DE4033706A1 - Einsatzhaerten mit stickstoff zur verbesserung des korrosionswiderstandes martensitischer nichtrostender staehle - Google Patents
Einsatzhaerten mit stickstoff zur verbesserung des korrosionswiderstandes martensitischer nichtrostender staehleInfo
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Description
Die Aufhärtung von Stählen nimmt mit dem beim Härten im Austenit gelösten Gehalt an
Kohlenstoff zu. Anstelle von Kohlenstoff kann die Aufhärtung auch mit Stickstoff erreicht
werden (1). In martensitischen nichtrostenden Stählen führt der Austausch von Kohlenstoff
durch Stickstoff bei nur geringer Härteeinbuße zu einer erheblichen Verbesserung des
Korrosionswiderstandes, inbesondere gegenüber chloridhaltigen wäßrigen Medien (2). Dazu
werden Stickstoffgehalte, die über die Löslichkeit einer Stahlschmelze bei Normaldruck
hinausgehen, durch Druck- oder Pulvermetallurgie in den Stahl eingebracht (3, 4).
Durchhärtende Stähle mit z. B. 0,3% C, 0,3% N, 15% Cr, 1% Mo oder 0,5% N, 15% Cr, 1
% Mo eignen sich für nichtrostende Wälzlager oder Werkzeuge (5, 6).
In der vorliegenden Erfindung wird die kostenintensive Stickstofflegierung des Stahles
mittels Druck- oder Pulvermetallurgie durch eine Aufstickung der Randschicht
endformnaher Bauteile und Werkzeuge ersetzt. Im Gegensatz zum Nitrieren muß der
Stickstoff in der aufgestickten Randzone jedoch gelöst vorliegen, um die beabsichtigte
Erhöhung des Korrosionswiderstandes herbeiführen zu können. Dazu wird eine
Wärmebehandlung benutzt, die in Anlehnung an DIN 17 022, Teil 3, 1989 als ein
Einsatzhärten beschrieben werden kann, bei dem das Aufkohlen durch ein Aufsticken ersetzt
wird. Daneben ist auch eine gleichzeitige Eindiffusion von Stickstoff und Kohlenstoff in den
γ-Mischkristall der Randschicht möglich. Im Unterschied zum Carbonitrieren überwiegt
dabei jedoch die Stickstoffaufnahme.
Für das Einsatzhärten mit Stickstoff eignen sich martensitische (d. h. härtbare) nichtrostende
Stähle, deren Kohlenstoffgehalt so bemessen ist, daß sich die nötige Kernhärte einstellt. Nach
einer Aufstickung werden die Teile einem Direkt-, Einfach- oder Doppelhärten unterzogen.
Dabei kann ein Bainitisieren oder Tiefkühlen zur Anwendung kommen. Für die Aufstickung
eignen sich Gase wie Ammoniak und Stickstoff, auch gemischt und mit Wasserstoff versetzt.
In Anlehnung an das Plasmaaufkohlen ist ein Plasmaaufsticken sinnvoll, um die Aufspaltung
der Stickstoffmoleküle zu intensivieren. Werden zur Erhöhung der Aufhärtbarkeit
kohlenstoffabgebende Gase wie Methan oder Propan zugegeben, so sollte ihr Anteil so
bemessen sein, daß die Randschicht nach der Wärmebehandlung mehr Stickstoff als
Kohlenstoff enthält, um eine möglichst große Verbesserung des Korrosionswiderstandes zu
erzielen.
Die Temperatur des anschließenden Anlassens kann über die bei Einsatzstählen üblichen
250°C hinausgehen, da bis mindestens 500°C eine günstige Beeinflussung des
Korrosionswiderstandes durch Stickstoff erhalten bleibt und Stickstoff die Sekundärhärte
fördert. Durch die mit einer Aufkohlung nicht erreichbare Kombination von hoher
Sekundärhärte und guten Korrosionswiderstand ergeben sich Anwendungen mit
Anforderungen an die Maßstabilität, Anlaßbeständigkeit und Warmfestigkeit.
