DE4127063A1

DE4127063A1 - Verschleissfeste (epsilon)-eisenkarbonitridschicht auf kohlenstoffhaltigen staehlen und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE4127063A1
Application number: DE19914127063
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Rer Nat Kunze; Uwe Dr Ing Huchel; Hans-Joachim Dr Ing Berg; Heinz Dr Ing Zimdars
Original assignee: BERG HANS JOACHIM
Current assignee: BERG HANS JOACHIM
Priority date: 1990-08-23
Filing date: 1991-08-16
Publication date: 1992-02-27
Also published as: DD297053A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wärmebehandlung in gesteuerter Atmosphäre. Objekte, bei denen die Anwendung der Erfindung möglich und zweckmäßig ist, sind Bauteile aus Eisenwerkstoffen, die einem Verschleiß oder einer Korrosion unter liegen.

Die bisher bekannten Gaskarbonitrierverfahren arbeiten bei Temperaturen von 550-600°C mit Gasmischungen auf der Basis von Ammoniak und kohlenstoffhaltigen Komponenten, deren Zusammensetzung so bemessen ist, daß eine Bildung einer Oberflächenschicht aus ε-Eisenkarbonitrid auf einer γ′-Eisennitridzwischenschicht erfolgt. Dabei kann die ε-Eisenkarbonitridschicht dominieren, wie z. B. aus DE-OS 2 93 016.5 hervorgeht. Die so hergestellten Schichten enthalten mehr als 6% Masseanteile Stickstoff und weniger als 1% Masseanteile Kohlenstoff, wobei der Gesamtgehalt an Stickstoff und Kohlenstoff zwischen 6 und 10% Masseanteile beträgt. Diese Schichten sind im Grenzbereich zur Gasphase von zahlreichen Poren durchsetzt. Vor der γ′-Eisennitridzwischenschicht bildet sich im α-Eisen eine Zone mit erhöhter Kohlenstoffkonzentration. Durch konstant gehaltene oder schrittweise veränderte Frischgaszusammensetzungen werden Schichten erzeugt, deren chemische und phasenmäßige Zusammensetzungen reproduzierbar sind. Angaben zur Frischgaszusammensetzung werden in der einschlägigen Literatur mitgeteilt (u. a. PRENOSIL, B.: Härterei- techn. Mitt. 20 (1965) 1, S. 41/49; WÜNNING, J.: Z. wirtsch. Fertigg. 69 (1974) 2, S. 80/85, SCHRÖTER, W., UHLIG, W., AHLISCH, G., GRÄF, W.: Stahlberatung 2 (1977), S. 13/17; EYSELL, F. B.: Fachber. Hüttenpr. Metallverarb. 20 (1982) 9, S. 618/628; DD-PS 1 13 773; DE-OS 2 93 016.5; DE-AS 1 52 145.0).

In einer theoretischen Untersuchung von J. Slyke, L. Sproger und J. Agren (Scand. J. Metall. 17 (1988), S. 122-126) wurden Zusammenhänge zwischen Stickstoffpotential, Kohlenstoffaktivität und Phasenzusammensetzung angegeben. Zuvor wurden in der DD-PS 2 97 832.8 der Zusammenhang zwischen der Nitrierkennzahl r=/^3/2, der Kohlungskennzahl s=p_CO/ und dem Stabilitätsbereich sowie der Zusammensetzung der ε-Phase angegeben und ein Verfahren zur Messung und Nachregelung der im Reaktionsraum vorliegenden r- und s-Werte vorgeschlagen, wobei die Messung bevorzugt nach der in DD-PS 2 27 802. DD-PS 2 22 415 und DD-PS 2 22 416 mitgeteilten Methode mittels Festelektrolyt-Gassensoren erfolgen soll.

Die Nachteile der nach dem bekannten Verfahren hergestellten ε- Eisenkarbonitridschichten bestehen darin, daß sie einerseits aufgrund einer hohen Porosität eine verminderte Verschleißfestigkeit aufweisen (B. Langenhau: Dissertation Freiberg 1990) und andererseits eine geringere Haftfestigkeit auf dem Grundwerkstoff zeigen, da sich vor der γ′-Eisennitridschicht eine zementitreiche und dadurch spröde Zone in der an die Nitrierschicht angrenzenden Diffusionszone ausbildet (U. Brock: Dissertation Freiberg 1985 und T. Schubert: Dissertation Freiberg 1985).

Die Nachteile des Verfahrens bestehen darin, daß mit ihm stets nur Schichten hergestellt werden können, die aufgrund des Poren saumes weniger verschleißfest sind und die aufgrund einer Zone mit erhöhter Kohlenstoffkonzentration in der Diffusionsschicht unterhalb der γ′-Eisennitridzwischenschicht eine geringere Haftfestigkeit aufweisen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine ε-Eisenkarbonitridschicht auf kohlenstoffhaltigen Stählen zu entwickeln, die eine geringe Porosität aufweist und bei der in der an die Nitrierschicht angrenzenden kritischen Diffusionszone keine zementitreiche, spröde Zone ausgebildet ist, und ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem nahezu kein Porensaum mit entsteht und bei dem in der Diffusionsschicht unterhalb der γ′-Eisennitridzwischenschicht keine Zone mit erhöhter Kohlenstoffkonzentration sich ausbilden kann.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß die verschleißfeste ε-Eisenkarbonitridschicht auf kohlenstoffhaltigen Stählen homogen und poren- und rißarm direkt auf α- oder γ- Eisen aufgebracht ist, 3,5 bis 4,5% Masseanteile Stickstoff und 0,8 bis 1,5% Masseanteile Kohlenstoff, bei einem Gesamtgehalt an Stickstoff und Kohlenstoff von weniger als 6,0% Masseanteile, enthält. Die Schicht wird mittels Gaskarbonitrieren in einem Gasgemisch vorgegebener Zusammensetzung bei Temperaturen oberhalb 575°C hergestellt. Erfindungsgemäß werden bei dem Verfahren in der Reaktionszone die Nitrierkennzahl

auf Werte zwischen r=0,05 bar^-1/2 und r=0,30 bar^-1/2 und die Kohlungskennzahl

auf Werte zwischen s=0,25 bar und s=0,40 bar eingeregelt.

