächen und Zugspannungen im Kern oder in der Mitte der Querschnittsebene und sind daher insbesondere für Getriebe, Lager und ähnliche Zwecke verwendbar.

Wenn bei Stahl eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung an der Oberfläche und ein hoher Grad an Zähfetsigkeit gefordert werden, wird dieser Stahl gewöhnlich mit einem gewissen Prozentsatz von Legierungszusätzen, gebräuchlicherweise mindestens 2 #, legiert. Hochlegierte Stähle enthalten normalerweise Chrom in der Höhe von ungefähr 2 bis ungefähr 25 Gewichtsprozenten oder mehr, um die Zähfestigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Abnutzung zu verbessern. Weitere Legierungsbestandteile können hochlegierten Stählen beigefügt werden, um ihre Verwendbarkeit für besondere Zwecke zu verbessern. Beispielsweise können Metalle, wie z.B. Vanadium, Wolfram und Molybdän zugesetzt werden, um Stähle zu erzeugen, die ihre Härte bei hohen Temperaturen behalten und gewöhnlich als "warmharte" Stähle bezeichnet werden.

In der Vergangenheit waren Versuche zum Einsatzhärten von hochlegierten Stählen vermittels herkömmlicher Aufkohlungs-

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verfahren zwecks Schafffung der Verwendbarkeit dieser Stähle für Lager, Getriebe und ähnliche Zwecke weitgehend erfolglos wegen der Bildung eines heterogenen, passiven Metalloxyds auf der Stahloberfläche, das die gleichförmige Diffusion von Kohlenstoff in den Stahl verhindert. Die Aufkohlung muß, um wirksam zu sein, in solcher Weise vollbracht werden, daß eine Schicht von Kohlenstoff gleichförmig- durch die gesamte freiliegende Oberfläche eindiffundiert.

Das passive Metalloxyd, vermutlich ein Chromoxyd, bildet sich bei Raumtemperatur und bewirkt die Ausbildung einer Randzone bei der Aufkohlung, die flach, ungleichmäßig und von einem zu niedrigen Härtegrad ist, wenn nicht diese hochlegierten Stähle einer besonderen Vorbehandlung unterzogen werden. Daher sind mit Kohlenstoff angereicherte hochlegierte Stähle im allgemeinen nicht zufriedenstellend bei Verwendung in Getrieben und Lagern, weil sie stellenweise Oberflächenzonen umfassen, die viel weicher sind, als für diese Anwendungen gefordert wird.

In vorbekannten Verfahren wurde häufig versucht, dieses Problem durch eine Vorbehandlung des hochlegierten Stahl dadurch zu beseitigen, daß die passive Schicht durch verschiedene Verfahrensweisen entfernt wurde, und unmittelbar anschließend der Stahl aufgekohlt wurde. Vorbekannte Verfahren zur Beseitigung passiver Schichten litten jedoch unter zahlreichen Nachteilen. Ein derartiges Verfahren schließt beispielsweise die Reinigung der Stahloberfläche mit abschleifenden Partikeln ein. Bei diesem Verfahren müssen die gereinigten Werkstücke aus Stahl unmittelbar nach der Reinigungsbehandlung in den Ofen zur Aufkohlung eingebracht werden, weil sich andernfalls ergibt, daß die passive Schicht sich erneut bildet, wenn das Werkstück der Luft ausgesetzt wird.

Die passive Oxydschicht bildet sich in etwa ein oder zwei Stunden neu, und die Aufkohlungsbehandlung muß innerhalb dieses kurzen Zeitraumes begonnen werden, um schädliche Auswirkungen zu vermeiden. Die meisten vorbekannten Verfahren zur Beseitigung der passiven Schicht leiden unter diesem Nachteil. Noch weitere Verfahren zur Entfernung von passiven Schichten

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ziehen zusätzliche Arbeitsgänge, zusätzliche Geräte und erhöhte Kosten nach sich» ·

Demgemäß ist es in erster Linie Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren zur Aufkohlung hochlegierter Stähle zu schaffen.

Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Aufkohlung hochlegierter Stähle zu schaffen, das die Probleme beseitigt, die durch die Bildung einer passiven Oxydschicht bei niedriger Temperatur auf derartigen Stählen verursacht werden.

Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung , ein Verfahren zur Aufkohlung hochlegierter Stähle zu schaffen, das es gestattet, diese Stähle während eines beträchtlichen Zeitraums zu lagern, bevor sie aufgekohlt werden.

Weiterhin ist es noch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Aufkohlung zu schaffen, das keine besonderen Vorrichtungen erfordert und das herkömmliche Vorrichtungen und Verfahrensweisen in Anwendung bringt.

Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im nachfolgenden Teil dieser Beschreibung dargelegt, werden teilweise aus der Beschreibung klar oder können bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung erkannt werden. Die Lösung der gestellten Aufgaben und die erfindungsgemäßen Vorteile werden durch Vorrichtungen , Verfahren und Kombinationen erreicht, die insbesondere in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt sind.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgaben sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Aufkohlung hochlegierter Stähle vor, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es die Erwärmung des Stahls auf eine hohe Temperatur in einer Oxydationsatmosphäre unter Ausbildung eines bei hoher Temperatur entstehenden Oxyds auf der Stahloberfläche umfaßt, sowie die Aufkohlung des Stahls, der das bei hoher Temperatur entstandene Oxyd aufweist. _409842/0913

Gemäß der vorliegenden Erfindung isb festgestellt worden, daß ein bei hoher Temperatur auf Stahloberflächen gebildetes Oxyd nicht der Aufkohlung im Wege steht und gestattet, daß Kohlenstoff gleichförmig in die Stahloberfläche während des Aufkohlungsvorganges eindiffundiert, um eine harte, gleichförmige Randzone zu schaffen.

Weiterhin verhindert das bei hoher Temperatur entstandene Oxyd die erneute Bildung der bei niedrigen Temperaturen auftetenden passiven Schicht, die die Anreicherung mit Kohlenstoff behindert. Das bei hoher Temperatur auf der Stahloberfläche gebildete Oxyd ist stabil bei Luftzutritt und verbleibt auf dem Stahl während langer Zeiträume, beispielsweise mindestens eine Woche, oder langer. Das bei hoher Temperatur gebildete Oxyd gestattet somit, die Aufkohlung bis zu einer geeigneten Zeit zu verschieben.

