DE3810892A1 - Verfahren zur nitrokarburierung und nitrierung von eisenhaltigen oberflaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenhärtung eisenhaltiger Gegenstände, die einen eisenhaltigen Kern aufweisen, und insbesondere ein Verfahren zur Härtung eisenhaltiger Oberflächen. Das Härten von Oberflächen eisenhaltiger Gegenstände durch Glühen, Nitrieren oder Aufkohlen, auch bekannt als Einsatzhärten, ist seit langem bekannt. Die bekannten Härtungsverfahren erfordern ein kontrolliertes Erhitzen des Gegenstandes, wobei unter Umständen gleichzeitig die Oberfläche des Gegenstandes entweder einem Salzschmelzebad oder einer Atmosphäre ausgesetzt wird, die Stickstoff und/oder Sauerstoff enthalten bzw. liefern. Das Bad oder die Atmosphäre können auch zusätzlich zu dem Stickstoff und dem Sauerstoff oder beiden eine Kohlenstoffquelle enthalten.

Gewöhnlich weist eine solche Atmosphäre einen inerten Träger, beispielsweise gasförmigen Stickstoff, auf, wobei die aktive Stickstoffquelle Ammoniakgas ist, während die aktive Kohlenstoffquelle Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd, Methan, Äthan, Propan oder andere Kohlenwasserstoffe bilden. Das Kohlenmonoxyd und das Kohlendioxyd sind natürlich ebenfalls Sauerstoffquellen. Als Quelle für sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff kann außerdem Cyanid dienen. Auch kann die Atmosphäre Schwefel, beispielsweise in Form von Schwefeldioxyd, enthalten. Wasserstoffgas dient oftmals als Stimulanz zur Erleichterung bzw. Beschleunigung der Reaktion des Stickstoffs sowie der Karburierungs- und Sulfidierungsquellen mit der eisenhaltigen Oberfläche. Die eisenhaltigen Oberflächen bzw. Gegenstände werden entweder in einem Umwälz- oder Konvektionsofen und in einigen Fällen in einem Wirbelschichtbett behandelt.

Obgleich diese bekannten Verfahren zu gehärteten Oberflächen auf eisenhaltigen Gegenständen geführt haben, ist doch ihre Anwendung mit gewissen Nachteilen verbunden. So erzeugen einstufige Verfahren auf dem Gegenstand nur eine einzige Schicht gehärtetes Material. Beispielsweise wird die durch gleichzeitiges Oxydieren und Nitrieren oder Aufkohlen einer eisenhaltigen Oberfläche erzeugte Schicht gewöhnlich als Epsilon-Nitrid oder Weiße Schicht bezeichnet, obgleich sie natürlich Sauerstoff enthält. Aus mehreren Verfahrensschritten bestehende Prozesse, bei denen während des Verfahrens die Materialquellen gewechselt werden oder zusätzliche Materialquellen hinzutreten, führen zu einer Ablagerung einer zweiten neuen Schicht oben auf einer vorhandenen Schicht. Diese mehrstufigen Prozesse sind jedoch nicht brauchbar, wenn eine vorhandene Schicht durch einen nachfolgenden Schichtbildungsschritt zerstört wird, wie dies oftmals der Fall ist. In jedem Fall benötigen die bekannten Verfahren relativ lange Zeit, um die gewünschten gehärteten Oberflächen auf den eisenhaltigen Gegenständen zu erzeugen. Dazu kommt, daß die bekannten Verfahren nicht zu gehärteten Oberflächen geführt haben, die eine optimale Kombination aus Verschleißwiderstand, Widerstand gegen Festfressen, Rißbildung und Oberflächenermüdung aufweisen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die genannten Nachteile der bekannten Verfahren zu beseitigen und das Verfahren so weiterzubilden, daß eisenhaltige Gegenstände mit einem mit Stickstoff angereicherten Mantel bedeckt werden, der wiederum von einer komplexen nitrokarburierten oder einsatzgehärteten Oxydschicht bedeckt ist. Im einzelnen weist das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte der Erzeugung einer nitrokarburierten, also einsatzgehärteten oder aufgekohlten Oxydschicht auf einem Eisenkern sowie der Erzeugung einer stickstoffangereicherten Umhüllung zwischen der Oxydschicht und dem eisenhaltigen Kern auf. Diese Schritte werden vorzugsweise dadurch ausgeführt, daß zunächst der eisenhaltige Gegenstand einer nitrokarburierenden und oxydierenden Atmosphäre bei einer ersten erhöhten Temperatur für eine Zeitspanne ausgesetzt wird, die ausreicht, um eine einsatzgehärtete Oxydschicht auf dem Gegenstand entstehen zu lassen, woraufhin der beschichtete Gegenstand bei einer zweiten, höheren Temperatur einer Nitrierhärtungsatmosphäre ausgesetzt wird. Die nitrokarburierende und oxydierende Atmosphäre enthält vorzugsweise Ammoniak und Kohlendioxyd und möglicherweise etwas Schwefeldioxyd, während die Nitrierhärtungsatmosphäre Ammoniak aufweist. Der eisenhaltige Gegenstand besteht vorzugsweise aus einem Stahl mit martensitischem oder bainitischem Gefüge und hat eine temperaturstabile Härte von wenigstens 30 Rockwell (HRC) und vorzugsweise zwischen 33 und 45 Rockwell (HRC).

