DE3501409A1 - Verfahren zum einsatzhaerten von rostfreiem stahl - Google Patents
Verfahren zum einsatzhaerten von rostfreiem stahlInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Uerfahren zum Einsatz
härten von rastfreiem Stahl.
Es sind verschiedene Metallbehandlungsverfahren bekannt, bei
denen metallische Werkstücke wie Werkzeuge, Gesenke, Drehstähle, Gußteile, bearbeitete Schmiedeteile und dgl. thermisch
gesteuerten Atmosphären ausgesetzt werden, welche Stickstoff enthalten, um den chemischen Aufbau des Werkstückes zu verändern
und seine physikalischen Eigenschaften zu verbessern. Illustrative Beispiele solcher Verfahren sind Nitrieren,
1D Karbonitrieren und Nitrokarburieren.
Bei Nitrierhärten werden Eisenmetall-Werkstücke in einem
Dfen erhitzten, von Ammoniak abgeleiteten Atmosphären ausgesetzt, die aktiven Stickstoff enthalten. Der aktive Stickstoff,
der normalerweise von ungereinigtem Ammoniak abgeleitet
wird, das in dem Ofen thermisch zersetzt wird, diffundiert
in die Oberfläche des Werkstückes und bildet eine stickstoffreiche Oberflächenschicht, welche komplexe Nitride
enthält, siehe beispielsweise US-PS k 236
Beim Karbonitrieren und Nitrokarburieren werden ebenfalls von
Ammoniak abgeleitete Atmosphären ähnlich wie beim Nitrieren verwendet, nur daß 'die OfenatmosphSre auch aktiven Kohlenstoff
enthält, der zusätzlich zum Stickstoff in das Werkstück diffundiert, siehe US-PS 3 663 315.
Nitrierte, karbonitrierte und nitrakarburierte Werkstücke
haben verbesserte Eigenschaften, vornehmlich eine gröBere
Härte, eine verbesserte Abrieb- und Korrosionsfestigkeit
und einen erhöhten Widerstand gegen Ermüdung, wodurch diese Uerfahren bei der Herstellung von Metall-Schneid- und
Drehstählen, Maschinenteilen und dgl. weite Anwendung gefunden haben.
Im Laufe der Jahre haben die Nitrier-, Karbonitrier- und
Nitrokarburierverfahren sowie damit verwandte Uerfahren
die mit höherer Temperatur arbeitenden Einsatzhärteverfahren,
wie Aufkohlen, abgelöst, da sie weniger Energie benö-
BAD ORIGINAL ^
tigen und einen geringeren Verzug der behandelten Werkstücke
verursachen. Die Anwendung dieser Verfahren auf Werkstücke aus rostfreiem Stahl entsprechend der üblichen
Praxis in Salzbädern und Tiefofen ist schwierig-und zeitraubend
und wird kompliziert durch das Erfordernis einer chemischen Vorbehandlung, d.h. einer Oberflächenaktivierung,
der Werkstücke aus rostfreiem Stahl, die notwendig ist, um eine gleichförmige Oberflächendurchdringung durch
den aktiven Stickstoff zu bewirken. Die chemische Vorbehandlung macht es notwendig, das Werkstück zu waschen, um
Chemikalien zu entfernen, die die folgenden Verfahrensschritte negativ beeinflussen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Einsatzhärten von rostfreiem Stahl und anderen hüchlegierten Stählen zu schaffen, das bei niedrigen Temperaturen
einsatzgehärtet, z.B. nitriert, karbonitriert oder
nitrokarburiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Oberfläche des Werkstückes in einem Säurebad aktiviert, d.h. geätzt wird, und daß das aktivierte Werkstück mit oder
ohne Zwischenbehandlung mit Wasser oder dgl. zum Entfernen der Säure von seiner Oberfläche in ein Fließbett eingeführt
wird, dessen Fluidisiergas eine Metallbehandlungsatmosphäre umfaßt, die mindestens etwas aktiven Stickstoff enthält.