Die Oxydation des Stahls erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 955 C bis 1010 ⁰C, meist bevorzugt man eine Temperatur von 982 ⁰C. Der Stahl wird für etwa 50 Minuten bis zu etwa vier Stunden, vorzugsweise zwischen 50 Minuten und einer Stunde, oxydiert. Das Medium zur Anreicherung mit Kohlenstoff , das beim Aufkohlen verwendet wird, hat ein Kohlens^offpotential von 0,6 bis 1,5 #» vorzugsweise von 0,85 # bis 0,95 #.

Bs ist selbstverständlich, daß sowohl die vorhergegangenen allgemeinen Ausführungen als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung als Beispiel und zur Erläuterung dienen und die vorliegende Erfindung nicht einschränken.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein hochlegierter Stahl bis zu einer hohen Temperatur in einer Sauerstoff abgebenden Atmosphäre erhitzt, um bei dieser hohen Temperatur eine Oxydschicht auf der Stahloberfläche auszubilden. Die Sauerstoff abgebende Atmosphäre kann Luft oder ein Gasgemisch sein, das seine Oxydierfähigkeit aufrechterhält und eine Oxydschuppenschicht auf hochlegierten Stählen ergibt, wenn diese in dem weiter unten beschriebenen Temperaturbereich erwärmt werden. Die Oxydationsatmosphäre kann mit einer herkömmlichen Ofenan-

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lage geschaffen werden. Dsr Ofen ist vorzugsweise mit einer Verschlußklappe ausgestattet, die geschlossen werden kann, nachdem der Stahl in den Ofen gelegt worden ist, um zu gewährleisten, daß eine gleichförmige Temperatur im gesamten Ofen erzielt wird. Der Ofen kann mit zwangsumgewälzter Luft oder unter Überdruck stehender Luft während des Oxydationsyorganges beaufschlagt werden, um ausreichende Oxydationsbedingungen sicherzustellen. Der Ofen kann auch mit normaler, stil]stehender Luft arbeiten.

Die erfindungsgemäß behandelten Stähle sind warmhärtbare, hochlegierte Stähle, die im allgemeinen einen Gehalt von Legierungszusätzen von mindestens 2 % und vorzugsweise 5 # aufweisen, um diesen Stählen Widerstandsfähigkeit gegenüber Abnutzung und eine vergrößerte Zähfestigkeit zu verleihen. Diese Stähle enthalten im allgemeinen Chrom im Bereich von 2 bis 25 oder mehr, als Grundlegierungselement. Sie enthalten ferner O,OS bis 0,3 # Kohlenstoff.

Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Stähle sind vorzugsweise Stähle vom martensitischen Typ und schließen die in den Vereinigten Staaten unter der Handelsbezeichnung "Vasco X2^M und "Modified Vasco X2" bekannten Stähle ein, die von der Firme ^HTeledyne Vacso Latrobe", Pennsylvanien, V.St.A. gehandelt werden, ferner Werkzeugstahl mit der Bezeichnung "Modified H11^H und Edelstahle, wie beispielsweise Edelstahl mit der Handelsbezeichnung "4-16^H. Neben ihrer Eigenschaft, hochlegierte Stähle zu sein, sind diese Stähle warmhart und besitzen die Fähigkeit, einen großen Anteil ihrer bei Raumtemperatur vorhandenen Festigkeit auch bei erhöhten Temperatu-r ren zu behalten. Typische Zusammensetzungen einer Anzahl für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneter Stähle sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt.

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TABELLE 1
(Legierungszusätze in %)

Stahlsorte "Modified "Vasco X2" Vasco X2"

Werkzeugstahl Edelstahl "Modified H11"

Kohlenstoff
Silizium
.Mangan
Schwefel
Phosphor
Wolfram
Chrom
Vanadium
Molybdän
Selen

0,13-0,16 0,80-1,00 0,20-0,40 max.0,015 max.0,015 1,20-1,50 4,75-5,25 0,40-0,50 1,30-1,50

0,20-0,25 0,80-1,00 0,20-0,40

max.0,015' max.0,015 1,20-1,50

4,75-5,25

" 0,40-0,50

1,30-1,50

0,20-0,25 0,80-1,00 0,20-0,40 max.0,03 max.0,03

4,75-5,25 0,40-0,60 1,20-1,40

max.0,15 0,80-1,00 1,15-1,25 max.0,03⁺ min.0,07

12,0-14,0

max.0,60 min.0,70

⁺Bei Abwesenheit von Selen soll der Schwefelgehalt 0,15 - 0,40 # betragen.

Andere hochlegierte Stähle, die nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, schließen Schnellstähle und Werkzeugstähle ein, die mehr als 2 # Chrom enthalten.

Die erfindungsgemäß geeigneten Stähle werden nach vorbekannten Verfahren hergestellt und behandelt.Die Stähle werden vorzugsweise in Elektroöfen oder Vakuumschmelzanlagen geschmolzen, darauf folgt die Verformung, das Anlassen und die spanabhebende Grobbearbeitung für Getriebeteile, Lager und andere Werkstücke. Im allgemeinen werden diese Stähle nach der vorgenannten Grobbearbeitung mit Kohlenstoff angereichert. Erfindungsgemäß werden die grob bearbeiteten Stahlwerkstücke in die Oxydations-Atmosphäre bei hoher Temperatur und vor der Aufkohlung eingebracht.

