DE2658174A1

DE2658174A1 - Verfahren zum nitrierhaerten martensitischer staehle

Info

Publication number: DE2658174A1
Application number: DE19762658174
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Fujikoshi KK
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-12-22
Publication date: 1977-06-30
Also published as: US4154629A; JPS5430892B2; NL7614361A; JPS5277836A; GB1514000A

Description

Dr.-lng. Reimar König ■ Dipl.-lng. Klaus Bergen Cecilienallee VB A Düsseldorf 3d Telefon 452OOS Patentanwälte

20. Dez. 1976 31 203 K

•λ.

Kabuäiki Kaisha Fujikoshi, 20 Ishigane, Toyama-shi, Japan

"Verfahren zum Nitrierhärten inartensitischer Stähle"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Nitrierhärten martensitischer rostfreier Stähle mit Hilfe eines Gases.

Es ist bekannt, Gegenstände wie Maschinenteile, Werkzeuge und Schrauben im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit aus rostfreiem Stahl herzustellen und Einsatzzuhärten. Beim Einsatzhärten ist es jedoch schwierig, zugleich eine metallisch blanke Oberfläche und eine ausreichende Härte zu gewährleisten. Außerdem ergeben sich Schwierigkeiten hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit der Einhärtezone. Darüber hinaus sollen einsatzgehärtete Teile nicht nur eine ausreichende Festigkeit besitzen, sondern müssen auch einer hohen Flächenpressung gewachsen sein.

Das Oberflächenhärten durch Aufkohlen, Karbonitrieren oder Nitrieren ist allgemein bekannt, geht jedoch bei rostfreien Stählen auf Kosten der Korrosionsbeständigkeit. Die Praxis verlangt daher nach einem Verfahren, das ein Härten ohne Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit erlaubt. Martensitis.che rostfreie Stähle werden üblicherweise bei 920 bis 1070⁰C geglüht und anschließend abgeschreckt. Dabei ergibt sich jedoch keine gute Oberfläche und häufig auch nicht die angestrebte Härte.

Es ist bekannt, daß der molekulare Stickstoff bei hohen Temperaturen dissoziiert. Dies geschieht nach der folgenden Gleichung:

U₂ —». 2N + 224, 86 kcal (1)

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Demgemäß erfordert die Umwandlung eines Mols molekularen Stickstoffs in atomarem Stickstoff 224,86 kcal und ist entsprechend schwierig. In Anwesenheit von Sauerstoff bildet sich jedoch bei hohen Temperaturen entsprechend der Reaktionsgleichung (2) Stickoxyd und gleichzeitig atomarer Stickstoff nach der Dissoziationsgleichung (3).

N₂ + O₂ »> 2NO + 43,2 kcal (2)

NO —»* N + 1/2 O₂ + 90,85 kcal (3)

Voraussetzung für den Ablauf der Reaktionsgleichung (2) sind sehr hohe Temperaturen. Gleichwohl bleibt die Reaktionsgeschwindigkeit außerordentlich gering und läuft die Reaktion selbst in einer Flamme noch äußerst langsam ab.

Das Vorhandensein atomarer Stickstoffs ist jedoch unerläßlich für die Adsorption und Diffusion des Stickstoffs an der Glühgutoberfläche. Demzufolge ergeben sich beim Nitrieren auf Basis der Reaktionsgleichungen (1) bis (3) außerordentliche Schwierigkeiten, die einer Anwendung des Nitriereinsatzhärtens entgegenstehen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten Nachteile zu beheben und insbesondere ein Verfahren zu schaffen, das beim Einsatz- bzw. Nitrierhärten eines martensitischen rostfreien Stahls ohne Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit blanke Oberflächen sowie eine bessere Beständigkeit gegen Flächenpressung und eine höhere Festigkeit ergibt. Die Lösung dieser Aufgabe geht von einem Lösungsglühen in einer Atmosphäre aus, die zu einer Stickstoffdiffusion in die Oberflächenzone des Glühteils führt und dabei ein Oberflächenhärten bewirkt.

Im einzelnen besteht die Erfindung in einem Glühverfahren, bei dem die Glühatmosphäre aus Stickstoff mit sehr geringen Mengen

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Kohlenmonoxyd und Wasserstoff besteht und neutral oder schwach reduzierendist sowie das Zersetzungsgas eines organischen Lösungsmittels enthält. In dieser Atmosphäre wird das Glühgut lösungsgeglüht und abgekühlt. Zum Abkühlen eignet sich jedoch auch eine Stickstoffatmosphäre. In jedem Falle ergibt sich eine nitriergehärtete Oberflächenschicht. Als Lösungsmittel eignen sich Isopropylalkohol und Methylacetat, die sich bei erhöhter Temperatur zu aktivem Kohlenstoff, Kohlenmonoxyd und Wasserstoff zersetzen. Vorzugsweise besteht die Glühatmosphäre aus 95 bis 97»5 Vol.-% Stickstoff und 2,5 bis 5 Vol.-% Zersetzungsgas.

Die oben erwähnten Schwierigkeiten der herkömmlichen Verfahren bestehen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht, bei dem die Anwesenheit des Zersetzungsgases eines organischen Lösungsmittels das Entstehen atomaren Stickstoffs begünstigt und somit das Aufsticken des Glühguts erleichtert. Bei Glühtemperatur zersetzt sich das organische Lösungsmittel und bildet naszierenden Sauerstoff und ein reduzierendes Gas. Beides wirkt sich insofern vorteilhaft aus, als damit eine blanke Glühgutoberfläche und ein rasches Entstehen atomaren Stickstoffs verbunden ist.