Die vorliegende Erfindung betrifft auch die durch dieses Verfahren hergestellten Gegenstände. Diese eisenhaltigen Gegenstände weisen einen eisenhaltigen Kern, ein diesen Kern umgebendes nitriertes Material und eine komplexe, nitrokarburierte Oxydschicht oben auf der nitrierten Hülle auf, die den Kern umgibt. Der Kern besteht vorzugsweise aus einem martensitischen oder bainitischen Stahl, der eine temperaturstabile Härte von wenigstens 30 Rockwell (HRC) aufweist. Die nitrierte Hülle ist vorzugsweise stickstoffangereichert, die zwischengittergehärtete oder interstitiell gehärtete Stahlschicht ist 0,254 bis 0,889 mm dick. Die komplexe, nitrokarburierte Oxydschicht oben auf der Umhüllung weist vorzugsweise eine untere (innere) Epsilon- Nitridschicht und eine obere (äußere) poröse Oxydzone auf, wobei die untere Epsilon-Nitridschicht etwa ein- bis einundeinhalbmal so dick ist wie die poröse obere Zone. Die gesamte komplexe, nitrokarburierte Oxydschicht ist vorzugsweise zwischen 0,0203 und 0,0381 mm dick und kann auch Sulfid enthalten. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der eisenhaltige Gegenstand ein Schwinghebelarm für einen Flugmotor darstellt. Auch läßt sich die komplexe Schicht vorteilhaft mit einem Hochdrucköl oder einem Polytetrafluorid- Material tränken.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist äußerst nützlich für die Erzeugung einer gehärteten Oberfläche auf der Schwinghebelwelle eines Flugmotors. Die Schwinghebelwelle besteht aus einem Stahl, der durch Nitrokarburieren und Oxydieren eine in geeigneter Weise zusammengesetzte komplexe Zone erhält und der eine Modifizierung dieser komplexen Zone durch Reaktion und Oberflächendiffusion mit Schwefelverbindungen ermöglicht. Der Stahl der Schwinghebelwelle weist vorteilhafterweise ein martensitisches oder bainitisches Gefüge auf und besitzt eine Härte, die den besonders hohen Behandlungstemperaturen, die in dem Verfahren Verwendung finden, widersteht.