Während des Verfahrensschritts der Oxydation nach der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur der Oxydationsatmosphäre zwischen etwa 538 ⁰C und etwa 1037 °C aufrechterhalten, um das bei hoher Temperatur entstehende Oxyd auf der Stahloberfläche zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrensschrittes der Oxydation wird die Oxydations-Atmosphäre auf einer Temperatur zwischen etwa 955 ⁰C und 1010 ⁰C gehalten,

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wobei eine Temperatur von 9^2 ⁰O gegenwärtig als Optimum angesehen wird. Bei Anwendung einer zwischen 955 C und 1010 ⁰C liegenden Temperatur wurde festgestellt, daß eine kürzere Zeit gebraucht wird, um ausreichendes, bei hoher Temperatur entstehendes Oxyd zu bilden, wie es für die nachfolgende, gleichförmige Aufkohlung bestimmt ist, und daß der Stahl direkt, ohne eine vorhergehende Reinigungsbehandlung, oxydiert werden kann.

Obwohl es nicht wesentlich ist., den Stahl vorher zu reinigen, wenn Oxydationstemperaturen von 955 bis 1010 ⁰C angewendet werden, zieht man es vor, einen solchen Verfahrensschritt zu gebrauchen, um eine saubere Oberfläche für die Bearbeitung zu schaffen. Diese vorhergehende Reinigung des Stahls kann in herkömmlicher Weise vollbracht werden, wie z.B. durch Anwendung eines Abblasverfahrens mit Alumiumoxydgrieß oder einem Grieß aus einem komplexen Alumium/Eisensilikat. Gegenwärtig wird Aluminiumoxyd wegen seiner wirksameren Reinigungsfähigkeit vorgezogen.

Bei Anwendung von Oxydationstemperaturen von 955 bis 1010 ⁰C kann der Stahl für etwa 30 Minuten bis zu vier Stunden in der Oxydations-Atmosphäre gehalten werden. Vorzugsweise wird der Stahl während eines möglichst kurzen Zeitraumes in der Oxydations-Atmosphäre belassen, wie beispielsweise JO Minuten bis zu einer Stunde, weil der Stahl während der Oxydationsbehandlung zur Entkohlung neigt.

Der Stahl muß ausreichend lange in dem Ofen belassen werden, um das gesamte Werkstück auf die Temperatur des Ofens zu bringen. Im allgemeinen wird das Stahlwerkstück im Ofen für eine Dauer von einer Stunde pro 2,5 cm seiner Dicke durchgeglüht.

Temperaturen über 1010 C bewirken die Erzeugung eines ausreichenden, bei hoher Temperatur sich bildenden Oxyds, aber deratige Temperaturen beschleunigen die Entkohlung der Stahloberfläche, die während des Verfahrensschritts der Oxydation auftritt und unerwünschtes Kornwachstum an der Oberfläche des

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Werkstücks ergeben kann. Andererseits nimmt die zur Ausbildung eines ausreichenden Oxyds bei hoher Temperatur benötigte Zeit zu, wenn die Temperatur beim Verfahrensschritt der Oxydation unter 955· C erniedrigt wird.

Bei niedrigen Oxydationstemperaturen im Bereich von 538 ⁰G bis zu etwa 955° wird es ,notwendig, einen vorhergehenden Arbeitsgang zur Reinigung anzuwenden und den gereinigten Stahl in die Oxydationsatmosphäre einzubringen,bevor sich die passive Schicht neu bilden kann. Obgleich eine vorhergehende Reinigung notwendig ist, um die nachfolgende, gleichmäßige Anreicherung mit Kohlenstoff sicherzustellen, wenn Oxydationstemperaturen von 538 ⁰C bis zu unterhalb von etwa 955 ⁰C angewendet werden, so weist dieser Verfahrensschritt nicht die Probleme auf, die mit der vorbekannten Verfahrensweise der Reinigung unmittelbar vor der Aufkohlung verknüpft sind. Die Dauer der Aufkohlung beträgt gewöhnlich mehrere Stunden, z.B. 6 bis 30 Stunden, und wenn einmal der Aufkohlungsvorgang begonnen hat, kann der zur Aufkohlung dienende Ofen nicht mehr geöffnet werden, um weitere Werkstücke aufzunehmen. Daher kann der vorbekannte Verfahrensschritt der Reinigung der Werkstücke nur ausgeführt werden,nach der Verfügbarkeit.des Aufkohlungsofens. Weiterhin könnte lediglich die Anzahl von Werkstücken in den Aufkohlungsofen eingelegt werden, die in der kurzen Zeit gereinigt werden können, die die passive Oxydschicht benötigt, um sich neu zu bilden. Die Zeit zur Bildung des Oxyds bei hoher Temperatur gemäß der vorliegenden Erfindung ist verhältnismäßig kurz, und Werkstücke aus Stahl können in einen Flammofen zu jedem Zeitpunkt seines Betriebes eingelegt und dort oxydiert werden.

Folglich ist der vorhergehende Verfahrensschritt der Reinigung, der in der vorliegenden Erfindung angewendet wird, nicht auf den Zeitraum beschränkt, in welchem er vollständig durchgeführt werden kann, oder durch die Anzahl von Werkstücken begrenzt, die in der kurzen Zeit vorbereitet werden können, die die

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passive Schicht benötigt, um sich neu zu bilden.

Nachdem der Stahl in der Oxydations-Atmosphäre erwärmt worden ist, um bei hoher Temperatur das Oxyd auf seiner Oberfläche zu bilden, wird er aus dem Ofen entfernt, und man läßt vorzugsweise zu, daß er an der Luft abkühlt. Der Stahl kann langsam durch Luft bis zur Raumtemperatur oder durch eine Kombination von Luftkühlung und nachfolgender Wasserkühlung abgekühlt werden. Sobald sich einmal das Oxyd bei hoher Temperatur auf dem Stahl gebildet hat, kann der Stahl während langer Zeiträume an der Luft verbleiben, bevor die Aufkohlungsbehandlung begonnen wird. Somit kann der Stahl länger an der Luft bleiben, als für den Zeitraum von einer oder zwei Stunden, dessen es bedarf, um die passive Oxydschicht neu zu bilden. Der Stahl kann an der Luft während eines Zeitraumes von mindestens einer Woche gelassen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren weicht also von vorbekannten Behandlungsverfahren ab, wo die Aufkohlung unmittelbar nach dem Verfahrensschritt der Vorbehandlung folgen muß. Die erfindungsgemäß behandelten Stähle können, wenn gewünscht, sofort nach ihrer Entnahme aus dem Oxydationsofen mit Kohle angereichert werden, aber aufgrund der Anwesenheit des bei hoher Temperatur gebildeten Oxyds auf ihrer Oberfläche können sie auch zu einem späteren Zeitpunkt aufgekohlt werden. Polglich ist dem Hersteller eine größere Flexibilität bei der Durchführung der Aufkohlung gegeben.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht, große Anzahlen von Werkstücken zum Karburieren vorzubereiten, während vorbekannte Verfahren zur Vorbehandlung nur die Anzahl von Werkstücken zu karburieren gestatten, die in dem kurzen Zeitraum gereinigt werden können, dessen es bedarf, bis die passive Oxydschicht sich neu gebildet hat. 409842/0913

