DE2647668A1

DE2647668A1 - Verfahren zur nitrierhaertung von metallteilen

Info

Publication number: DE2647668A1
Application number: DE19762647668
Authority: DE
Inventors: Charles A Stickels
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1975-12-15
Filing date: 1976-10-21
Publication date: 1977-06-16
Also published as: JPS5278723A; GB1511099A; DE2647668C2

Description

Für die Nitrierhärtung von Metallteilen, mit welcher eine relativ harte und verschleißfeste, gegen Ermüdung genügend widerstandsfähige und in der Regel vergleichsweise dünne Oberflächenhaut erzeugt wird, findet heute in der Regel ein Verfahren Anwendung, das bei den doch relativ niedrigen Temperaturen zwischen etwa 495 und 555°C in speziellen Wärmeöfen durchgeführt wird. Dabei werden die einer solchen Nitrierhärtung zu unterwerfenden Metallteile zuerst in eine relativ grobe Form gebracht, meistens durch Schmieden, bevor sie durch ein

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Austenisieren, ein Abschrecken und ein Anlassen auf eine Rockwell-Härte R-, zwischen etwa 25 und 35 gehärtet werden. Nach dieser Härtung werden die Teile dann auf ihre Endform fertiggearbeitet und schließlich bei der vorerwähnten Temperatur nitriergehärtet, wobei diese im Vergleich zu der Anlaßtemperatur gleiche oder sogar niedrigere Temperatur die Möglichkeit ergibt, das Kernmaterial des betreffenden Metallteils auf der beim primären Härten erreichten Rockwell-Härte

R_n zwischen etwa 25 und 35 zu belassen. Eine solche Nitrierte

härtung wird bis heute hauptsächlich an einigen Zahnrädern geübt, die für Kraftfahrzeuggetriebe verwendet werden.

In der Umgebung dieser Nitrierhärtung ist daneben noch das Arbeiten mit besonderen Salzschmelzen bekannt, die relativ kompliziert zu steuernde Bäder erfordern, oder auch das Arbeiten mit SpezialÖfen, in denen ammoniakhaltige Gase den Nitrierprozeß ergeben. In beiden Fällen ist es vergleichsweise schwierig, die anwesende Stickstoffmenge über eine längere Zeitdauer konstant zu halten, was aber für die Erreichbarkeit optimaler Arbeitsergebnisse zwingend erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur Nitrierhärtung von Metallteilen bereitzustellen, das mittels weniger komplizierter Anlagen, Anlagenteile und Ausrüstungen parktizierbar ist, wobei die allgemeine Vorstellung vorliegt, daß ein solches Verfahren analog der Einsatzhärtung mittels eines entsprechenden Einbettmaterials durchführbar sein müßte.

Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist durch die Ansprüche ausgewiesen. Danach wird also wie beim Einsatzhärten in ein in bestimmter Art und Weise mit Stickstoff impregniertes körniges Einbettmaterial das zu nitrierende Metallteil eingebettet und dann unter Verwendung einer beliebigen Wärme-

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quelle, wie beispielsweise eines Elektroofens, einer gemeinsamen Erwärmung unterworfen. Um in dieser Hinsicht optimale Ergebnisse zu erzielen, die typischerweise so aussehen, daß für eine Nitrierhärtung bis in eine Tiefe von etwa 0,508 bis etwa 0,127 mm eine Erwärmung über etwa 4 bis 8 Stunden bei Temperaturen zwischen etwa 495 und 555°C vorgenommen wird, wird als Einbettmaterial vorzugsweise ein mit Harnstoff oder mit einem Harnstoffderivat zuerst getränktes, entsprechend poröses Mittel verwendet, das dann auf eine Temperatur erhitzt wird, bei welcher der Harnstoff bzw. das Harnstoffderivat zerfällt und ein zur Nitrierung des eingebetteten Metallteils ausgenutztes, stickstoffhaltiges Gas erzeugt. Mithin gilt, daß für den eigentlichen Nitrierprozeß ein mit einer Restmenge eines stickstoff-haltigen Mittels impregniertes Einbettmaterial verwendet wird, das hinreichend fließfähig ist und bezüglich des zu nitrierenden Metallteils ein verhältnismäßig kleines Verhältnis des Volumens des Einbettmaterials zur Oberfläche dieses Metallteils schafft. Dabei werden dann Ergebnisse erzielt, die ohne weiteres vergleichbar sind mit denjenigen herkömmlicher Verfahren, gegenüber welchen aber ein doch beträchtlicher Kostenvorteil erzielbar ist.