Das Verfahren wird zweckmäßigerweise durchgeführt, indem zunächst die Schwinghebelwelle in einen Ofen gelegt wird, der die Prozeßtemperaturen und die erforderlichen Reaktionsmittelströme und Trägergase bereitstellen kann. Der Ofen wird dann mit einem inerten Gas gespült, beispielsweise mit Stickstoff, und zwar mit wenigstens dem fünffachen Ofenvolumen dieses inerten Gases. Während dieses Spülvorgangs wird die Ofentemperatur auf eine erste angehobene Behandlungstemperatur erhöht. Nachdem die Temperatur auf die erste Behandlungstemperatur angestiegen ist, wird ein Gemisch aus Reaktionsgasen zusammen mit dem inerten Trägergas eingeleitet. Das Gasgemisch enthält Spender für Ammoniak, Kohlendioxyd und Schwefeldioxyd in einem solchen Verhältnis zum Anteil des inerten Schutzgases, daß auf der Schwinghebelwelle eine komplexe Oberflächenschicht erzeugt wird. Die komplexe Oberflächenschicht ist zwischen 0,0203 und 0,0381 mm, vorzugsweise jedoch etwa 0,0254 mm dick und besteht aus einem unteren durchgehenden Teil aus Epsilon-Nitriden, die von einer porösen Zone überdeckt sind. Die komplexe Zone weist Schwefelverbindungen auf und ist nur etwa 2/3 so dick wie die Epsilon-Nitridschicht. Temperatur, Druck und Gasmischung im Ofen werden gewöhnlich 1 bis 5 Stunden lang beibehalten, bis die komplexe Oberflächenschicht entstanden ist.

Nach dem Entstehen der komplexen Oberflächenschicht wird die Prozeßtemperatur auf eine zweite Temperaturstufe erhöht, die über der ersten Prozeßtemperatur liegt. Während dieses zweiten Temperaturanstiegs werden nur Ammoniak und das inerte Schutzgas eingeleitet. Dadurch kommt es zu einer raschen Diffusion von Stickstoff unter die Oberfläche. Die höhere Temperatur und das Ammoniakgas werden gewöhnlich 8 bis 24 Stunden zur Einwirkung gebracht. Dieser Nitrierungsschritt anstelle einer Nitridschicht oben auf der komplexen Oxydschicht, die man hätte erwarten können, erzeugt eine Ummantelung oder einen Überzug aus stickstoffangereichertem, zwischengefügegehärteten Stahl zwischen dem eisenhaltigen Kern der Schwinghebelwelle und der komplexen Oxydschicht. Die stickstoffangereicherte Umhüllung ist mit der Diffusionszone eines konventionell nitrierten Stahls vergleichbar und weist vorzugsweise eine Dicke von 0,3048 bis 0,889 mm auf.

Sobald die stickstoffangereicherte Umhüllung gebildet worden ist, wird der Schwinghebelarm schnell abgekühlt, und zwar entweder in dem inerten Gasträger oder in einem flüssigen Kühlmittel, um die Umhüllung im bevorzugten Epsilon- Nitrid-Zustand beizubehalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch einen Abschreck- oder Tauchvorgang entweder in einem Hochdrucköl oder einem flüssigen Polytetrafluorid vervollständigt.

Die mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte Schwinghebelwelle besitzt einen im Vergleich zu den mit den herkömmlichen Härtungsverfahren erreichbaren Werten ganz erheblich verbesserten Widerstand gegen Abrieb, Festfressen, Rißbildung und Oberflächenermüdung. Die komplexe Oberflächenschicht dient als hochverschleißfester und gegen Roll- und Gleitreibung ermüdungsresistenter Überzug, der sowohl von der Epsilon-Nitrid-Schicht als auch der stickstoffangereicherten Umhüllung unterstützt wird. Darüberhinaus wird diese verbesserte Härtung in Zykluszeiten erreicht, die im Vergleich zu den üblichen Gasnitrierungs- Zykluszeiten kürzer sind.

In den beiden Verfahrensstufen finden angenommenermaßen die folgenden Reaktionen statt.