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Vorztigsweise wird der Stahl vor der Aufkohlung mit einer Schutzschicht auf den Flächen versehen, die nicht aufgekohlt werden sollen. Dies ist eine bei der Aufkohlung herkömmliche Verfahrensweise, und so werden nur die Teile der Werkstücke aufgekohlt, die eine harte Randzone wegen der Berührung mit anderen Oberflächen erfordern. Die Schutzschicht ist vorzugsweise ein Kupferüberzug und wird dadurch geschaffen, daß die Flächen, die aufgekohlt werden sollen, mit einem harten Wachs abgedeckt werden, und diejenigen Flächen frei bleiben und damit aufnahmefähig für den Kupferüberzug werden, die nicht aufgekohlt werden sollen. Nach herkömmlichen Verfahrensweisen wird der Stahl sodann mit Kupfer derart überzogen, daß eine mindestens 0,025 mm dicke Kupferschicht auf jenen Flächen gebildet wird, die nicht aufgekohlt werden sollen.Die Abdeckung aus hartem Wachs wird sodann durch gebräuchliche Mittel, wie beispielsweise eine heiße alkalische Reinigung, entfernt, um die Flächen freizulegen, die aufgekohlt werden sollen.

Wie oben festgestellt, neigt Stahl während der Oxydation bei hoher Temperatur zur Entkohlung, und wenn Stahl einen Kupferüberzug erhält, um einige Flächen vor der Karburierung abzudecken, dann können die abgedeckten Flächen einen niedrigeren Kohlenstoffgehalt aufweisen, als erwünscht ist. Um dieses Problem zu überwinden, können die Werkstücke aus Stahl in den Zonen überdimensioniert werden, die nicht aufzukohlen sind» Die überdimensionierte Materialschicht, die während des Oxydationsvorgangs entkohlt wird, kann nach der Härtungsbehandlung abgetragen warden, um eine Oberfläche übrigzulassen, die den richtigen Kohlenstoffgehalt aufweist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das gesamte Stahlwerkstück aufgekohlt werden, wodurch der Kohlenstoff zurückgegeben wird, der während des Verfahrensschrittes der Oxyda- . tion bei hoher Temperatur verlorengegangen war, und man bildet also praktisch eine mit Kohlenstoff angereicherte Randzone um das gesamte Werkstück herum. Oder dem Stahl wird vor dem Oxydationsvorgang eine Schutzbeschichtung auf denjenigen Flächen verliehen, die nicht karburiert werden sollen, um Entkohlung zu verhindern. Die Schutzbeschichtung ist vorzugsweise eine

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keramische Beschichtung, die" dadurch gebildet wird, daß man das Material mit Handelsbezeichnung "Ceram-Guard" aufbringt, das in den Vereinigten Staaten von der Firma "Α_βΟ_β Smith Corp, Glass Coating Division," Milwaukee, Wisconsin, V₀St.A., gehandelt wird. Das Material "Ceram-Guard" kann durch Bestreichen, Besprühen oder Eintauchen aufgebracht werden. Eine unter der Handelsbezeichnung "Ceram Guard CG-11" bekannte Grundierun^smasse wird zunächst aufgebracht, dieser'folgt die Aufbringung einer unter der Handelsbezeichnung "Ceram Guard CG-16" bekannten Versiegelungsmasse.

Erfindungsgemäß wird der mit einer bei hoher Temperatur gebildeten Oxydschicht versehene Stahl durch herkömmliche Aufkohlungsverfahren karburiert. Daher wird die Karburierung oder Aufkohlung in einem herkömmlichen Einsetzofen oder einer herkömmlichen Einsetzkammer durchgeführt, die ein herkömmliches Aufkohlungsmittel in fester oder flüssiger Phase oder eine dosierbare Atmosphäre enthält, die aus einem Trägergas und einem Anreicherungsgas zusammengesetzt ist. Vorzugsweise wird eine dosierbare Atmosphäre verwendet. Die angewendete Aufkohlungstemperatur kann von 84-4- ⁰C bis 1150 ⁰C variieren, wobei ein Wert bei 926 ⁰C vorgezogen wird.

Der Begriff "Anreicherungsgas¹¹, wie er in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bezeichnet ein Kohlenwasserstoffoder CH.-Gas und umschließt Naturgas, verhältnismäßig reines Methan, Äthan, Propan oder andere Hydrokarbonate oder Oxyhydrokarbonate, die dem Methan insofern gleichweritg sind, als sie ebenfalls als Anreicherungsgase bei der Karburierung bekannt sind.

Das Kohlenstoffpotential im Aufkohlungsofen wird oberhalb von 0,6 bis 1,5 % gehalten. Dies wird Messung des Taupunktes der eintretenden Gase und/oder durch eine Infrarot-Kohlendioxydanalyse der tatsächlich im Aufkohlungsofen befindlichen Gase überwacht. Das Kohlenstoff potential eines Strömungsmittels, wie es in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zeigt den Kohlenstoffgehalt an, bis auf welchen dieses Strömungsmittel

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Stahl bei Erreichen des Gleichgewichtszustandes mit Kohlenstoff anreichert. Üblicherweise wird das Kohlenstoffpotential in Kohlenstoff-Prozenten in dünnen Streifen eines Stahls niedrigen Kohlenstoffgehaltes (0,10 # oder weniger) geraessen, wobei diese Streifen im wesentlichen in einen Gleichgewichtszustand mit der Gasatmosphäre gebracht worden sind und im wesentlichen einen gleichförmigen Kohlenstoffgehalt durch den ganzen Streifen hindurch aufweisen. Das Kohlenstoffpotential hängt ebenfalls von der Temperatur abj zumindest innerhalb des Tenrneraturbereichs der Austenitbildung nimmt das Kohlenstoffüotential eines Gases gleichbleibender Zusammensetzung umgekehrt mit der Temperatur zu.

