DE3926733A1 - Verfahren zur bildung einer eisenoxidschicht auf einem randentkohlungsfreien stahlgegenstand und anwendung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung einer Oxidschicht, die hauptsächlich aus Eisenoxid besteht, auf einem randentkohlungsfreien Gegenstand aus einem härtbaren oder vergütbaren Stahl und die Anwendung dieses Verfahrens auf Lochdorne.

Lochdorne zum Warmlochen von Blöcken zu Rohrluppen kommen überwiegend mit einer werkstoffeigenen Oxidschicht zum Einsatz. Auflageschichten aus Fremdmetalloxiden, wie Emails oder Gläser haben sich nicht bewährt. Die Oxidschicht unterbricht den metallischen Kontakt zwischen Lochdorn- und Rohrwerkstoff und verhindert ein Warmverschweißen beider Werkstoffe während des Lochens.

Lochdorne werden in den meisten Fällen aus Warmarbeitsstahl hergestellt. Zur Erzeugung einer werkstoffeigenen Oxidschicht werden die Lochdorne vor ihrem ersten Einsatz einer verzundernden Glühung unterworfen. Glühprozesse in oxidierenden Gasatmosphären führen beim Stahl jedoch nicht nur zu einer Oberflächen-Verzunderung, sondern gleichzeitig auch zu einer Randentkohlung am Lochdorn (A. Leutgöb und H. Trenkler, Arch. Eisenhüttenwes. 45 (1974), S. 871-880). Die Randentkohlung verschlechtert die Werkstoffeigenschaft im oberflächennahen Bereich und macht je nach Absenkung des Kohlenstoffgehaltes eine abschließende Härtung und Vergütung der Randzone unmöglich.

Bei bisher üblichen verzundernden Glühbehandlungen wurde die Entkohlung entweder dadurch gering gehalten, daß die vorgeschriebene Härtetemperatur weit unterschritten und eine geringere Glühfestigkeit in Kauf genommen wurde, oder daß nach vorschriftsmäßiger Härtung eine weiche entkohlte Randzone zugelassen wurde.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, Stahlgegenstände, wie Lochdorne randentkohlungsfrei zu verzundern.

Aus der AT-PS 2 17 819 ist ein oxidierendes Glühen von Stahlgegenständen zur Verbesserung ihres Oberflächenwiderstands gegen Korrosion und Oxidation bekannt, bei dem die Gegenstände in praktisch reinem Sauerstoff im Temperaturbereich von 400 bis 1000°C in einem Vakuum von 0,1 bis 40 mbar zur Ausbildung einer 2 bis 30 um dicken Oxidschicht erhitzt werden. Wie sich herausgestellt hat, entsteht bei Durchführung dieses bekannten Verzunderungsverfahrens aber eine unerwünschte Randentkohlung.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Stahlgegenstand in einer inerten Glühgasatmosphäre auf Härtetemperatur erhitzt und unmittelbar anschließend unter reinem Sauerstoff von Atmosphärendruck (1 bar) solange geglüht wird, bis sich eine Zunderschicht in der gewünschten Stärke ausgebildet hat, worauf der Stahlgegenstand zur Ausbildung von Härtungsgefüge auf Raumtemperatur abgeschreckt und gegebenenfalls zur Ausbildung von Vergütungsgefüge angelassen wird.

Im Unterschied zu dem bekannten Verfahren gemäß AT-PS 2 17 819 gelingt es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine randentkohlungsfreie Verzunderung der Oberfläche der Stahlgegenstände in ausreichender Stärke bis 100 um zu erzeugen.

Durch den Zusatz von Wasserdampf wird eine reaktionsbeschleunigende Wirkung auf die Bildung der Zunderschicht erzielt. Dabei kann durch das Befeuchten des Sauerstoffgases die Dicke der Zunderschicht in weiten Grenzen variiert werden. Zweckmäßigerweise wird der Wasserdampfanteil im Sauerstoff-Glühgasgemisch in Abhängigkeit von der gewünschten Zunderschichtdicke voreingestellt. Für die meisten Fälle genügt es, das Glühgasgemisch auf einen Taupunkt im Bereich von 20 bis 60°C (entsprechend 2,3 bis 19,7 Vol.-% Wasserdampf) zu befeuchten.