Für die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sollte regelmäßig wie folgt vorgegangen werden:

(a) Es wird zunächst eine Charge eines körnigen Einbettmaterials bereitgestellt, das sich für eine Tränkung mit einer wässrigen Harnstofflösung eignet. Das Material muß dabei weiter so beschaffen sein, daß es nach erfolgter Tränkung mit dieser Lösung bei einem anschließenden Trocknungsprozeß keinen wesentlichen Abbau seiner mechanischen Festigkeit erfährt. Als geeignete Materialien kommen insbesondere Vermiculit, körnige Holzkohle, poröse Tonkörner und poröse Keramikkörner in Betracht, und zwar insbesondere deshalb, weil diese

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Substanzen ein chemisch inertes Verhalten haben, ein relativ hohes Absorptionsvermögen besitzen und sich auch bei höheren Temperaturen vergleichsweise stabil verhalten. Außerdem lassen sich diese Substanzen mit einer Körnchengröße und -form verarbeiten, die einen idealen Einbettungsfaktor ergeben, so daß auch komplizierter geformte Metallteile satt in ein solches Einbettmaterial einbetten lassen.

(b) Es wird eine wässrige Harnstofflösung vorbereitet oder die wässrige Lösung eines anderen äquivalenten Stickstoff-Trägermittels, wobei dessen Konzentration in der Lösung auf einen solchen Wert eingestellt wird, daß für den späteren Nitrierprozeß eine genügende Stickstoffmenge zur Verfügung steht. Das Stickstoff-haltige Trägermittel, bevorzugt Harnstoff, sollte dabei hauptsächlich unter dem Gesichtspunkt ausgewählt werden, daß es an dem jeweiligen Einbettmaterial als eine pastenförmige Substanz anhaftet, wenn das Einbettmaterial nach erfolgter Tränkung unter Wärmebeaufechlagung dehydriert wird, wobei es bei diesem Wasserentzug auch zu keiner wesentlichen Freilegung von Ammoniak kommen darf und vielmehr die Erzeugung eines Stickstoff-haltigen Gases erst dann stattfinden soll, wenn danach das Einbettmaterial gemeinsam mit dem darin eingebetteten Metallteil vergleichsweise rasch aufgewärmt wird.

(c) Das Einbettmaterial gemäß (a) wird dann mit der wässrigen Lösung des stickstoff-haltigen Trägermittels gemäß (b) getränkt, was unter Umgebungsbedingungen in einem Trog oder einem sonstigen Behältnis durchgeführt werden kann. Das Gemisch wird dann getrocknet, und zwar vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen etwa 40 und 95°C über eine Zeitdauer zwischen etwa 24 und 48 Stunden, wobei für das Ende dieser Trocknungszeit der im wesentlichen vollständige

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Wasserentzug maßgebend ist. Das Einbettmaterial ist danach mit einer vergleichsmeise weichen bis pastenförmigen Substanz impregniert, die also hauptsächlich Harnstoff oder ein Harnstoffderivat, wie Zyanursäure, enthält.

(d) In dieses imprägnierte Einbettmaterial wird dann das zu nitrierende Metallteil eingebettet, vorzugsweise in einer Anordnung innerhalb eines Behälters, der mit einem Deckel so abgedeckt wird, daß noch Gas aus dem Behälter ausströmen kann, das Einströmen von Luft in den Behälter jedoch weitgehend verhindert wird. Hierbei muß bezüglich des Einbettmaterials auf jeden Fall sichergestellt sein, daß es genügend trocken ist, weil alles noch enthaltene Wasser eine Oxydierungsgefahr für das eingebettete Metallteil bringt und damit eine St*örung des Nitrierprozesses verursacht.