Das bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendete Kohlenstoffpotential liegt vorzugsweise zwischen 0,85 und 0,95 $· Dieses Kohlenstoffpotential ist leichter zu erreichen und zu steuern als höhere Kohlenstoffpotentiale und vermeidet im wesentliche^ die abzulehnenden Karbidnetze, die dazu neigen, sich an der Stahloberfläche zu bilden, wenn höhere Kohlenstoffpotentiale angewendet werden. Die Ausbildung derartiger Karbidnetze wird auch verringert, indem die Dauer des Oxydationsvorganges verkürzt, und/oder die Dauer des Härtungsvorganges bei dem Verfahren verlängert wird,.

Während des Verfahrensschritts der Aufkohlung nach der vorliegenden Erfindung diffundiert Kohlenstoff in den Stahl ein und erzeugt eine mit Kohlenstoff angereicherte Schicht oder Randzone. Gewöhnlich wird die mit Kohlenstoff angereicherte Schicht oder Randzone gebildet, um eine "effektive" Randzonendicke von 0,125 bis 3ι75 mm bei dem fertigen Werkstück in Abhängigkeit von dem endgültigen Verwendungszweck des Gegenstands oder des Teils zu erzeugen. Vorzugsweise liegt die "effektive" Randzonendicke des fertigen Werkstücks zwischen 0,5 und 3 mm.

Die Dauer der Aufkohlung hängt von der gewünschten "effektiven" Randzonendicke ab. Wie bei der vorliegenden Erfindung angewendet, bezieht sich der Begriff der "effektiven" Randzonendicke auf den

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senkrechten Abstand von der Oberfläche der Randzone bis zu einem Punkt, wo die Härte dem Wert C 50 der Hockwell-Härteskala gleichwertig ist. Daher können die Stähle mindestens etwa 4- Stunden lang oder höchstens etwa 30 Stunden .lanp; karburiert werden. Typischerweise , bei Anwendung eines Kohlenstoff potential s von 0,85 "bis 0,95 % und einer Aufkohlungstemperatur von 926 ⁰C₅ erzeugt eine Aufkohlung von 6 Stunden Dauer eine "effektive" Randzonendichte von 0,75 bis 1,0 mm, eine Aufkohlung von 1? Stunden Dauer erzenst eine "effektive" Randzonendicke von 1,4- bis 1,65 mm, und eine Aufkohlung von 30 Stunden Dauer erzeugt eine "effektive" Randzonendicke von 2,25 bis 2,5 mm.

Der für den Verfahrensschritt der Aufkohlung verwendete Ofen kann ein Ofen der gebräuchlichen Art für Postenbetrieb, wie beispielsweise ein Schacht- oder ein Kastenofen sein. Bei herkömmlicher Verfahrensweise wird der Stahl in den Aufkohlungsofen bei einer Temperatur von 815 0 eingebracht und bei Abwesenheit des Anreicherungsgases auf eine Temperatur von etwa 926 °c gebracht. Wenn die Aufkohlungstemperatur erreicht ist, wird das Anreicherungsgas in den Ofen eingeleitet. Soweit dieses Verfahren nach der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann, werden die oxydierten Stahlwerkstücke in einen Aufkohlungsofen geladen, der auf der Aufkohlungstemperatur gehalten wird, und unmittelbar daran anschließend wird Anreicherungsgas in den Ofen eingeleitet. Nach Ausführung der Aufkohlung wird der Stahl im Aufkohlungsofen auf 815 ⁰C abgekühlt, aus dem Ofen entfernt und durch Luft gekühlte Sodann wird der Stahl einer herkömmlichen, der Aufkohlung folgenden Härtungsbehandlung unterzogen, die für den ,jeweils verwendeten Stahl geeignet ist·

Bei einem Stahl der Handelsbezeichnung "Vacso X2" oder "Modified Vasco X2" bestünde beispielsweise eine übliche Härtungsbehandlung darin, den Stahl zuerst bei 315 ⁰C zwei Stunden lang zu tempern, um Spannungen zu beseitigen, dann den Kupferüberzug zu entfernen und anschließend eine Reinigung· durch Abblasen mit Partikeln aus Alumiumoxyd oder einem komplexen

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Aluminium/Eisensilikat durchzuführen. Der Stahl wird abgeblasen, um ihn für einen neuen Kupferüberzug auf seiner ganz,en Oberfläche vorzubereiten, zwecks Verhinderung der Entkohlung während der nachfolgenden Härtung. Nach der Reinigung durch Abblasen wird eine dünne Nickelschicht (0,0075 mm) auf den Stahl aufgebracht, um seine Oberfläche zu aktivieren und sie für den Kupferüberzug zu grundieren· Der Kupferüberzug, vorzugsweise von zumindest 0,025 mm Dicke, wird sodann auf der gesamten Stahloberfläche'aufgebracht. Anschließend kann der Stahl bis auf 622 ⁰C drei Stunden lang erwärmt werden, um die Haftfähigkeit des Kupferüberzuges zu prüfen. Nach dieser Erwärmung wird der Stahl einer Abblasung mit Glaspartikeln , unterzogen, um die Qualität des Kupferüberzuges noch weiter zu beurteilen. Jede Blasenbildung oder Jeder Riss in dem Kupferüberzug während der Abblasung mit Glaspartikeln zeigt an, daß der Überzug schadhaft ist und ersetzt werden sollte.