Vorzugsweise ist die Quelle des aktiven Stickstoffs Ammoniak und das Fließbettmedium ist Aluminiumoxid. Aktiver
Stickstoff bedeutet in diesem Zusammenhang Stickstoff in jeder Form, in der er in der Lage ist, in die Oberfläche
des Werkstücks zu diffundieren.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Werkstücke nicht getrocknet zu werden braue hen, bevor sie in das heiße Fließbett
eingeführt werden, da die Flüssigkeit fast sofort darin verdampft und daher das Behandlungsverfahren nicht beeinflußt.
BAD ORIGINAL
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben, in der schematisch und im Querschnitt
eine Fließbettanlage dargestellt ist, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Der in der Zeichnung dargestellte Metallbehandlungsofen 10
weist eine starre Hülle 12, vorzugsweise aus Stahl auf, die mit einer schweren Isolierung 14 aus Keramikfasern oder dgl.
ausgekleidet ist, welche Heizelemente oder Brenner 16 umschließt, die in thermischer Verbindung mit einer senkrechten
Retorte 15 sind, welche die Behandlungszane innerhalb des Ofens darstellt. Das obere Ende der Retorte 15 ist von
einem abnehmbaren isolierten Deckel 16 verschlossen, der mit
einer Entlüftung 20 versehen ist, durch welche Gase aus der Retorte 15 entweichen können. Ein Pilotbrenner 19 kann vorgesehen
sein, um austretendes entflammbares fluldisierendea
Gas abzufackeln. Es kann aber auch ein nicht dargestellter?
Rückführsystem für fluidisierendes Gas vorgesehen werden, *
um die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu verbessern.
Ein Mechanismus 22 öffnet und schließt den Deckel 18, um das Einsetzen und das Entfernen eines Werkstück-Aufnahmekorbes
24 zu erleichtern. Selbstverständlich gibt es eine Vielzahl von äquivalenten konventionellen Verfahren und
Mitteln zum Abführen des Gases und zum Öffnen und Schließen
des Deckels einschließlich Mitteln zum Entfernen von in dem
Abgas enthaltenen Feststoffen.
Das untere Ende der Retorte 15 wird νσπ einer gasdurchläs- \
sigen Verteilerplatte 26 gebildet, durch welche fluidisie- ί
rende und/oder Behandlungsgase in die Retorte 15 eintreten können und dafür sargen, daß die Feststoffe, beispielsweise
Aluminiumoxid-Partikel mit einer Korngröße von 0,13 oder
0,18 mm, oder andere inerte Feststoffpartikel des Fließbettes
30 in den Gasen suspendiert werden, die mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 bis 6 m/min oder mehr senkrecht.
BAD
hindurchgeführt werden. Das suspendierte Fließbettmedium
verhält sich wie eine Flüssigkeit, die im folgenden als "expandierte Masse" bezeichnet wird. Die fluidisierenden
Gase und die Behandlungsgase werden durch eine Leitung 32 und einen EinlaßanschluB 29 einer Kammer 28 unterhalb der
Verteilerplatte 26 zugeführt. Die Leitung 32 steht mit Zuführleitungen 34 und 36 zum Zuführen von fluidisierenden
Gasen und von Behandlungsgasen in Verbindung. Die Zuflußleitungen
3k und 36 gehen von einer Steuervorrichtung
1G 38 aus, die auswählt, welche Gase der Leitung 32 zugeführt
werden und die die Durchflußgeschwindigkeit und/oder Durchflußmenge
jedes der Gase reguliert. Die Vorrichtung 38 enthält eine Anzahl von Regelventilen und Durchflußmessern,
wie dies allgemein bekannt ist.
Es Bei darauf hingewiesen,- daß verschiedene Leitungen, Ventile
und dgl. hinzugefügt oder weggelassen werden können, entsprechend dem angewandten Verfahren, und daß die um die
gesamte Vorrichtung vorgesehene Isolierung dazu bestimmt ist, die Wärme zu halten und eine unerwünschte Kondensation
2D von Gasen zu verhindern.