(e) Es wird dann eine gemeinsame Erwärmung auf eine Temperatur von typischerweise etwa 495 t>is 555°C vorgenommen, wobei diese Temperatur so lange gehalten wird, bis das Stickstoff-haltige Trägermittel Stickstoffgase entwickelt, welche mithin dann zur Einwirkung auf die Oberfläche des Metallteils kommen. Hierbei sei noch die Einschränkung ausgesprochen, daß die Entwicklung eines molekularen Stickstoff gases für diesen Nitrierprozeß wenig erwünscht ist.

(f) Diese Gasentwicklung wird weiter so lange forgesetzt, bis eine erwünschte Nitriertiefe erhalten ist und mithin das betreffende Metallteil die gewünschte Oberflächenhärte hat, Typischerweise dauert diese letzte Verfahrensstufe etwa 4 bis 24 Stunden an, wobei längere Zeiten unter dem Gesichts· punkt nachteilig sind, daß dann besonders im Falle von Harnstoff bzw. Harnstoffderivaten unerwünschte Oxydationsprodukte entstehen.

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Im Zusammenhang mit den vorstehenden Hinweisen auf eine konkrete Verfahrensführung haben noch folgende allgemeine Überlegungen Gültigkeit. Die durch eine solche Nitrierhärtung erreichbare Tiefe ist unter vergleichbaren Bedingungen abhängig von der Zeitdauer, über welche die Stickstoffgase zur Einwirkung auf ein Metallteil einer vorgegebenen Zusammensetzung gebracht werden. Ein weiterer Abhängigkeitsfaktor ist dabei auch die Temperatur und selbstverständlich auch die Konzentration des Stickstoff-haltigen Trägermittels, in welcher Hinsicht die praktischen Erfahrungen gewonnen wurden, daß die größten Oberflächenhärten bei den niedrigeren Nitriertemperaturen und bei Nitrierzeiten erreicht wurden, die bei etwa 8 Stunden und weniger lagen. Hier ist noch allgemein bekannt, daß bestimmte Legierungen, insbesondere solche, die Chrom, Aluminium und Molybdän enthalten, günstiger auf eine solche Nitrierung reagieren, so daß auch eine diesbezügliche Abhängigkeit erkennbar wid, die aber zur Erzielung einer gewünschten Einsatztiefe experimentell ebenso eingeengt werden kann wie die übrigen Parameter. So wurde beispielsweise für die Verwendung von Harnstoff experimentell gefunden, daß dessen Gehalt zwischen 25 und 100 g Harnstoff Je Liter des Einbettmaterials schwanken kann, wobei beispielsweise ein Gehalt von 40 g/l eine Nitriertemperatur von etwa 510⁰C erfordert und eine Nitrierzeit von etwa 6 Stunden, um an fast allen herkömmlichen Legierungen eine Nitriertiefe von etwa 0,127 mm zu erreichen.

Um eine Bestätigung für die Fortschrittlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erhalten, wurden entsprechende Vergleichsversuche durchgeführt, und zwar an Metallteilen aus AE-Sl^O-Stahl, der auf eine Rockwell-Härte R J58 gehärtet und an der Oberfläche abgeschliffen war. Zwei dieser Probestücke wurden dann in ein feuerfestes Kochgefäß aus Jenaer Glas mit einem Fassungsvermögen von 2 Liter eingelegt in einer Ein-