Nachdem der Kupferüberzug geprüft worden ist, wird der Stahl auf die Härtungstemperatur gebracht. Ein Stahl mit der Handelsbezeichnung "Vasco X2" kann beispielsweise 30 Minuten lang bei 786 °C vorgewärmt und dann auf 1010 ⁰C erhitzt werden, um den Resamten Stahl in Austenit umzuwandeln. Der Stahl wird sodann einer Abschreckung in öl unterworfen, um das Austenitgefüge in Martensit umzuwandeln. Innerhalb von 30 Minuten nach der Abschreckung in öl wird der Stahl vorzugsweise bei einer Temperatur von -73 bis -84 ⁰O tiefgefroren. Der Stahl wird drei Stunden lang in diesem tiefgefrorenen Zustand gehalten, um die Umwandlung des gesamten oder zumindest von 95 # des Austenits in Martensit zu gewährleisten. Der Stahl wird aus der Tiefgefrierkammer entnommen und einer doppelten Temperung bei 315 C unterzogen, wobei jede Temperung zwei Stunden dauert. Dies verringert innere Spannungen und vergrößert die Zähfestigkeit und die Verformungsfähigkeit des Stahls. Der Stahl wird ■ sodann durch Abblasen gesäubert, der Kupferüberzug wird entfernt, das Werkstück .wird nochmals abgeblasen und erfährt eine abschließende, spanabhebende Bearbeitung.

Somit schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Aufkohlung oder Karburierung hochlegierter Stähle, die hohe Be-

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lastungsfähigkeit zeigen. Diese Stähle können sowohl für Getriebe- als auch für Lager-Anwendungen gebraucht werden und haben eine bedeutend größere Standzeit. Es werden keine ausgefallenen oder besonderen Anlagen zur Wärmebehandlung, wie besondere Öfen oder besondere Gasgemische, benötigt, und herkömmliche Anlagen zur Aufkohlung können verwendet werden. Die Kosten für die Aufkohlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind im wesentlichen dieselben, wie die Kosten einer herkömmlichen Aufkohlung»

Zur Veranschaulichung werden die folgenden Ausführungsbeisniele gegeben, um die Grundzüge der vorliegenden Erfindung noch weiter zu erläutern. Diese Ausführungsbeispiele sind lediglich veranschaulichend und sind nicht als einschränkend im Sinne der vorliegenden Erfindung und des ihr zugrundeliegenden Prinzips zu verstehen. Alle hier genannten Prozentsätze sind Gewichtsprozente, wenn nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1

Ein Werkstück aus dem Stahl der Handelsbezeichnung "Modified Vasco X2" wird spanabhebend bearbeitet und für die Prüfung in die Form eines Getriebeteil-Rohlings gebracht, unter Benutzung von Aluminiumoxyd-Grieß gesäubert und dann eine Stunde lang auf 982 ⁰C innerhalb der Oxydations-Atmosphäre eines Flammofens im Labor erhitzt. Der Getriebeteil-Rohling wird aus dem Ofen entnommen und durch Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach 21 Stunden an der Luft bei Raumtemperatur wird der Rohling 12 Stunden lang bei 926 ⁰C karburiert, unter Verwendung eines Kohlenstoffpotentials von 1,25 bis 1,35 % · Der Getriebeteil-Rohling wird aus dem Ofen entnommen und zunächst mit einer Nickelschicht von mindestens 0,0075 nim überzogen. Der Getriebeteil-Rohling aus Stahl wird durch Vorerwärmung auf 786 ⁰C während 30 Minuten und anschließende Erwärmung auf eine Härtungstemperatür von 1010 ⁰C und Aufrechterhaltung dieser Temperatur während 30 Minuten für die Härtung behandelt. Dann wird der Stahl in Öl abgeschreckt und innerhalb von 30 Minuten in eine Tiefgefrierkammer bei -73 bis -84 ⁰C für eine Dauer von

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drei Stunden eingebracht. Dann erhält der Stahl eine doppelte

Temperung bei

C, wobei jede Temperung zwei Stunden dauert.

Der Kupferüberzug wird entfernt, und das Werkstück wird durch abschleifende Abblasung gesäubert.' Dann erhält der Getriebeteil· Rohling eine endgültige, spanabhebende Oberflächenbearbeitung. Der gehärtete Rohling wird auf seine Härte an Stellen an seiner Wurzel und an seiner-Flanke geprüft. Die Härte des Getriebeteil-Rohlings an verschiedenen Tiefen unter seiner Oberfläche ist in der Tabelle 2 für jeden der geprüften Abschnitte angegeben.

TABELLE 2

Wurzel

Flanke

Tiefe unter der Oberfläche ( mm )	Härte (Rockwell G)	Tiefe unter der Oberfläche C mm )	Härte (Rockwell G)
0,228	63,0	0,304	63,5 '
0,482	62,3	0,558	62,6
0,736	61,0	0,812	60,6
0,990	59,5	1,066	57,6
1,243	55,3	1,320	54,1
1,498	51,0	■ 1,573	50,8
- 1,752	48,5	1,830	48,0

Ein mit diesen Kennwerten angefertigtes Diagramm zeigt, daß das Getriebeteil im wesentlichen gleichförmig mit Kohlenstoff über seine gesamte Oberfläche angereichert ist und keine Uneegelmäßigkeiten in der Aufkohlung zeigt.

AUSIUHRUNGSBEISPIEL 2

Ein aus Stahl mit der Handelsbezeichnung "Modified Vasco X2" gefertigtes Getriebeteil wird durch mechanisch abschleifende Abblasung unter Verwendung von Aluminiumoxydgrieß gereinigt und dann eine Stunde lang auf 982 ⁰C in einer Oxydations-Atmosphäre in einem Flammofen der handelsüblichen Fertigung

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erhitzt. Eine Luftzuführungslextung ist an den Ofen angeschlossen, und eine unter Überdruck stehende Luftmenge von 11,3 nr/Stunde wird durch den Ofen geleitet. Das Getriebeteil wird aus dem Ofen entnommen und durch Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach .18 Stunden an der Luft bei Raumtemperatur wird das Getriebeteil bei 926 ⁰C während 10 Stunden unter Verwendung eines Kohlenstoffpotentials von 0,85 bis 0,95 % aufgekohlt.