Ein typisches Beispiel eines Verfahrens nach der Erfindung ist die IMitrokarburierung von bearbeiteten Teilen aus rostfreiem
Stahl, um eine flache Einsatzhärteschicht zwecks erhöhtem Verschleißwiderstand zu erzeugen. Die Teile uierden
zunächst oberflächenaktiviert, indem sie in einer Säurelösung, beispielsweise 6% Salpetersäure und 1% oder weniger
Salzsäure in Wasser, etwa eine Stunde lang eingetaucht werden.
Danach werden sie mit Wasser abgespült und in den Werkstückkorb Zk eingelegt, der dann.in die Retorte 15 eingeführt
wird, während das Fließbett mit trockenem Stickstoff fluidisiert und von den Heizelementen 16 erhitzt
wird. Der Deckel 18 wird dann geschlossen. Der trockene Stickstoff strömt kontinuierlich in die Kammer 28 und
d,urch die Verteilerplatte 26 nach oben, wobei er das
BAD ORiGJNAL
FliBBbsttmedium zu der "expandiertsn Masse" fluidisiert,
in die der Korb Zk mit den darin enthaltenen Teilen eingetaucht
ist. üJährend der Herstellung des Temperaturgleichgsuiichts
zwischen dem Fließbett und den Teilen, 'was narmaleruieise
10 bis 60 Minuten dauert, strömt das trockene Stiukstoffgas
kontinuierlich. Obgleich die aktiven Gase, Ammoniak und Erdgas, sofort eingeführt werden können, ist es billiger,
das System nur unter Stickstoffatmosphäre auf die Vurfahrenstemperaturen
zu bringen, da die aktiven Gase im allcjemeinen teuerer sind als Stickstoff. Wenn das Fließbett und
die Teile auf Nitrokarborier^-Temperatur sind, wird das Ammoniak
zusammen mit .dem Erdgas zwecks Nitrokarburierung in der
vorher beschriebenen Weise der Retorte 15 zugeführt. Typische IMitrokarburier-Temperaturen von 480 bis 58O0C werden
durch entsprechende Steuerung der Heizelemente 16 erreicht, und die Ventile in der Steuereinrichtung 38 werden so eingestellt,
daß die Gaszusammensetzung von reinem Stickstoff zu Ammoniak plus Erdgas verändert wird. Selbstverständlich
können auch andere Gase, beispielsweise Stickstoff plus Pmpan plus Ammoniak usw. oder Kombinationen derselben zugeführt
werden oder das Erdgas erse.tzen, um das Behandlungsverfahren
in gewünschter Weise zu verändern. Im gegenwärtigen Beispiel tritt das Ammoniak zusammen mit Erdgas
durch die Uerteilerplatte 26 mit einer ausreichenden Geschwindigkeit,
beispielsweise Z,k bis 3,6 m/min, vorzugsweise 3 m/min, senkrecht in die beheizte Retorte 15 ein,
um eine Fluidisierung des Fließbettes zu bewirken, während der aktive Stickstoff und der aktive Kohlenstoff aus den
Gasen in die Oberflächen der Teile diffundiert und eine flache einsatzgehärtete Schicht bildet. Dieser Uerfahrensschritt
kann zwischen 30 Minuten und '8 Stunden dauern. DiG Teile werden dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die gemäß
diesem Verfahren behandelten Teile haben eine gleichmäßig einsatzgehärtete Oberflächenschicht.
BAD
In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Parameter zur
Behandlung verschiedener Zusammensetzungen von rostfreiem Stahl und die Ergebnisse aufgeführt. Die Stahl-Identifikationsnummern
in Spalte 1 sind die American Iron'and Steel (AISI) Normen. Alle Muster wurden in der vorher beschriebenen
Weise vor der Behandlung mit verdünnter Säure oberfläche
nak ti viert.
