DE3042469A1

DE3042469A1 - Nitrid-einsatzhaertung und das dadurch erhaltene erzeugnis

Info

Publication number: DE3042469A1
Application number: DE19803042469
Authority: DE
Inventors: Thomas Calvin Rose; Roy Wayne San Jose Calif. Short
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-11-16
Filing date: 1980-11-11
Publication date: 1981-05-27
Also published as: IT8025929A0; SE8008023L; US4264380A; ES496883A0; ES8202064A1; JPS6039149B2; IT1134239B; DE3042469C2; JPS5693874A

Description

Nitrid-Einsatzhärtung und das dadurch erhaltene Erzeugnis

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenhärtung oder Einsatzhärtung von Eisenlegierungen durch Erwärmen solcher Metalle in Gegenwart von Ammoniak als Quelle für nascierenden oder aktiven Stickstoff, insbesondere auf ein neues Nitrierverfahren zur Bildung eines verbesserten, gleichförmiger gehärteten und dauerhaften Oberflächenteils oder -mantels.

Die Härtung von Stahloberflächen oder die Einsatzhärtung durch Erhitzen von Stahl in einer gasförmiges Ammoniak als Stickstoffquelle aufweisenden Atmosphäre ist eine altbekannte Technik, wie aus der US-PS 1 804 176 (vom 5. 5. 1931) hervorgeht. Wie im Engineering Materials Handbook, McGraw-Hill Book Co. Inc., 1958, S. 21-22, beschrieben, gehört zur Gasnitrierung typischerweise eine erste Stufe, bei der der einsatzzuhärtende Gegenstand bei einer Temperatur von 524⁰C (975⁰F) in einer Atmosphäre aus 20 % dissoziiertem Ammoniak gehalten wird, worauf eine zweite Stufe folgt, bei der der Gegenstand auf eine Temperatur zwischen 552 und 566°C (1025 und 1050⁰F)

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in einer Atmosphäre aus 85 % dissoziiertem Ammoniak erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten wird.

Es gibt jedoch eine Reihe üblicher Spezialstähle, einschließlich z.B. bestimmte Kategorien verhältnismäßig chromreicher oder chrom- und nickelreicher Eisenstähle, insbesondere austenitischer rostfreier Stähle, die besonders schwierig oder mühsam wirksam zu nitrieren sind. Beispielsweise ist die US-PS 2 789 930 auf dieses Problem der Widerstandsfähigkeit rostfreier Stähle aus chromreichen Eisenlegierungen gegen das Nitrieren (Nitridieren) gerichtet und schlägt deshalb die Einführung von Chlorwasserstoff säure in das Verfahren vor. Die Säuredämpfe kombinieren nach dieser Patentschrift mit dem Ammoniakgas zu Ammoniumchlorid, um den Oxidfilm des Chroms zu verändern, der für Stickstoff eine Sperre darstellt.

Abgesehen von solchen Schwierigkeiten bezüglich der Nitrid-Einsatzhärtung üblicher Arten rostfreien Stahls versagen häufig die Arbeitsweisen oder Techniken zur Gasnitrierung gemäß dem Stand der Technik bei ihrer Anwendung auf bestimmte Klassen von Eisenlegierungen, was die Bildung eines kontinuierlichen und gleichförmigen, rißfreien Nitridmantels oder eines gehärteten Teils betrifft, der sich gleichmäßig über den ganzen, so behandelten Oberflächenteil erstreckt.

Die Figur ist eine schematische, vergrößerte Schnittansicht eines Gegenstands aus einer Eisenlegierung mit einem einsatzgehärteten Nitrid-Oberflächenteil oder einer Nitridphase darauf.

Erfindungsgemäß können gleichförmige kontinuierliche und rißfreie verbesserte einsatzgehärtete Oberflächen auf Eisenlegierungen gebildet werden, die allgemein schwer zu nitrieren sind, und zwar mit Hilfe einer speziellen Kombi-

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nation aufeinanderfolgender Temperatur- und Stickstoffbedingungen, wie nachfolgend ausgeführt.