Das Getriebeteil wird aus dem Ofen entnommen und zuerst mit einer Nickelschicht von maximal 0,0075 mm überzogen, unmittelbar darauf folgt das Überziehen mit Kupfer von einer Schichtdicke von mindestens 0,025 mm. Das Getriebeteil wird dadurch gehärtet, daß der Stahl 30 Minuten lang auf 786 C vorgewärmt wird und dann bis zu einer Härtungstemperatür von 1010 ⁰G erhitzt und bei dieser Temperatur 30 Minuten lang belassen wird. Dann wird der Stahl mit Öl abgeschreckt. Der Stahl wird innerhalb von 30 Minuten in eine trockene Kammer verbracht und erfährt eine Tiefgefrierung von -73 bis -84- ⁰C von drei Stunden Dauer. Dann erhält der Stahl eine doppelte Temperung bei 315 °C, wobei ,jede Temperung zwei Stunden dauert. Dann wird das Kupfer durch gewöhnliche chemische Mittel entfernt. Nach Entfernung des Kupfers erfährt das Werkstück eine Abblasimg mit Glaspartikeln· Dann unterzieht man das Getriebeteil einer abschließenden, spanabhebenden Oberflächenbearbeitung. Tabelle zeigt die Ergebnisse der Härteversuche, die in unterschiedlichen Tiefen unterhalb der Oberfläche des Getriebeteils an Stellen an seiner linken und rechten Flanke und an der Wurzel durchgeführt wurden.

Ein mit diesen Kennwerten angefertigtes Diagramm zeigt, daß das Getriebeteil im wesentlichen gleichförmig mit Kohlenstoff über seine gesamte Oberfläche angereichert ist und keine Unregelmäßigkeiten in der Aufkohlung zeigt.

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TABELLE 5

Linke Planke

Rechte Flanke

Wurzel

Tiefe unter Härte Tiefe unter Härte Tiefe unt_o Härte der Oberfläche (Rock- d«, Oberfle (Rock- d. Oberfl. (Rock-( ram) well C) ( mm ) well 0) ( mm ") well C)

0,203	62,7	0,228	62,1	0,254	61,8
0,457	61,6	0,482	61,0	0,508	60,0
0,711	60,0	0,736	59,6	0,762	57,0
0,965	56,0	0,990	55,7	1,016	52,6
1,219	51,5	1,243	52,0	1,270	50,0
1,471	47,0	1,498	48,0	1,524	——

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 3

Eine Reihe von Probestücken wird abschließend durch Abblasen unter Verwendung von Aluminiumoxyd-Grieß gereinigt und dann eine Stunde lang auf 982 ⁰C in der Oxydations-Atmosphäre eines Fertigungsofens erhitzt, dem eine unter überdruck stehende. Luftmenge 11,3 nr/Stunde zugeführt wird. Die Probestücke werden aus dem Flammofen entnommen, durch Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt und über Nacht bei Raumtemperatur an der Luft für die Dauer von etwa 24 Stunden belassen, bevor sie aufgekohlt werden. Die Probestücke sind drei Sätze von 5/8-Zoll-Walzenrohlingen. Jeder Satz umfaßt fünf durch Getriebe miteinander zu kormelnde Walken und wird bei ,-jeweils einer anderen Temperatur gehärtet. Jede der fünf Walzen eines Satzes wird bei einer Aufkohlungstenrneratur von 926 ⁰C und bei einem Kohlenstoffpotential von 1,25 bis 1,35 % verschieden lange karburiert. Die erste Walze eines ,jeden Satzes wird S Stunden karburiert,' und ,jede nachfolgende Walze wird ,jeweils 5 Stunden länger als die ,jeweils vorhergehende Walze karburiert. Ein Satz von Walzen wird 30 Minuten lang bei einer Temperatur von 982 °C p-ehärtet, ein zweiter Satz 30 Minuten lang bei 1010 ⁰C, und

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ein dritter Satz 30 Minuten lang bei 1037 C Die Tiefe der Zone mit den Härtegraden C-50 und G 60 der Rockwell-Härteskala wird für jede Walze bestimmt und ist in Tabelle 4 dargestellt, darunter ist auch das Verhältnis■der Tiefen der Härtezone mit dem Wert G 60 zur Härtezone mit dem Wert C 50 nach der Rockwell-Härteskala angegebene Dieses Verhältnis gibt eine Aussage über die Wirksamkeit der Aufkohlung.

	Aufkohlungs- dauer (Stdn)	TiefeCmm) Härtezoiie C 60 fRockwell)	Tiefe(mm) Härtpzone C 50 f "Rockwell)	im Ofen
TABELLE 4	5	0,546	1,091	Verhältnis G 60/ C SO (Rockwell)
	10	0,584-	1,472	0,500
	15	0,736	1,830	0,397
Randzonentiefe als Funktion der Aufkohlungsdauer	20	0,812	2,030	0,41o
Härtungs— temperatur	25	0,837	2,272	0,400
982	5	0,597	1,193	0,369
982	10	0,876	1,600	0,500
982	15	0,952	1,891	0,548
982	20	1,030	2,003	0,503
982	2S	1,042	2,182	0,513
1010		0,603	1,270	0,477
1010	10		1,561	0,480
1010	1S	0,876	1,830	0,496
1010	?0	1,142	2,272	0,479
1010	?S	1,243	2,537	0,S47
1037		0,489
1037
1037
1037
1037

Die Gleichförmigkeit der ÄufkohluriK aller Probestücke ist annehmbar. Die Ergebnisse aus der Aufkohlung von 5 Stunden Dauer sind besonders interessant, weil sie zeigen, daß annähernd 0,6 mm tiefe Zonen mit einer Rockwell-Härte von G 60 bei /jedem Probestückferzielt wurden. Dies bedeutet,- daß auf einer Fläche, wo eine geringe RandKonentiefe gefordert ist, maximal eine

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Metallschicht von 0,5 ium während einer nachfolgenden Abschleifoder sonstigen Oberflächenbearbeitung entfernt werden kann, und das Werkstück noch eine Rockwell-Härte von C 60 an der Oberfläche aufweist.