Beispiel

Versuche wurden an blank geschliffenen stabförmigen Proben mit den Abmessungen 35×8×8 mm³ aus dem Stahl X 38 CrMoV 5 1 mit folgender chemischer Zusammensetzung durchgeführt:
0,41% C, 0,94% Si, 0,35% Mn, 0,014% P, 0,001% S, 4,94% Cr, 1,29% Mo, 0,06% Ni, 0,42% V, 0,012% Al, Rest Fe.

Die Proben wurden in einem elektrisch beheizten Ofen unter Argon als Schutzgas bei 1 bar auf eine Härtetemperatur von 960°C entkohlungs- und verzunderungsfrei aufgeheizt. Nach dem Erreichen der Härtetemperatur wurde das Schutzgas durch in den Ofen eingeleiteten Sauerstoff ersetzt und die Proben 15 Minuten lang unter reinem Sauerstoff bei Atmosphärendruck geglüht. Diese Zeitspanne entspricht etwa der Durchwärmzeit für Lochdorne. Danach wurden die Proben an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt, um eine Härtung zu erreichen.

Die so behandelten Proben wiesen eine gleichmäßige gut haftende Zunderschicht auf. Im metallographischen Querschliff zeigte sich unter einer etwa 30 µm dicken, mehrphasigen Eisenoxidschicht ein entkohlungsfreier Stahl mit einem bis an die Grenzfläche zum Zunder heranreichenden Härtungsgefüge aus Martensit und Karbid.

Um eine dickere Zunderschicht bei sonst gleichem Ergebnis zu erzielen, wurde das 15minütige Halten auf Härtetemperatur in mit 7,2 Vol.-% Wasserdampf befeuchtetem Sauerstoff (Taupunkt 40°C) durchgeführt. In diesem Fall entstand eine mehrphasige Zunderschicht aus Eisenoxiden mit einer Dicke von etwa 60 µm. Die Oxidschicht war über oxidierte Korngrenzen gut auf dem Stahl verankert. Das Stahlgefüge bestand bis zum Rand aus Martensit und und Karbid.

Das Aufheizen auf Härtetemperatur kann auch unter anderen Schutzgasen als Argon durchgeführt werden, z.B. unter Stickstoff.

Ferner können auch andere Metallegierungen als der vorgenannte Stahl in gleicher Weise entkohlungsfrei verzundert und gehärtet bzw. vergütet werden.

Mit besonderen Vorteil läßt sich das beanspruchte Verfahren auf Lochdorne zum Warmlochen von Rohrluppen anwenden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bildung einer Eisenoxidschicht auf einem randentkohlungsfreien Gegenstand aus einem härtbaren oder vergütbaren Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlgegenstand in einer inerten Glühgasatmosphäre auf Härtetemperatur erhitzt wird und unmittelbar anschließend unter reinem Sauerstoff bei Atmosphärendruck (1 bar) solange geglüht wird, bis sich eine ausreichend dicke Zunderschicht ausgebildet hat, worauf der Stahlgegenstand zur Ausbildung von Härtungsgefüge auf Raumtemperatur abgeschreckt und bei der Ausbildung von Vergütungsgefüge angelassen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der Zunderschicht unter einem Gasgemisch überwiegend aus reinem Sauerstoff mit einem geringeren Anteil Wasserdampf vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampfanteil im Sauerstoff-Glühgasgemisch in Abhängigkeit von der gewünschten Zunderschichtdicke voreingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff auf einen Taupunkt im Bereich von 20 bis 60°C (2,3-19,7 Vol.-% Wasserdampf) befeuchtet wird.

5. Anwendung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auf die Ausbildung einer Zunderschicht auf Lochdornen zum Warmlochen von Rohrluppen.