DE2526956B2

DE2526956B2 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstoffen

Info

Publication number: DE2526956B2
Application number: DE2526956A
Authority: DE
Inventors: Yoshiki Yokohama Kanagawa Oshida (Japan)
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1974-06-17
Filing date: 1975-06-16
Publication date: 1978-04-06
Also published as: DE2526956C3; FR2274695B1; DE2526956A1; CH612696A5; SU679154A3; JPS50159836A; GB1515373A; FR2274695A1; JPS5549153B2; US4016012A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstoffen, z. B. zum Aufkohlen von Stahl, bei dem ein Oberflächenbehandlungsmittel und ein zu behandelnder metallischer Werkstoff in eine Behandlungsvorrichtung eingebracht werden und bei dem der metallische Werkstoff auf eine bestimmte, über seinem einen Umwandlungspunkt liegende obere Grenztemperatur erwärmt und auf eine bestimmte, unter dem Umwandlungspunkt liegende untere Grenztemperatur abgekühlt wird.

Bei einem aus »Technologie der Maschinenbaustoffe« von Schimpke & Schropp, Stuttgart, 1965, Seiten 43 bis 45, bekannten Verfahren wird der metallische Werkstoff zur Oberflächenbehandlung, z. B. Aufkohlen, Aufstikken, Silizieren oder Borieren, schnell auf eine über dem Umwandlungspunkt, liegende Temperatur erwärmt. Anschließend wird der Werkstoff regelmäßig über einen längeren Zeitraum dieser Temperatur ausgesetzt, um z. B. beim Aufkohlen das Eindiffundieren und Lösen des Kohlenstoffs zu ermöglichen. Diese bisher bekannten Verfahren erfordern somit eine beträchtliche Zeitspanne zur Gewährleistung der gewünschten Tiefe der Oberflächenbehandlung, und zwar unabhängig davon, ob das verwendete Oberflächenbehandlungsbzw. Veredelungsmittel ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas ist. Außerdem muß dieses Oberflächenbehandlungsmittel, z. B. die aktivierende Kohle oder der Stickstoff, während des gesamten Vorgangs der Oberflächenbehandlung durch Steuerung stets in einem konstanten Zustand gehalten werden. Diese Steuerung erfordert einen erheblichen technischen Aufwand, so daß eine Oberflächenbehandlung auf einfache Weise und mit einfachen Mitteln mit den bekannten Verfahren nicht möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung dieser bekannten Gattung zu schaffen, bei dem eine gewünschte Tiefe der Oberflächenbehandlung bzw. Veredelung oder Vergütung innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne und auf einfache Weise erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst.

Durch die abwechselnde und wiederholte Erwärmung des metallischen Werkstoffs in Verbindung mit der Einwirkung einer Belastung bei Erreichen der unteren Grenztemperatur erfolgt die Oberflächenbehandlung unter Ausnutzung der Superplastizitätserscheinung. Auf diese Weise gelingt es, eine gewünschte Tiefe dar Oberflächenbehandlung bzw. Veredelung oder Vergütung innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne und auf einfache Weise zu erzielen. Diese Wirkung läßt sich möglicherweise dadurch erklären, daß bei einer Grenzfläche, z. B. der Preßverbindung zwischen Weichstahl und Gußeisen bzw. Grauguß, die unterschiedliche Kohlenstoffgehalte aufweisen, Kohlenstoff durch Diffusion aus dem Grauguß in den Weichstahl überführt wird, wodurch der Weichstahl gekohlt wird. Die Erfindung richtet sich im wesentlichen auf ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung unter Ausnutzung der Umwandlungs-Superplastizitätserscheinung von metallischen Werkstoffen, so daß sie nicht nur auf die Aufkohlung, sondern auch auf andere Oberflächenbehandlungsverfahren, z. B. Nitrieren, Carbonitrieren, Silizieren und Borieren, anwendbar ist. Die breite Anwendbarkeit kommt weiterhin darin zum Ausdruck, daß das verwendete Oberflächenbehandlungs- bzw. Veredelungsmittel ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein kann.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zeichnerisch erläuterten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Es zeigt

F i g. 1 eine grafische Darstellung der Temperaturzyklen und der Beziehung der angelegten bzw. ausgeübten Belastung in Abhängigkeit von der Zeit, die beim Aufkohlen von Weichstahl nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandt werden,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Beziehungen der angelegten Belastung und der Wiederholungsfrequenz der Temperaturzyklen in Abhängigkeit von den Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten in einem

■»ο Temperaturzyklus für den Fall, daß unter den Temperaturzyklen gemäß F i g. 1 eine vorgegebene feste Aufkohlungstiefe erreicht wird, und