Während der ersten Erwärmungsstufe bildet das Ammoniak nicht nur eine Stickstoffquelle zur Erzeugung einer nitrierten Schicht auf dem Schwinghebelarmkern (Gleichung 1), sondern sie bildet bei der Reaktion auch eine Wasserstoffquelle zur Aktivierung der Reaktion des Kohlenstoffdioxyds und Schwefeldioxyds (Gleichungen 2 und 4) mit dem Eisen (Gleichungen 3 und 5), so daß eine komplexe nitrokarburierte Oxydschicht entsteht, die oben auf dem eisenhaltigen Kern des Schwinghebelarms Schwefel enthält. Der obere Teil dieser komplexen Schicht ist eine poröse Oxydzone, während der untere Teil, wie oben bereits angedeutet, einer herkömmlichen Epsilon-Nitridschicht gleicht. In der zweiten Verfahrensstufe hat jedoch wahrscheinlich nur die Reaktion gemäß Gleichung 1 auf den hergestellten Gegenstand irgendeine wesentliche Wirkung. Das Ammoniak bildet weiterhin eine Quelle für Stickstoff, der in das Kristallgitter der stählernen Schwinghebelwelle eindringt, wobei der Stahl vorteilhafterweise ein martensitisches oder bainitisches Gefüge aufweist und der Stahl unterhalb der komplexen Oxydschicht interkristallin mit Stickstoff angereichert und gehärtet wird. Das erzeugte Wasserstoffgas kann dazu dienen, wenigstens den oberen Teil der komplexen Schicht in einem porösen Zustand zu halten.

Somit wird erfindungsgemäß die Schwinghebelwelle für einen Flugmotor oder ein anderer eisenhaltiger Gegenstand geschaffen, der einen überragenden Verschleißwiderstand sowie überragenden Widerstand gegen Festfressen, Rißbildung in der Umhüllung und Oberflächenermüdung aufweist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung eines solchermaßen gehärteten eisenhaltigen Artikels wird außerdem im Vergleich zu den herkömmlichen Zeiten der Gasnitrierhärtung eine erhebliche Zeitverkürzung sichergestellt. Im allgemeinen jedoch versinnbildlicht das oben beschriebene Ausführungsbeispiel ein Verfahren zur Härtung eisenhaltiger Gegenstände, wobei zwischen einer nitrokarburierten Oxydschicht und einem eisenhaltigen Kern eine stickstoffangereicherte Umhüllung hergestellt wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur Oberflächenhärtung eines eisenhaltigen Gegenstandes, der einen eisenhaltigen Kern aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst auf dem eisenhaltigen Kern eine nitrokarburierte Oxydschicht erzeugt wird und danach zwischen dieser Oxydschicht und dem eisenhaltigen Kern eine stickstoffangereicherte Umhüllung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Erzeugung der Oxydschicht dadurch ausgeführt wird, daß der Gegenstand bei erhöhter Temperatur einer nitrokarburierenden und oxydierenden Atmosphäre ausgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nitrokarburierende und oxydierende Atmosphäre Ammoniak und Kohlendioxyd enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nitrokarburierende und oxydierende Atmosphäre Schwefeldioxyd enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Erzeugung einer Umhüllung dadurch ausgeführt wird, daß der Gegenstand bei erhöhter Temperatur einer nitrierenden Atmosphäre ausgesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nitrierende Atmosphäre Ammoniak enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand zunächst bei einer ersten erhöhten Temperatur einer nitrokarburierenden und oxydierenden Atmosphäre, die Ammoniak und Kohlendioxyd enthält, ausgesetzt wird, und danach bei einer zweiten erhöhten Temperatur einer nitrierenden Atmosphäre, die Ammoniak enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite erhöhte Temperatur höher ist als die erste erhöhte Temperatur.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nitrokarburierende und oxydierende Atmosphäre Schwefeldioxyd enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren auf einen Gegenstand angewendet wird, der Stahl mit einem martensitischen oder bainitischen Gefüge enthält.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die weitere Verfahrensstufe des Tränkens der Oxydschicht mit einem Hochdrucköl oder einem flüssigen Polytetrafluoridmaterial aufweist.