Kurz zusammengefaßt umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren eine Nitrierhärtung, bei der der Gegenstand aus Eisenlegierung für die Einsatzhärtung einer Kombination und Folge von Erhitzen und Stickstoffgaszusätzen unterworfen wird, wozu folgende Stufen gehören: (1) eine erste Stufe bei einer Temperatur unter etwa 496°C (925°F) und einer Atmosphäre mit geringer Ammoniakdissoziation,

(2) eine Zwischen- oder Übergangsstufe mit einer Atmosphäre verhältnismäßig hoher Ammoniakdissoziation, darauf

(3) eine folgende Stufe erhöhter Temperatur von wenigstens 535⁰C (1000⁰F) und mit einer Atmosphäre verringerter und mittlerer Ammoniakdissoziation bezüglich der übrigen Stufen.

Im einzelnen gehört gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zur vorläufigen Temperaturstufe für die praktische Durchführung der Erfindung, nach routinemäßigem Erhitzen und Spülen der Atmosphäre um den Gegenstand aus einer Eisenlegierung herum mit einem geeigneten stickstoffhaltigen Gas, wie wasserfreiem Ammoniak, das Halten des Gegenstands auf einer Temperatur im Bereich von etwa 480 bis etwa 496⁰C (etwa 900 bis etwa 925⁰F) für verhältnismäßig kurze Zeit von im allgemeinen etwa einer halben bis einer oder zwei Stunden. Während einer solchen vorläufigen Wärmebehandlungsstufe weist die Atmosphäre um den zu nitrierenden Gegenstand wasserfreies Ammoniak und ein verhältnismäßig niedriges Ammoniak-Dissoziationsverhältnis von etwa 8 bis etwa 15 % auf.

Sodann wird in der Zwischen- oder Übergangsstufe die Atmosphäre um den Gegenstand aus im wesentlichen wasserfreiem Ammoniak verdünnt und teilweise weggespült, indem

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dissoziiertes Ammoniak zugeführt wird, bis die erhaltene Atmosphäre mehr als etwa 80 % dissoziiertes Ammoniak enthält.

Dann wird in der folgenden Temperaturstufe des Nitrierverfahrens der Gegenstand auf eine Temperatur im Bereich von etwa 570 bis etwa 585°C (etwa 1060 bis etwa 1080⁰F) erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten, und bei Erreichen dieser Temperatur wird der Ammoniak-Dissoζiationsgrad auf einen Bereich von etwa 65 bis etwa 75 % Dissoziation reduziert und dort durch Einstellen der Anteile an wasserfreiem Ammoniak und dissoziiertem Ammoniak, der Atmosphäre zugeführt, gehalten. Die Bedingungen dieser letzteren Stufe werden dann im wesentlichen während des übrigen Nitrierverfahrens beibehalten, bis ein Nitridmantel oder ein gehärteter Oberflächenteil der Eisenlegierung von ausreichender Tiefe oder Abmessung entstanden ist. Bei Erreichen eines angemessenen Mantels oder Nitrierhärtungstiefe wird die Wärmeeinwirkung beendet und der Gegenstand kann sich auf Raumtemperatur abkühlen.

Wenngleich das oben beschriebene, erfindungsgemäße Nitrierverfahren auf eisenhaltige Legierungen oder Stahl im allgemeinen anwendbar und dabei wirksam ist, ist es besonders vorteilhaft und brauchbar für die Gasnitrierung der schwerer zu nitrierenden chromreichen Eisenlegierungen, wie von rostfreien Stählen und insbesondere der aus_tenitischen rostfreien Stähle einschließlich deren 300-Serien. Eisenlegierungen oder Stahl solcher Zusammensetzungen und allgemeine Widerstandsfähigkeit gegenüber Nitrierung können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Nitrierverfahrens behandelt werden, das einen äußerst gleichförmigen und im wesentlichen rißfreien kontinuierlichen Mantel oder einen gehärteten Nitrid-Oberflächenteil oder eine Schicht hervorbringt, der bzw. die dauerhaft und beständig gegen Abrieb und Korrosion, Verschleiß, Riefenbildung oder Festfressen und Verwölbung oder Verdrillung ist.

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Die Atmosphärenbedinyungen, wie der Amman iakgeha it. » j ·■>.·"! die Dissoziationsgrade als Quelle für nascierenden oder aktiven Stickstoff, können leicht geschaffen und iniL herkömmlichen Techniken gesteuert werden. Dazu kann z.B. gehören, eine Quelle oder Zufuhr sowohl für wasserfreies Ammoniak als auch für dissoziiertes Ammoniak vorzusehen und deren in die Atmosphäre des Systems eingeführte Anteile so einzustellen, daß die speziellen Bedingungen des Ammoniaks und des Prozentsatzes der Dissoziation, wie vom erfindungsgemäßen Verfahren verlangt, geschaffen werden.