Der Stickstoff der Glühatmosphäre setzt sich mit dem naszierenden Sauerstoff entsprechend der Reaktionsgleichung (4) zu Stickoxyd und atomarem Stickstoff um:

N₂ + 0 —*- NO + N + 75 kcal (4)

Außerdem zerfällt das Kohlendioxyd des reduzierenden Gases aus der Zersetzung des organischen Lösungsmittels gemäß Gleichung (5) und reagiert mit aktivem Kohlenstoff entsprechend Gleichung (6) jeweils zu Kohlenmonoxyd und Sauerstoff.

CO₂ —+* CO + 0 + 126,11 kcal (5) 2CO₂ + C -^- 3C0 + 0 + 3,55 kcal (6)

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Es ist bekannt, daß nach Reaktionsgleichung (4) sehr leicht atomarer Stickstoff entsteht. Der nach dieser Gleichung entstehende naszierende Stickstoff wird sofort an der Glühgutoberfläche adsorbiert und diffundiert in das Glühgut hinein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung und von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine grafische Darstellung der Härte über den Querschnitt eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einsatzgehärteten Gewindeschneiders,

Fig. 2 die Gefügeaufnahme eines Querschliffs einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einsatzgehärteten Messerschneide und

Fig. 3 die Stickstoffkonzentration über den Querschnitt der Messerschneide gemäß Fig. 2.

Schrauben aus Nichteisenmetallen wie Aluminium oder Kupfer oder Schrauben aus Stahl werden häufig direkt, d.h. ohne vorheriges Aufbohren mit einem Innengewinde versehen. Dies geschieht mit Hilfe von einsatzgehärteten Gewindeschneidern hoher Härte und Zugfestigkeit. In vielen Fällen ist jedoch die Oberflächenhärte nicht ausreichend.

Im Rahmen eines Versuches wurde ein Gewindeschneider aus dem martensitischen rostfreien Stahl SUS 410 JIS zehn min. bei 1050⁰C in einer Atmosphäre aus 97 Vol.-% Stickstoff und 3 Vol.-%-des Zersetzungsgases eines organischen Lösungsmittels geglüht und anschließend in Stickstoffatmosphäre abgekühlt. Die Härteverteilung des nitriergehärteten Gewindeschneiders ergibt sich

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aus dem Diagramm der Fig. 1. Der Kurvenverlauf im Diagramm der Fig. 1 zeigt, daß die Kernhärte des Gewindeschneiders bei etwa 430 HV liegt, während die Oberflächenhärte bei einer Einhärtetiefe von etwa 250 jam etwa 600 HV beträgt. Diese Härte ist für ein Gewindeschneiden völlig ausreichend.

Der Gewindeschneider wurde alsdann in eine Lösung von Salpetersäure in mit Eisen(lII)-chlrid getaucht und anschließend metallographisch untersucht. Der Querschliff gemäß Fig. 2 zeigt deutlich, daß die gehärtete Oberflächenschicht keiner Korrosion unterlag.

Unter den vorerwähnten Bedingungen wurden auch die Laufflächen eines Kugellagers aus dem martensitischen rostfreien Stahl JIS 440 einsatzgehärtet. Dabei ergab sich eine wesentlich bessere Korrosionsbeständigkeit der Kugellaufbahn.

Des weiteren wurde eine Messerschneide aus dem martensitischen rostfreien Stahl JIS 440 A sechs min. bei 1100⁰C in der obenerwähnten Glühatmosphäre geglüht und in einer Stickstoffatmosphäre abgekühlt. Anschließend wurde die Stickstoffkonzentration über den Messerquerschnitt mit Hilfe einer Mikrosonde bestimmt. Dabei ergab sich das Diagramm der Fig. 3, dem eine Eindringtiefe des Stickstoffs von 40 jam zu entnehmen ist.

Um des weiteren die Korrosionsbeständigkeit von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einsatzgehärteten Teilen zu belegen, wurden Salz sprühversuche entsprechend JIS Z 2371 und Z 2912 durchgeführt. Dabei wurden jeweils fünf Proben 96 Stunden bei einer Temperatur von 35 C besprüht. Die Versuchsergebnisse sind zusammen mit den Ergebnissen von Vergleichsversuchen in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.

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-Sf-

	Λ-	A
	Rostbefall	B
erfindungsgemäß nitriert	0	B
Karbonitriert bei niedrigen Temperaturen	3
Salzbadgehärtet elektrolytisch poliert	2

Aus den Daten der Tabelle ergibt sich, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einsatzgehärteten Proben in die Qualitätsstufe A fallen und demgemäß eine weitaus bessere Rostbeständigkeit besitzen als bei niedrigen Temperaturen nach herkömmlichen Verfahren korbornitrierte oder im Salzbad abgeschreckte, elektrolytisch polierte Vergleichsproben. Hier zeigt sich die Wirkung des organischen Zusatzes zu der Glühatmosphäre, der nach seiner Zersetzung nicht nur das Aufsticken des Glühguts begünstigt sondern auch eine neutrale oder schwach reduzierende Atmosphäre bedingt und blanke Oberflächen sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit gewährleistet.

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Claims

Kabuäiki Kaisha Fujikoshi, 20 Ishigane, Toyama-shi, Japan Patentansprüche;

1. Verfahren zum Nitrierhärten von Gegenständen aus martensitischem rostfreiem Stahl, bei dem das Härtegut in einer sauerstoffhaltigen Stickstoffatmosphäre lösungsgeglüht wird, gekennzeichnet durch ein Glühen in einer das Zersetzungsgas eines organischen Lösungsmittels enthaltenden Atmosphäre.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühatmosphäre aus 95 Ms 97,5 Vol.-% Stickstoff und 2,5 bis 5 Vol.-% Zersetzungsgas besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennz ei chnet, daß die Glühatmosphäre das Zersetzungsgas von Isopropylalkohol und/oder Methylacetat enthält.

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