Vorteilhaft ist für das Verfahren, wenn dem Frischgas Stickstoff zugemischt wird. Dabei sind 40 bis 60% Volumenanteile Stickstoff im Frischgas günstig.

Es wurde gefunden, daß bei Einhaltung der genannten Verfahrenbedingungen auf kohlenstoffhaltigen Stählen (mit mehr als ca. 0,05 % Masseanteile Kohlenstoff) die erfindungsgemäße stickstoffarme ε-Eisenkarbonitridschicht erzeugt wird. Diese Schicht zeichnet sich dadurch aus, daß sie nahezu poren- und rißfrei, verschleiß- und korrosionsfest und homogen ist und direkt auf dem Grundwerkstoff (α- oder γ-Eisen) aufwächst, ohne daß die nach dem Stand der Technik zugleich entstehende γ′-Eisennitridschicht gebildet wird. Außerdem wurde gefunden, daß die Schicht aufwächst, ohne daß die nach dem Stand der Technik in kohlenstoffhaltigen Stählen stets entstehende Zone mit erhöhter Kohlenstoffkonzentration gebildet wird.

Die erfindungsgemäße Schicht und das erfindungsgemäße Verfahren sind in nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.

Auf einem ferritisch-perlitischem Kohlenstoffstahl soll eine Oberflächenschicht aus ε-Eisenkarbontrid ohne γ′-Eisennitridzwischenschicht aufgebracht werden. Die erfindungsgemäßen Vorgaben für die Daten in der Reaktionszone sind:

Temperatur: T=590°C

Aus diesen Vorgaben werden unter Verwendung bekannter Stöchiometriebedingungen die Zusammensetzungen des Reaktionsgases und des Frischgases sowie der einzuregelnde Zersetzungsgrad des Ammoniaks ermittelt. Bei einem Gesamtdruck in der Reaktionszone von 1,013 bar betragen die Partialdrücke (angegeben in bar):

Die Volumenanteile (in %) im Frischgas betragen:

Der Zersetzungsgrad α des Ammoniaks ist auf

α=0,892

einzuregeln.

Zur Realisierung der Gaszusammensetzung des Frischgases werden zwei Gasströme (a) und (b) getrennt in eine dem Ofen vorgelagerte heiße Mischkammer eingeleitet:

a) 45,2% Volumenanteile Ammoniak
b) 54,8% Volumenanteile eines CO₂-N₂-Gemisches mit einem CO₂- Anteil von 19,7% Volumenanteile.

In der Mischkammer werden der Ammoniak partiell zersetzt und das Wassergasgleichgewicht angenähert. Über die empirisch zu optimierende Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit der Gase wird der Zersetzungsgrad eingestellt, der über das

in der Reaktionszone mittels einer Festelektrolytsonde ermittelt wird. In Abhängigkeit von der gewünschten Schichtdicke wird das Gaskarbonitrieren nach 2 bis 4 Stunden beendet. Analysen ergaben eine 8 bis 14 µm dicke, kompakte und nahezu porenfreie ε-Eisenkarbonitridschicht mit einem Stickstoffgehalt zwischen 4,0 und 4,2% Masseanteile und einem Kohlenstoffgehalt zwischen 1,2 und 1,4% Masseanteile direkt auf dem Grundwerkstoff ohne γ′-Eisennitridzwischenschicht und ohne eine Zone mit erhöhter Kohlenstoffkonzentration.

Claims

1. Verschleißfeste ε-Eisenkarbonitridschicht auf kohlenstoffhaltigen Stählen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schicht homogen und poren- und rißarm direkt auf α- oder γ-Eisen aufgebracht ist, 3,5 bis 4,5% Masseanteile Stickstoff und 0,8 bis 1,5% Masseanteile Kohlenstoff, bei einem Gesamtgehalt an Stickstoff und Kohlenstoff von weniger als 6,0% Masseanteile, enthält.

2. Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten ε-Eisenkarbonitridschicht auf kohlenstoffhaltigen Stählen, die homogen und poren- und rißarm direkt auf α- oder γ-Eisen aufgebracht ist und 3,5 bis 4,5% Masseanteile Stickstoff und 0,8 bis 1,5% Masseanteile Kohlenstoff, bei einem Gesamtgehalt an Stickstoff und Kohlenstoff von weniger als 6,0% Masseanteile, enthält, mittels Gaskarbonitrieren in einem Gasgemisch vorgegebener Zusammensetzung bei Temperaturen oberhalb 575°C, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionszone die Nitrierkennzahl auf Werte zwischen r=0,05 bar^-1/2 und r=0,30 bar^-1/2 und die Kohlungskennzahl auf Werte zwischen s=0,25 bar und s=0,40 bar eingeregelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Frischgas Stickstoff zugemischt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoffanteil im Frischgas 40 bis 60% Volumenanteile beträgt.