Dieses Verfahren kann ferner in einem herkömmlichen Kämmenofen oder einer anderen geeigneten Wärmebehandlungseinrichtung durchgeführt werden, worin die Atmosphäre isoliert und gesteuert werden kann. Auch können herkömmliche Maßnahmen angewandt werden, um Oberflächenteile eines Gegenstands zu maskieren oder abzublocken, für die es nicht erforderlich oder erwünscht ist, sie einsatz- oder nitxidzuhärten. Beispielsweise können Teile maskiert und vor dein Nitrieren durch Abdecken mit Zinn, Bronze oder Kupfer und bestimmten Spezialanstrichfarben geschützt werden.

Es folgt ein spezielles Beispiel einer bevorzugten Art der praktischen Durchführung der Erfinung zur Bildung eines gleichförmig zusammenhängenden und rißfreien, kontinuierlichen Mantels oder einer gehärteten Oberfläche auf einem schwer zu nitrierenden rostfreien Stahl (im Handel unter der Bezeichnung "rostfreier Stahl X M-19"). Diese Stahlqualität hat folgende chrom- und nickelreiche Legierungszusammensetzung in Gewichtsprozent:

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Cr	20,5	- 23,5
Ni	11,5	- ^3,5
Mn	4,0	- 6,0
Mo	1,5	- 3,0
Si	1 ,00	maximal
N	0,25	- 0,35
Nb	0,15	- 0,30
V	0,15	- 0,30
Cu	0,15	maximal
Co	0,05	maximal
C	0,04	maximal
P	0,02	0 maximal
O	0,01	5 maximal
S	0,0¹	0 "laximal
Spurenelemente insges.	0,40	maximal
Fe	Rest

Gegenstände aus der obigen rostfreien Stahl?.egierung mit Oberflächenteilen, die Nitrid-einsatzgehärtet werden sollen, wurden in geeigneter Weise mit einem Lösungsmittel gereinigt und in einem herkömmlichen Kammerofen mit einer Einrichtung zum Abschließen und Steuern der Atmosphäre mit Fluideinlaßeinrichtungen und einer Ventilierungsöffnung gebracht. Der Ofen wurde mit einer Quelle für wasserfreies Ammoniak und einer Quelle für dissoziiertes Ammoniak sowie geeigneten, damit verbundenen Strömungsregel- und -proportionxereinrichtungen verbunden.

Nach dem Einschließen der Gegenstände im Ofen wurde die Temperatur darin auf etwa 488 bis 496°C (910 bis 925°F) gesteigert und die Ofenatmosphäre mit wasserfreiem Ammoniak gespült. Nach dem Erreichen der Temperatur der ersten Stufe von 488 bis 496⁰C wurde das dem Ofen zugeführte Ammoniakgas so eingestellt, daß es eine Dissoziation von 8 bis 15 % in der Ofenatmosphäre lieferte, und dieser Temperaturwert und dieses Dissoziationsverhältnis

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wurden für etwa 1 Stunde beibehalten.

Darauf wurde der Strom des wasserfreien Ammoniaks in den Ofen reduziert und der Strom dissoziierten Ammoniaks gesteigert, um den Ammoniak-Dissoziationsgrad der Ofenatmosphäre auf 85 bis 95 % für die Zwischen- oder Übergangsstufe einzustellen.

Nach Erreichen einer Ofenatmosphäre von 85 bis 95 % dissoziiertem Ammoniak wurde darm die Temperatur auf 577 bis 582°C (1070 bis 1080⁰F) erhöht und nach dem Erreichen der Temperatur die Ammoniakgas-Zufuhr wieder eingestellt, um die Ammoniakdissoziation der Atmosphäre auf 65 bis 75 % für die folgende Temperaturstufe zu verringern. Diese letzteren Bedingungen der Temperatur und und der Ammoniak-Dissoziation wurden für 40 h der nachfolgenden Temperaturetufe beibehalten, eingeschlossen die Zeitspanne, die zur Erzielung einer gleichförmigen Nitridhärtungstiefe bis zu etwa 0,10 bis 0,18 mm (etwa 0,004 bis 0,007 Zoll) erforderlich war. Nach Beendigung des Ansatzes wurde der Ofen abgeschaltet und die Ammoniakatmosphäre aufrechterhalten, bis die Temperatur unter etwa 150⁰C (300⁰F) gefallen war.

