DE4033706C2

DE4033706C2 -

Info

Publication number: DE4033706C2
Application number: DE19904033706
Authority: DE
Inventors: Hans Prof. Dr.-Ing. 4630 Bochum De Berns
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-10-24
Filing date: 1990-10-24
Publication date: 1991-07-11
Also published as: DE4033706A1

Description

Die Aushärtung von Stählen nimmt mit dem beim Härten im Austenit gelösten Gehalt an Kohlenstoff zu. Anstelle von Kohlenstoff kann die Aushärtung 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, insbesondere 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% Cr, 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 entformnaher 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 Fig. 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 I_p 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 Randkohlstoffgehalt von 0,4% kein ausgeprägter Passivbereich aus (Fig. 2), während bei einem Gehalt von 0,1% C, 0,3% N und vergleichbarer Randhärte das Durchbruchspotential U_D für Lochkorrosion um mehr als 1 V erhöht und I_p um fast zwei Größenordnungen gesenkt wird. In Fig. 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 stickstoffreien 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 in Fig. 4 schematisch dargestellt. Für die Anwendung bei nichtrostenden Wälzlagern, Getrieberädern, Werkzeugen, Pumpen, Ventilen und anderen Teilen sind die Eigenschaften an der Oberfläche maßgeblich.

Literatur

/1/ E.J. Mittemeÿer, Z. Metallkde. 74 (1983) 7, S. 473-483
/2/ H. Berns, J. Lueg, Int Conf. HNS 88, Inst. of Metals, Lille (1988) S. 288-293
/3/ P. Pant et al., steel research 58 (1987) 1, S. 18-25
/4/ H. Berns, G. Wang; Int. Conf. HNS 90, Stahleisen, Düsseldorf (1990) S. 332-337
/5/ H. Berns, J. Lueg, W. Trojahn, H.-W. Zoch, wie /4/, S. 425-429
/6/ Deutsches Patent 39 01 470 v. 9. 8. 1990

Claims

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 4, 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.

(Begriffe der Wärmebehandlung nach DIN 17 014 Teil 1, 1988. Alle Prozentangaben in Masseprozent.)