AUSffÜHRUNGSBETSPIEL 4

Ein Probestück, genommen vom Gehäuse einer Kupplungswelle, das einen quadratischen Querschnitt mit einer Kantenlänge von etwa 6,25 cm aufweist, und ein Probestück, das von einer Kupul\ingswelle genommen wurde und einen Querschnitt von nahezu 2,5 cm Durchmesser aufweist, werden oxydiert, aufgekohlt und gehärtet nach den allgemeinen Verfahrensschritten des Ausführungsbeispiels 3. Beide Probestücke sind aus Stahl mit der Handelsbezeichnung "Modified Vasco X2" hergestellt. Die Probestücke werden bei 982 ⁰O eine Stunde lang oxydiert und 50 Stunden lang unter Anwendung eines Kohlenstoffpotentials von 0,85 bis 0,95 % bei einer Temperatur von 926 ⁰C aufgekohlt. Die Probestücke werden gehärtet durch eine zwei Stunden dauernde Vorwärmung;' auf 786 ⁰C und durch eine 4-5 Minuten dauernde Erwärmung auf 1010 ⁰C. Sodann werden die Probestücke in Öl abgeschreckt, um das Austenitgefüge in Martensit umzuwandeln. Die Prüfung zeigt., daß das Probestück der Kupplungswelle gleichförmig mit Kohlenstoff angereichert ist, jedoch ist das Probestück des Kupplungswellen-Gehäuses nicht gleichförmig mit Kohlenstoff angereichert. Die unzureichenden Ergebnisse, die beim Kupplungswellen-Gehäuse erzielt wurden, sind auf die große Masse desselben zurückzuführen, die nicht die Oxydationstemperatur von 982 ⁰C und einen Gleichgewichtszustand bei dem Zyklus von einer Stunde erreichte. Die Oxydation derartig umfangreicher Massen erfordert eine längere Zeit, und ein wiederholter Versuch mit einem Probenstück eines Kupplungsgehäuses, der mit einer Oxydationszeit von zwei bis drei Stunden durchgeführt wurde, ergab ein zufriedenstellendes Ergebnis.

Die vorliegende Erfindung ist mit ihren allgemeinen Gesichtspunkten nicht auf spezielle gezeigte und beschriebene Einzelheiten becshränkt, sondern man kann von diesen abgehen, ohne von dem Grundgedanken abzuweichen oder die Hauptvorteile preiszugeben.

p- -Patentansprüehe-

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Claims

2 HAM BURG i BEIM STROHHAUSE 34 RUF 0*0/2*67*3

b Aprlf ly?i, Anwaltsakte: 4633

PATENTANSPRÜCHE .

Verfahren zur Aufkohlung hochlegierter Stähle, dadurch gekennzeichnet, daß es die Erwärmung des Stahles auf eine hohe Temperatur in einer Oxydationsatmosphäre unter Ausbildung eines bei hoher Temperatur entstehenden Oxyds auf der Stahloberfläche umfaßt, sowie die Aufkohlung des Stahls, der das bei hoher Temperatur entstandene Oxyd aufweist.

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl bei einer Temperatur zwischen 538 ⁰C und 1037 °C oxydiert wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl bei einer Temperatur oxydiert wird, die etwa zwischen 955 ⁰G und 1010 ⁰C liegt.

Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeich net, daß de:
oxydiert wird.

net, daß der Stahl bei einer Temperatur von etwa 982 ⁰C

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl mittels eines Gases aufgekohlt wird, das ein Kohlenstoffpotential von etwa zwischen 0,6 # und 1,5 # aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl mittels eines Gases aufgekohlt wird, das ein Kohlenstoffpotential von etwa zwischen 0,85 # und 0,95 % aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl zuvor durch einen Abblasstrahl mit Teilchen gereinigt wird, und daß er bei einer Temperatur

KONTEN· DRESDNER BAN K, KONTO-NR. 9 229 371 · POSTSCHECK HAMBURG NR. 193766 -2O8

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von etwa zwischen 538 ^CO und 955 °£ oxydiert wird, bevor sich eine passive Schicht auf der Stahloberfläche bildet»

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl mehr als zwei Stunden später aufgekohlt wird, nachdem er in die Atmosphäre zur Bildung des Oxyds bei hoher Temperatur eingebracht worden war.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichn e t , daß der Stahl- bei einer Temperatur oxydiert wird, die etwa zwischen 955 °C und 1010 ⁰C liegt, und daß der Stahl mit einem Gas aufgekohlt wird, das ein Kohlenstoffpotential von zwischen 0,85 % und 0,95 # aufweist.

10c Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß der Stahl während eines Zeitraumes oxydiert wird, der zwischen etwa 30 Minuten und etwa vier Stunden liegt.

11. Verfahren zur Aufkohlung eines hochlegierten Stahls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Stahl einen Kohlenstoffgehalt von 0,05 % bis 0,3 # aufweist, ferner einen Chromgehalt von mindestens-2 $ , daß die Erwärmung des Stahls auf eine hohe Temperatur von zumindest " 538 ⁰C in einer Oxydationsatmosphäre vorgesehen ist, wobei sich bei der hohen Temperatur ein Oxyd auf der Stahloberfläche bildet, und daß der Stahl zusammen mit dem bei hoher Temperatur gebildeten Oxyd aufgekohlt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Stahl bei einer Temperatur oxydiert wird, die zwischen 955 ⁰C und 1010 °0 liegt.

13· Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl aufgekohlt wird, um eine effektive Randzonendicke mit dem Rockwell-Härtegrad C 50 zu schaffen, die zwischen 0,125 und 3»75 mm liegt.

14-, Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl aufgekohlt wird, um eine effektive Randzonendicke mit dem Rockwell-Härtegrad C 50 zu schaffen, die zwischen 0,5 und 3»0 mm liegt.

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Verfahren nach Ansnrueh" 14-, dadurch gekennzeich net ,daß der Stahl bei einer Temperatur von etwa 955 ⁰C bis 1010 ⁰C oxydiert wird.

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