Bei der Untersuchung erwiesen sich der Nitridmantel oder die gehärteten Oberflächenteile als von gleichförmiger Tiefe und Konsistenz und frei von Rissen oder Brüchen.

Die Figur zeigt eine vergrößerte Schnittansicht eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gegenstands. Der Gegenstand 10 weist einen Kern oder ein Substrat 12 aus chromreichem rostfreiem Stahl mit einem Nitridmantel oder einem gehärteten Oberflächenteil 14, darüber ausgebildet oder überlagert, auf.

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L e e r s e i t e

Claims

1 River Roai
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Ansprüche

Verfahren zum Nitrieren von Eisenlerungen zum Härten eines Oberflächenteils, gekennzeichnet durch

a) Erhitzen eines Gegenstands aus einer Eisenlegierung auf eine Temperatur unterhalb etwa 496°C und Unterwerfen des Gegenstands einer wasserfreies Ammoniak enthaltenden Atmosphäre,

b) Verdrängen wenigstens eines Teils des wasserfreien Ammoniaks der Atmosphäre um äen Gegenstand durch dissoziiertes Ammoniak,

c) Erhitzen des Gegenstands auf eine Temperatur von wenigstens etwa 535⁰C und

d) Herabsetzen des Gehalts an dissoziiertem Ammoniak in der Atmosphäre um den Gegenstand.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand zunächst auf eine Temperatur von etwa 480 bis etwa 496°C erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserfreie Ammoniak der Atmosphäre um den Gegenstand durch dissoziiertes Ammoniak in einer Menge verdrängt wird, daß eine Ammoniakdissoziation in der Atmosphäre von mehr als etwa 80 % erzielt wird.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand anschließend auf eine Temperatur von etwa 570 bis etwa 585⁰C erhitzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ammoniakdissoziation in der Atmosphäre um den Gegenstand von über 80 % auf etwa 65 bis etwa 75 % nach der Tempera.turerhöhung auf etwa 570 bis etwa 585⁰C gesenkt wird.

6. Verfahren zum Nitrieren von Eisenlegierungen, zum Härten eines Oberflächenteils, gekennzeichnet durch

a) Erhitzen eines Gegenstands aus einer Eisenlegierung auf eine erste Temperaturstufe unterhalb von etwa 496⁰C und Aussetzen des erhitzten Gegenstands einer wasserfreies Ammoniak enthaltenden Atmosphäre,

b) Schaffung einer Ammoniakatmosphäre um den Gegenstand mit mehr als etwa 80 % Ammoniak-Dissoziation,

c) Erhitzen des Gegenstands auf eine sich anschließende Temperaturstufe über etwa 535⁰C und

d) Schaffung einer Ammoniakatmosphäre um den Gegenstand mit etwa 65 bis etwa 75 % Ammoniakdissoziation.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem chromhaltigen rostfreien Stahl als Eisenlegierung durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand auf eine Temperatur von etwa 480 bis etwa 496⁰C in der ersten Temperaturstufe erhitzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserfreie Ammoniak der Atmosphäre um den Gegenstand teilweise durch dissoziiertes Ammoniak ersetzt wird.

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10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand in der sich anschließenden Temperaturstufe auf eine Temperatur von etwa 570 bis etwa 585°C erhitzt wird.

11. Verfahren zum Nitrieren chromhaltiger Eisenlegierungen zum Härten eines Oberflächenteils, gekennzeichnet durch

a) Erhitzen eines Gegenstands aus einer chromhaltigen Eisenlegierung auf eine erste Temperaturstufe von etwa 480 bis etwa 496⁰C und Unterwerfen des erhitzten Gegenstands einer wasserfreies Ammoniak aufweisenden Atmosphäre,

b) Verdrängen wenigstens eines Teils des wasserfreien Ammoniaks der Atmosphäre um den Gegenstand durch dissoziiertes Ammoniak in einer eine Ammoniak-Dissoziation über etwa 80 % in der Atmosphäre um den Gegenstand liefernden Menge,

c) Erhitzen des Gegenstands auf eine sich anschließende Temperaturstufe von etwa 570 bis etwa 858°C und

d) Verringern der Ammoniakdissoziation der Atmosphäre um den Gegenstand auf etwa 65 bis etwa 75 %.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als chromhaltige Eisenlegierung rostfreier Stahl verwendet wird.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Gegenstand bei der vorangehenden oder ersten Temperaturstufe auf etwa 480 bis etwa 496⁰C für wenigstens etwa eine halbe Stunde gehalten wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Dissoziationsgrad des Ammoniaks in der Atmosphäre um den Gegenstand durch Zuführen von wasserfreiem Ammoniak und dissoziiertem Ammoniak und durch Einstellen der Anteile der zugeführten Mengen geschaffen wird.