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Behandlungszeit und der Tiefe der

⁴S vollständigen Aufkohlung beim erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu einem bekannten Verfahren. Beim Aufkohlen von Weichstahl nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Temperaturzyklen sowie die Beziehung zwischen der angelegten

so Belastung und der Zeit gemäß F i g. 1 angewandt. Die Beziehungen zwischen der angelegten Belastung und der Wiederholungsfrequenz der Temperaturzyklen einerseits sowie den Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten in einem Temperaturzyklus in dem Fall, daß bei den Temperaturzyklen gemäß F i g. 1 eine vorgegebene feste Aufkohlungstiefe erreicht wird, sind in F i g. 2 veranschaulicht, in der die den Punktmarkierungen zugeordneten Zahlen die Behandlungsperiode in Sekunden angeben. In Fig. 3 ist weiterhin die Beziehung zwischen der Behandlungsperiode bzw. -zeit und der Tiefe der vollständigen Aufkohlung für das erfindungsgemäße Verfahren sowie für ein bekanntes Verfahren (Gaskohlungsverfahren mit Kohlungstemperatur von 900⁰C) angegeben.

Bei dem in F i g. 1 veranschaulichten Beispiel wurde Weichstahl als der zu behandelnde metallische Werkstoff verwendet. Dieser Weichstahl besitzt einen Ai-Umwandlungspunkt (λ + Fe₃C=S= λ + 8) bei etwa 720⁰C

und einen A₃-Umwandlungspunkt («+ 8=^=8) bei etwa 80O⁰C. Infolgedessen wird die obere Grenztemperatur auf 850° C und die untere Grenztemperatur auf 450° C, vorzugsweise aber 650° C, eingestellt, so daß der Temperaturzyklus durch diese beiden Umwandlungspunkte verlaufen kann und mithin Temperaturzyklen festgelegt werden, bei denen der Werkstoff zwischen diesen oberen und unteren Grenztemperaturen erwärmt und abgekühlt wird. Obgleich die obere und die untere Grenztemperatur beim angegebenen Beispiel auf die genannten Werte festgelegt sind, müssen bei Erhöhung der Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeit die obere Grenztemperatur auf einen höheren und die untere Grenztemperatur auf einen niedrigeren Wert eingestellt werden. In diesem Fall wird eine Abweichung des Temperaturänderungsbereiches von etwa ±20° C von den genannten oberen und unteren Grenztemperaturen zugelassen.

Als Erwärmungseinrichtung zur Anlegung der Temperaturzyklen in einer sägezahnvörmigen DreiecksweJ-lenform gemäß F i g. 1 kann ein beliebiges Heizsystem angewandt werden, beispielsweise eine elektrische Direktbeheizung, bei der elektrischer Strom unter Ausnutzung der Jouleschen Wärme unmittelbar durch den zu behandelnden metallischen Werkstoff geleitet wird, oder eine indirekte Heizeinrichtung innerhalb der Behandlungsvorrichtung. Als Kühleinrichtung kann ein beliebiges Kühlsystem, etwa ein Zwangskühlsystem unter Verwendung eines Inertgases, oder ein natürliches Umwälzkühlsystem angewandt werden.

Die Größe der anzulegenden, in Fig. 1 angegebenen Belastung muß in Abhängigkeit von der Art der zu behandelnden metallischen Werkstoffe und von den angewandten Temperaturzyklen entsprechend gewählt werden. Dabei ist zu beachten, daß der Augenblick, in dem die Belastung auf den Werkstoff ausgeübt wird, der Zeitpunkt ist, zu dem die Temperatur der zu behandelnden metallischen Werkstoffe den unteren Grenztemperaturwert der Temperaturzyklen erreicht hat, während der Augenblick der Aufhebung der angelegten Belastung ebenfalls der Zeitpunkt ist, zu dem die Temperatur des der Behandlung unterworfenen metallischen Werkstoffs den unteren Grenztemperaturwert im letzten Temperaturzyklus nach wiederholter Durchführung einer Anzahl von Temperaturzyklen erreicht hat. Wie erwähnt, variiert die Größe der angelegten Belastung in Abhängigkeit von den Behandlungsbedingungen, und im Fall der Aufkohlung liegt sie beispielsweise im Bereich von 0-2 kg/mm². Diese Größe der angelegten oder ausgeübten Belastung läßt sich anhand der Daten von Fig.2 bestimmen, die die Beziehung zwischen der angelegten Belastung sowie den Erwärmungs- und AbkühlgeschwindigLeiten in einem Temperaturzyklus für den Fall verdeutlichen, daß bei den Temperaturzyklen gemäß F i g. 1 eine vorgegebene feste Aufkohlungstiefe erreicht wird. Wenn die Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten ausreichend hoch sind, kann im Phasenumwandlungsvorgang die diffusionsgesteuerte oder -abhängige Umwandlungsgeschwindigkeit den Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeit im Temperaturzyklus nicht folgen, so daß ein Ungleichgewichtszustand entsteht, durch den die Oberflächendiffusionsgeschwindigkeit des Oberflächenbehandlungsmittels plötzlich ansteigt. Infolgedessen kann die angelegte Belastung zu diesem Zeitpunkt sehr klein gehalten werden, und sie kann in manchen Fällen überhaupt unnötig sein. Wenn dagegen Erwärmung und Abkühlung in einem Temperaturzyklus langsam anlaufen, kann eine zufriedenstellende Wirkung mit einer angelegten Belastung erzielt werden, die bei etwa einem

