DE2647668C2

DE2647668C2 - Verfahren zur Nitrierhärtung von Metallteilen

Info

Publication number: DE2647668C2
Application number: DE19762647668
Authority: DE
Inventors: Charles A. Ann Arbor Mich. Stickels
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1975-12-15
Filing date: 1976-10-21
Publication date: 1982-10-21
Also published as: DE2647668A1; GB1511099A; JPS5278723A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Nitrierhärtung von Metallteilen, bei dem die Metallteile in Gegenwart einer Stickstoffhaltigen Substanz, wie Harnstoff oder einem Harnstoffderivat, auf Temperaturen von weniger als 1100° C erhitzt und so lange im wesentlichen unter Luftabschluß in einem Gefäß nitriert werden, bis die gewünschte Härtung erreicht ist.

Bei einem aus der GB-PS 311588 bekannten Verfahren der vorgenannten Art ist für die Nitrierhärtung von vorrangig mit Molybdän legierten Stählen vorgesehen, diese Stähle gemeinsam mit der stickstoffhaltigen Substanz oder auch vorhergehend auf Temperaturen zu erhitzen, bei denen einerseits jede Verformung der Stähle vermieden wird und andererseits über eine für die Nitrierhärtung ausreichende Zeitdauer die Bildung von Stickstoffgasen aus der jeweils verwendeten stickstoffhaltigen Substanz sichergestellt ist. Als brauchbare stickstoffhaltige Substanzen sind neben Harnstoff insbesondere pulverförmiges Calcium-Cyanamid angegeben, das dabei für die Nitrierhärtung solcher Molybdänstähle über mehrere Stunden auf Temperaturen von etwa 500 bis 600° C erhitzt werden soll bei gleichzeitiger Zuleitung von Wasserdampf in Jas von außen beheizte Gefäß, in welches der Molybdänstahl zusammen mit dem pulverförmigen Calcium-Cyanamid für diese Erhitzung eingebracht ist.

Für die Nitrierhärtung von Metallteilen komplizierterer Formgebung, wie beispielsweise von Zahnrädern, die mit einer solchen Nitrierhärtung eine genügend verschleißfeste und gegen Ermüdung widerstandsfähige Oberflächenhaut erhalten sollen, ist es daneben bekannt, diese Metallteile zunächst meistens durch Schmieden in eine grobe Form zu bringen und danach durch ein Austenisieren. ein Abschrecken und ein Anlassen auf eine Rockwell-Härte R₁ zwischen etwa 25 und 35 zu härten. Nach dieser anfänglichen Härtung werden dann diese grob geformten Teile auf ihre Endform fertiggearbeitet und schließlich in speziellen Wärmeöfen bei Tempeii>:uren zwischen etwa 495 und 555^C C nitriergehärtet, wobei für das Kerninaterial der Metallteile die anfänglich erreichte Härte erhalten bleibt. Diese Nitrierhärtung ist jedoch wesentlich kostenintensiver als das eingangs genannte Verfahren, das jedoch anderseits für die Nitrierhärtung von Metallteilen mit einer solcher, komplizierteren Formgebung voraussetzt, daß während der gesamten Zeitdauer eine für die gewünschte Hältung genügende Menge der Stickstoffgase gleichbleibend anwesend ist und jede Oxidationsmöglichkeit der Metallteile möglichst weitgehend verhindert wird. Die Erfüllbarkeit dieser Voraussetzungen ist ein beachtlicher Faktor bei der Kostenanalyse für dieses Verfahren, bei der auch die Menge und die Art der eingesetzten stickstoffhaltigen Substanz eine wesentliche Rolle spielen. Eine vergleichbar ungünstige Kostenanalyse fällt auch dort an, wo eine solche Nitrierhärtung von Metallteilen mittels besonderer Salzschmelzen durchgeführt wird, da dafür relativ kompliziert zu steuernde Bäder erforderlich sind, oder wo mit SpezialÖfen gearbeitet wird, in denen ammoniakhaltige Gase eingesetzt werden, da es auch dabei sehr schwierig ist. die für die Härtung benötigte Stickstoffmenge über eine längere Zeitdauer konstant zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art die Nitrierhärtung von Metallteilen auch komplizierterer Formgebungen mit einem günstigeren Kostenfaktor effektiver zu gestalten.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Nitrierung mit einer Einbettung der Metallteile in ein zuerst mit einer wäßrigen Lösung der stickstoffhaltigen Substanz getränktes und anschließend bis zum Erreichen eines weichen bis pastenförmigen Überzuges getrocknetes, körniges Inertmateriatbei Temperaturen zwischen 495 und 555° C durchgeführt wird. Als Inertmaterial können dabei insbesondere Vermiculit, Holzkohle und poröse Ton- oder Keramikkörner verwendet werden, womit die Trocknung eines solchen, mit der wäßrigen Lösung der stickstoffhaltigen Substanz getränkten Inertmaterials bei Temperaturen zwischen 38 und 95° C über 24 bis 48 Stunden durchgeführt werden kann. Bei dieser Trocknung wird dem Tränkmittel des Inertmaterials soviel Wasser entzogen, daß danach dessen einzelne Körner mit einem weichen bis pastenföiinigen überzug imprägniert sind und somit ein Einbettmaterial erhalten ist, das sich auch an komplizierter geformte Metallteile äußerst eng anschmiegen läßt, womit die Metallteile während der Nitrierung gegen jeden Luftzutritt wirksam abgeschirmt sind und gleichzeitig die sich bei der Erhitzung bildenden Stickstoffgase gleichmäßig auf die Metallteile einwirken können. Die Nitrierhärtung der Metallteile kann damit bei den relativ niedrigen Temperaturen verhältnismäßig rascher und effektiver durchgeführt werden, wobei sich die Verwendung des Inertmaterials nicht kostensteigernd auswirkt, weil es ohne weiteres wiederholt für eine Tränkung mit einer wäßrigen Lösung der dabei im übrigen in geringeren Mengen benötigten stickstoffhaltigen Substanz verwendet werden kann.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sollte in der Regel wie folgt vorgegangen werden:

Es wird zunächst eine Charge des körnigen Inertmaterials mit einer wäßrigen Lösung der stickstoffhaltigen Substanz getränkt. Dabei muß einerseits das Inertmaterial so beschaffen sein, daß seine mechanische Festigkeit bei einem hohen Absorptionsvermögen bezüglich des Tränkmittels auch bei der nachfolgenden Trocknung erhalten bleibt, wobei die Körnung so zu wählen ist, daß damit in Abhängigkeit von der Formgebung der Metallteile ein sattes Einbetten mit einem verhältnismäßig kleinen Verhältnis des Volumens des Einbettmaterials zur Oberfläche der Metallteile möglich ist. Die stickstoffhaltige Substanz sollte andererseits so beschaffen sein, daß sich hei der Trocknung ihrer wäßrigen Lösung ein weicher bis pastenförmiger Üoerzug an dem körnigen Inertmaterial ohne eine gleichzeitige Freilegung von wesentlichen Mengen an Stickstoffgas ergibt und vielmehr diese Bildung des Stickstoffgases erst dann stattfindet, wenn in die so vorbereitete und dann bei Temperaturen zwischen 38 und 95 C über 24 bis 48 Stunden getrocknete Charge die Metallteile eingebettet und für die Nitrierung erhitzt werden. Als Inertmaterial eignen sich daher insbesondere Vermiculit, Holzkohle und poröse Ton- oder Keramikkörner, während sich als stickstoffhaltige Substanzen insbesondere Harnstoff oder ein Harnstoffderivat, wie Cyanursäure, eignen. Die Trocknung der Charge kann dabei unter Unigebungsbedingungen in einem Trog oder einem sonstigen Behältnis durchgeführt werden.

Wenn die Trocknung der Charge abgeschlossen ist. dann werden die zu nitrierenden Metallteile in dieses Material eingebettet, wobei die Einbettung in einem zur Erhitzung geeigneten Gefäß vorgenommen wird, das sich mittels eines Deckels abschließen läßt, der während der anschließenden Erhitzung auf Temperaturen zwischen 495 und 555° C ein Einströmen von Luft weitgehend verhindert, andererseits jedoch ein Ausströmen der sich bei dieser Erhitzung bildenden Stickstoffgase zuläßt. Die Erhitzung wird dabei so lange durchgeführt, bis die Metallteile eine erwünschte Nitriertiefe von typischerweise etwa 0,508 bis 0,127 mm erhalten haben, was mit einer Erhitzung zwischen 4 und 24 Stunden erreichbar ist.