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15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand in der ersten Temperaturstufe bei etwa 480 bis etwa 496⁰C für etwa eine halbe Stunde bis etwa 2 Stunden gehalten wird.

16. Verfahren zum Nitrieren chromhaltiger Eisenlegierungen zum Härten eines Oberflächenteils, gekennzeichnet durch

a) Erhitzen eines Gegenstands aus einer chromhaltigen Eisenlegierung auf eine erste Temperaturstufe von etwa 480 bis etwa 496⁰C und Halten des Gegenstands bei der Temperatur über wenigstens etwa eine halbe Stunde, während der erhitzte Gegenstand eindr wasserfreies Ammoniak aufweisenden Atmosphäre ausgesetzt wird,

b) Verdrängen wenigstens eines Teils des wasserfreien Ammoniaks der Atmosphäre um den Gegenstand durch dissoziiertes Ammoniak in einer eine Ammoniakdissoziation über etwa 80 % in der Atmosphäre um den Gegenstand herum liefernden Menge,

c) Erhitzen des Gegenstands auf eine nachfolgende Temperaturstufe von etwa 570 bis etwa 585°C und

d) Herabsetzen der Ammoniakdissoziation der Atmosphäre um den Gegenstand herum auf etwa 65 bis etwa 75 % durch Einstellen der Anteile der Mengen an wasserfreiem Ammoniak und dissoziiertem Ammoniak, die der Atmosphäre um den Gegenstand herum zugeführt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand in der ersten Temperaturstufe bei etwa 480 bis etwa 496⁰C über etwa eine halbe Stunde bis etwa 2 Stunden gehalten wird.

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18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ammoniakdissoziation während der ersten Temperaturstufe auf etwa 8 bis etwa 15 % eingestellt wird.

19. Gegenstand aus einer Eisenlegierung mit einem Nitridgehärteten Oberflächenteil als Erzeugnis der folgenden Wärme- und Stickstoffbehandlung:

a) Erhitzen eines Gegenstands einer Eisenlegierung auf eine Temperatur unterhalb etwa 496°C und Unterwerfen des Gegenstands einer wasserfreies Ammoniak aufweisenden Atmosphäre,

b) Verdrängen wenigstens eines Teils des wasserfreien Ammoniaks der Atmosphäre um den Gegenstand herum durch dissoziiertes Ammoniak,

c) Erhitzen des Gegenstands auf eine Temperatur von wenigstens etwa 535⁰C und

20. Gegenstand aus einer Eisenlegierung mit einem Nitridgehärteten Oberflächenteil als Erzeugnis der folgenden Wärme- und Stickstoffbehandlung:

a) Erhitzen eines Gegenstands einer Eisenlegierung auf eine Temperatur von etwa 480 bis etwa 496⁰C und Unterwerfen des erhitzten Gegenstands einer wasserfreies Ammoniak aufweisenden Atmosphäre,

c) Erhitzen des Gegenstands auf eine Temperatur von etwa 570 bis etwa 585⁰C und

d) Schaffen einer Ammoniakatmosphäre um den Gegenstand mit etwa 65 bis etwa 75 % Ammoniakdissoziation.

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21. Gegenstand aus einer chromhaltigen Eisenlegierung mit einem Nitrid-gehärteten Oberflächenteil als Erzeugnis der folgenden Wärme- und Stickstoffbehandlung:

a) Erhitzen eines Gegenstands einer chromhaltigen Eisenlegierung auf eine Temperatur von etwa 480 bis etwa 496⁰C und Halten des Gegenstands auf dieser Temperatur über wenigstens etwa eine halbe Stunde, während der erhitzte Gegenstand einer wasserfreies Ammoniak enthaltenden Atmopshäre ausgesetzt wird,

c) Erhitzen des Gegenstand auf eine Temperatur von etwa 570 bis etwa 585⁰C und

d) Herabsetzen der Ammoniak-Dissoziation der Atmosphäre um den Gegenstand herum auf etwa 65 bis etwa 75 % durch Einstellen der Anteile der Mengen an wasserfreiem Ammoniak und dissoziiertem Ammoniak, die der Atmosphäre um den Gegenstand herum zugeführt werden.

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