AISI Stahl |
Temperatur | Zeit | h. | Atmosphäre | 25% CH4 | Härte Knoop |
Härte- tiefe |
mm |
316 | 563°C | 6 | h. | 75% NH3, | Rest N2 | 1066 | 0,079 | mm |
17-4PH | 5630C | 6 | h. | 15% NH3, | Rest N„ | 698 | 0,058 | m ITi |
410 | 5630C | 3 | h. | 15% NH3, | 10% CH4 | 814 | 0,056 | mm |
410 | 5630C 1 | 1/2 | WNH3, | 1050 | 0,038 | |||
h. | Rest N2 | 25% CH4 | mm | |||||
316 | 8950C | 1 | 1% NH3, Rest ftL |
642 | 0 1 10 |
Claims (1)
- PATENTÄNTWALTE/SPEiDeiZugelassener Vertreter vor dem Europäischen PatentamtPatentanwalt E. Speidel · Poetfach 1320 · D-8035 GautingPostfach 1320
D-8035 GautingKanzlei: Waldpromenade 26 Telefon: München (089) 8 50 50 86 Telegramme: Germarkpat Gauting Telex 521 707 lore DDatum:Ihre Zeichen:Meine Zeichen: P 1396Procedyne Corp., Neu Brunsuick, N.J., U.S.A,Verfahren zürn Einsatzhärten van rostfreiem StahlPatentansprüche1. Verfahren zum Einsatzhärten von rostfreiem Stahl, dadurch g e'k ennzeichnet , daBa) ein zu härtendes, aus rostfreiem Stahl bestehendes Teil aktiviert wird, indem es einer Säure ausgesetzt wird, undb) das aktivierte Teil in eine Behandlungsatmosphäre in einem beheizten Fließbett eingeführt uird, die aktiven Stickstoff enthält, der in der Lage ist, in das Teil zu diffundieren.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Stickstoff von Ammoniak abgeleitet uird.3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsatmosphäre auch aktiven Kohlenstoff enthält, der in der Lage ist, in das Teil zu diffundieren.Bankverbindung: Hypobank Gauting Konto-Nr. 3 750123 448 (BLZ 700 260 01)k. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fließbett auf einer Temperatur von ettua 5630C und das Teil über einen Zeitraum von mehr als etua 1 Stunde darin gehalten wird, und daß die Behandlungsatmosphäre von einer Gasmischung abgeleitet uiird, die im uesentlichen aus etwa 15% Ammoniak und etwa 85% Stickstoff besteht.5. l/erfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fließbett auf einer Temperatur von etua 5630C und das Teil darin über einen Zeitraum von mehr als etua 1 Stunde gehalten wird, und daß die Behandlungsatmosphäre von einem Gasgemisch abgeleitet wird, das im wesentlichen aus etwa 75 Gew.% Stickstoff und 25 Geuü.% Methan besteht.6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fließbett auf einer Temperatur von etua 563 C und das Teil darin über einen Zeitraum von mehr als etua einer halben; Stunde gehalten wird, und daß die Behandlungsatmosphäre voneinem Gasgemisch abgeleitet wird, das im wesentlichen aus) etuia 1G Gew.% Ammoniak, 10 Geu.% Methan, Rest Stickstoff,be-i^ steht.7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fließbett auf einer Temperatur von etwa 895DC und das Teil darin über einen Zeitraum von mehr als etwa 1 Stunde gehalten wird, und daß die Behandlungsatmosphäre von einem Gasgemisch abgeleitet uiird, das im wesentlichen aus etua 7 Geu.% Ammoniak, 25 Geu.% Methan, Rest Stickstoff, besteht.8. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche k bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure eine wässrige Lösung van 9 bis 12 Gew.% Salpetersäure und weniger als 2 Geu.% Salzsäure i.st.9. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure eine wässrige Lösung von 50 bis 90 Geu.% Salzsäure ist.BAD ORIGINAL
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