Die längeren Zeiten sind dabei jedoch unter dem Gesichtspunkt nachteilig, daß besonders bei der Verwendung von Harnstoff und Harnstoffderivaten dann für die Nitrierung unerwünschte Oxidationsprodukte entstehen können. Es wird sich daher empfehlen, diese Nitrierung in dem niedrigeren Temperaturbereich über eine Zeitdauer von nicht mehr als etwa 8 Stunden durchzuführen, wobei ein maßgeblicher Einflußfaktor auf die erreichbare Einsatztiefe der Nitrierhärtung auch die Konzentration der stickstoffhaltigen Substanz ist. So wurde für die Verwendung von Harnstoff experimentell gefunden, daß dessen Gehalt zwischen 25 und 100 g Harnstoff je Liter des Inertmaterials betragen kann, wobei ein Gehalt von 40 g/l die Einhaltung einer Temperatur von etwa 510^c C über eine Dauer von 6 Stunden erfordert, um an fast allen herkömmlichen Legierungsstählen, die hauptsächlich Molybdän, Chrom und Aluminium enthalten, eine Nitriertiefe von etwa 0,127 mm zu erhalten.

Für einen Vergleichsversuch wurden zwei an der Oberfläche abgeschliffene Metallteile aus SAE-5140-Legierungsstahl der Rockwell-Härte R_c 38 in ein feuerfestes Gefäß mit einem Fassungsvermögen von zwei Liter eingelegt und darin in ein Inertmaterial einer Mange von etwa 1,8 1 eingebettet, das aus der über 24 Stunden bei 50 C vorgenommenen Trocknung eines Gemisches aus 2 1 Vermiculit und einer wäßrigen Harnstofflösung von 50 g Harnstoff erhalten wurde. Mit dieser Einbettung wurden dann die beiden Metallteile in einem Elektroofen über 5 Stunden auf 520' C erhitzt und anschließend an der Luft abgekühlt, wobei sich an der Oberfläche der Metallteile eine leichte Oxidierung ergab, die dann durch ein Eintauchen in eine wäßrige Salzsäurelösung entfernt wurde. Die Metallteile wurden dann durchgeschnitten, mit Nickel beschichtet und metallografisch untersucht. Dabei ergaber. sich unter einer Belastung mit 1 kg eines dabei verwendeten Knoop-Härtemeßgerätes die in der folgenden Tabelle aufgeführten Härtewerte, welchen die ebenfalls in dieser Tabelle aufgefühiten Rockwell-Härten R₁- entsprechen.

Kantenabstand	0,025	Knoop-Härte	Rockwell-Härte R₁
(mm)	0,050
0,075	736	60
0,100	689	58
0,125	660	56
0,250	579	52
0,406	549	50
0,558	423	42
392	39
361	36

Im Vergleich zu den Daten, die auf Seite 153. Fig. 6 des Handbuches »Metals Handbook«, 8. Ausgabe, Band 2. aufgeführt sind, sind die Werte der vorstehenden Tabelle typisch für einen Nitrierprozeß. Gleiches gilt für die dabei gemessene Dicke der nitrierten Oberflächenhaut von etwa 0,005 mm, die sich jedoch über die vorerwähnten Parameter verändern läßt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Nitrierhärtung von Metallteilen, bei dem die Metallteile in Gegenwart einer stickstoffhaltigen Substanz, wie Harnstoff oder einem Harnstoffderivat, auf Temperaturen von weniger als 1 lOCF C erhitzt und so lange im wesentlichen unter Luftabschluß in einem Gefäß nitriert werden, bis die gewünschte Härtung erreicht ist dadurch gekennzeichnet, daß die Nitrierung mit einer Einbettung der Metallteile in ein zuerst mit einer wäßrigen Lösung der stickstoffhaltigen Substanz getränktes und anschließend bis zum Erreichen eines weichen bis pastenförmigen Überzuges getrocknetes, körniges Inertmaterial bei Temperaturen zwischen 495 und 555 C durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertmaterial Vermiculit, Holzkohle, poröse Ton- oder Keramikkörner verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung des Inertmaterials bei Temperaturen zwischen 38 und 95^; C über 24 bis 48 Stunden durchgeführt wird.