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bettung in ein trockenes Einbettmaterial von etwa 1,8 1, das aus der Trocknung eines Gemisches aus zwei Liter Vermiculit und einer wässrigen Harnstofflösung von 50 g Harnstoff gewonnen worden war. Die Trocknung war dabei über 24 Stunden bei etwa 50⁰C vorgenommen worden. Mit diesem Einbettmaterial wurden dann die beiden Probestücke in einem Elektroofen auf etwa 521°C erhitzt und zwar über insgesamt 5 Stunden und danach wurden die mithin nitrierten Teile an der Luft abgekühlt. Dadurch wurde eine leichte Oxydierung erhalten, die dann durch Eintauchen in eine wässrige Salzsäurelösung entfernt wurde. Danach wurden die Teile durchgeschnitten, mit Nickel plattiert und zur metallografischen Untersuchung auf Bakelit angeordnet. Dabei ergaben sich unter einer Belastung mit einem kg des dabei verwendeten Knoop-Härtemessgerätes die in der folgenden Tabelle aufgeführten Härtewerte, welchen die ebenfalls in dieser Tabelle aufgeführten Rockwell-Härten R entsprechen.

Kantenabstand (mm)

0,025 0,050

0,075 OJO 0 0,125 0,250 0,406 0,558

Im Vergleich zu den Daten, die auf Seite I53, Fig. 6 des Handbuches "Metals Handbook", 8. Ausgabe, Band 2 aufgeführt sind, können diese Werte der vorstehenden Tabelle als typisch für einen Nitrierprozeß beurteilt werden. Dabei kann welter

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Knoop-Härte	Rockwell-Härte R C
736	60
689	58
660	56
579	52
549	50
423	42
392	39
361	36

festgestellt werden, daß sich auch eine gemessene nitrierte Oberflächenhaut einer Dicke von etwa 0,005 mm in diesen Rahmen ohne weiters einpaßt. Diese Tiefe kann dadurch verändert werden, daß die oben erwähnten Parameter entsprechend verändert werden. Mithin ist das erfindungsgemäße Verfahren bei der Erzielbarkeit vergleichbarer Ergebnisse darin fortschrittlich, daß für seine Durchführung nicht ebenso komplizierte Anlagen und Anlagenteile benötigt werden, wobei es darüber hinaus sogar noch möglich ist, das verwendete Einbettmaterial immer wieder zu verwenden für die Tränkung mit dem stickstoff-haltigen Trägermittel.

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Claims

Ansprüche

\_Λ Verfahren zur Nitrierhärtung von Metallteilen, dadurch gekennzeichnet , daß ein gegenüber Temperaturen von wenigstens etwa 600 C thermisch und mechanisch beständiges, körniges Einbettmaterial mit einem vergleichbar hohen Absorptionsvermögen und einem chemisch weitgehend inerten Verhalten mit einer wässrigen Lösung eines stickstoff-haltigen Trägermittels getränkt und dann zur weitgehend vollständigen Wasserentziehung unter Wärmebeaufschlagung dehydriert wird, daß dann dieses Einbettmaterial zusammen mit dem darin eingebetteten, zu nitrierenden Metallteil auf eine für die Preilegung von Stickstoffgasen ausreichende Temperatur erwärmt und daß die dann im wesentlichen auf dieser Temperatur gehaltene Erwärmung so lange fortgesetzt wird, bis das Metallteil eine bis in eine gewünschte Tiefe reichende Stickstof f anreicherung erhalten hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Einbettmaterial aus der Gruppe Vermiculit, körnige Holzkohle, poröse Tonkörner und poröse Keramikkörner ausgewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das stickstoff-haltige Trägermittel Harnstoff oder ein Harnstoffderivat ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e kennzeichnet, daß der abschließende Nitrierprozeß bei einer Temperatur zwischen etwa 495 und 555°C über eine Dauer von etwa 4 bis 24 Stunden vorgenommen wird,

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Trocknungsprozeß des mit dem stickstoff-haltigen Trägermittel getränkten Einbettmaterials bei einer Temperatur von etwa 38 bis 95°C über eine Dauer von etwa 24 bis 48 Stunden vorgenommen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß der abschließende Nitrierprozeß mit einem Gefäß vorgenommen wird, das im wesentlichen eine Zutrittsmöglichkeit von Luft zu dem Einbettmaterial verhindert, hingegen eine Austrittsmöglichkeit von Gasen ermöglicht.

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