Zehntel der Fließ- oder Streckgrenze (im Fall des genannten Weichstahls bei etwa 25 kg/mm²) des behandelten metallischen Werkstoffs liegt.

Wenn das Oberflächenbehandlungsmittel ein Gas ist,

z. B. von einer CO-Gasflasche geliefertes CO oder durch thermische Crackung von Methylacetat, Isopropylalkohol und dergl. erzeugtes CO-Gas, kann die Belastung dadurch angelegt werden, daß das als Oberflächenbehandlungsmittel dienende Gas unter Druck in eine luftdicht abgeschlossene, den zu behandelnden metallischen Werkstoff enthaltende Behandlungsvorrichtung eingeführt wird. Wenn es sich beim Oberflächenbehandlungsmittel um einen Feststoff handelt, z. B. um ein festes Kohlungsmittel in Form von feinem Kohlepulver, das mit 10-30% BaCO₃ als Kohlungsbeschleuniger versetzt ist, kann die Belastung dadurch ausgeübt werden, daß die das feste Behandlungsmittel und den zu behandelnden metallischen Werkstoff enthaltende Behandlungsvorrichtung mittels eines äußeren Druck- oder Preßsystems mit einer hydraulischen Presse unter Druck gesetzt wird. Die Einrichtungen zur Anlegung der Belastung können somit, wie erwähnt, in Abhängigkeit von der Art des Oberflächenbehandlungsmittels beliebig gewählt werden.

Im folgenden ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel erläutert.

Eine zylindrische Stange aus Weichstahl mit einer ähnlichen Form wie ein Zugfestigkeits-Prüfling wird mit einer längsverlaufenden Bohrung versehen, in die ein festes Aufkohlungsmittel in Form eines feinen Holzkohlepulvers (Teilchengröße etwa 0,045 mm) im Gemisch mit 20% BaCO₃ eingefüllt wird. Das Ende der Bohrung wird verschlossen, und nach Festlegung der oberen und unteren Grenztemperaturen, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, wird die Weichstahlstange unter elektrischer Direktbeheizung und Zwangskühlung mittels eines Inertgases verschiedenen Temperaturzyklen unterworfen. Dabei werden die in F i g. 2 veranschaulichten Ergebnisse erzielt.

Die Beziehung zwischen der Tiefe der vollständigen Aufkohlung und der Aufkohlungsperiode beim vorstehend erläuterten Verfahren ist in F i g. 3 im Vergleich zu den bei einem bisher bekannten Verfahren (Gaskohlungsverfahren mit Kohlungstemperatur von 900°C) erzielten Ergebnissen veranschaulicht. Aus F i g. 3 ist ohne weiteres ersichtlich, daß die angestrebte Behandlung erfindungsgemäß, im Gegensatz zum bekannten Verfahren, innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne durchführbar ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichrungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstoffen, bei dem ein Oberflächenbehandlungsmittel und ein zu behandelnder metallischer Werkstoff in eine Behandlungsvorrichtung eingebracht werden und bei dem der metallische Werkstoff auf eine bestimmte, über seinem einen Umwandlungspunkt liegende obere Grenztemperatur erwärmt und auf eine bestimmte, unter dem Umwandlungspunkt liegende untere Grenztemperatur abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Werkstoff unter Ausnutzung der Superplastizitätserscheinung abwechselnd und wiederholt erwärmt wird, daß auf den metallischen Werkstoff beim Erreichen der unteren Grenztemperatur eine bestimmte Belastung ausgeübt wird und daß nach Durchführung einer bestimmten Zahl von Temperaturzyklen die angelegte Belastung aufgehoben wird, wenn der metallische Werkstoff seine untere Grenztemperatur erreicht.