Die Einsatzhärtung nichtrostender martensitischer Stähle wird in der betrieblichen Praxis
angewendet. Die dabei verwendete Aufkohlung dient ausschließlich einer Erhöhung der
Randhärte. Beim erfindungsgemäßen Einsatzhärten mit Stickstoff wird jedoch bei
vergleichbar hoher Randhärte ein erheblich höherer Korrosionswiderstand erreicht. Dies geht
aus Bild 1 für die Korrosion in saurer Umgebung hervor. Durch Austausch von Kohlenstoff
gegen Stickstoff wird der Passivbereich um 0,5 V erweitert und die Passivstromdichte IP um
mehr als eine Größenordnung gesenkt. Die Härte der Stickstoffvariante ist wegen der
geringeren Atomkonzentration an N im Vergleich zu C etwas niedriger als bei der
Kohlenstoffvariante. In chloridhaltiger wäßriger Umgebung bildet sich bei einem
Randkohlenstoffgehalt von 0,4% kein ausgeprägter Passivbereich aus (Bild 2), während bei
einem Gehalt von 0,1% C, 0,3% N und vergleichbarer Randhärte das Durchbruchspotential
UD für Lochkorrosion um mehr als 1 V erhöht und IP um fast zwei Größenordnungen
gesenkt wird. In Bild 3 ist zu erkennen, daß der Passivbereich bei der stickstoffhaltigen
Variante selbst nach Anlassen bei 500°C in abgeschwächter Form erhalten bleibt, während
er in der stickstofffreien Kohlenstoffvariante völlig verschwindet. Die Sekundärhärte wird
durch Stickstoff erhöht. Der Verlauf von Stickstoffgehalt und Härte über den Querschnitt
eines Bauteiles nach dem Einsatzhärten mit Stickstoff ist im Bild 4 schematisch dargestellt.
Für die Anwendung bei nichtrostenden Wälzlagern, Getrieberädern, Werkzeugen, Pumpen,
Ventilen und anderen Teilen sind die Eigenschaften an der Oberfläche maßgeblich.
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6 Deutsches Patent 39 01 470 v. 9. 8 . 1990
Claims (12)
1. Wärmebehandlungsverfahren zur Erhöhung des Korrosionswiderstandes einer gehärteten
Randschicht endformnaher Bauteile aus nichtrostenden martensitischen Stählen mit
weniger als 0,4% Kohlenstoff durch Eindiffusion von 0,2 bis 0,8% Stickstoff in die
Randschicht bei einer Temperatur oberhalb Ac1 sowie durch anschließendes
Direkthärten und Anlassen im Temperaturbereich von 150 bis 250°C.
2. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Aufstickung der Randschicht
in einer Gasatmosphäre geschieht, die aus Stickstoff oder Ammoniak oder Gemischen
beider besteht und mit Wasserstoffzusatz versehen sein kann.
3. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 und 2, bei dem der Gasatmosphäre
Methan, Propan oder andere Kohlenwasserstoffe in einem Maße zugegeben werden, daß
der Kohlenstoffgehalt in der Randschicht den Stickstoffgehalt nicht übertrifft.
4. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 bis 3, bei dem die Aufstickung in
Analogie zum Plasmaaufkohlen durch ein Plasma unterstützt wird.
5. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 bis 3, bei dem das Direkthärten durch ein
Einfach- oder Doppelhärten ersetzt wird.
6. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 bis 5, bei dem die Umwandlung des
Austenits durch Bainitisieren erfolgt.
7. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 bis 6, bei dem die Umwandlung von
Restaustenit durch Tiefkühlen erfolgt.
8. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 bis 7, bei dem die Anlaßtemperatur
zwischen 250 und 600°C beträgt.
9. Verwendung eines Wärmebehandlungsverfahrens nach Anspruch 1 bis 7 zur Behandlung
von nichtrostenden Wälzlagerteilen.
10. Verwendung eines Wärmebehandlungsverfahrens nach Anspruch 1 bis 7 zur Behandlung
von nichtrostenden Getriebeteilen.
11. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 bis 7 zur Behandlung von nichtrostenden
Werkzeugen zur Lebensmittel- und Polymerverarbeitung.
12. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 bis 7 zur Behandlung von nichtrostenden
Pumpenteilen und Ventilen für partikelbeladene Fluide.
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DE4033706C2 DE4033706C2 (de) | 1991-07-11 |
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