DE4204982A1 - Thermochemical-thermal treatment of case hardening steels - with deep cooling between hardening and tempering - Google Patents

Thermochemical-thermal treatment of case hardening steels - with deep cooling between hardening and tempering

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Abstract

Thermochemical-thermal treatment of case hardening steels comprise the following steps. Case hardening or carbo-nitriding (1) takes place at 900 to 1950 deg.C. This is followed by quenching (2) down to a temp. below the Ar1 point at a rate chosen to avoid cementite precipitation at grain boundaries. The subsequent hardening process (3) involves heating at a rate from 20 to 80 deg.C/min and holding at 770 to 830 deg.C for 5 to 15 min. The treatment is concluded by tempering (5). Deep cooling (5) down to -70 to 120 deg.C is foreseen between the hardening (4) and tempering (6) processes. The structure in the boundary zone has finely dispersed inter-crystalline carbide precipitations, with an area greater than 8 per cent of the total and a grain size finer than 10 according to ASTM E112. USE/ADVANTAGE - For mfr. of components of internal combustion engines. Improves the wear resistance of severeley loaded components also under unfavourable lubricating conditions.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatzstählen, welches eine Einsatzhärtung oder Carbo­ nitrierung bei einer Temperatur oberhalb des AC 3-Punktes des Kern­ werkstoffes, die mit einer Aufkohlung oder einer Aufkohlung mit Auf­ stickung der Randzone verbunden ist, einen Härteprozeß mit an­ schließender Abschreckung und einen Anlaßvorgang umfaßt.The invention relates to a method for thermochemical-thermal treatment of case-hardening steels, which case-hardening or carbon nitriding at a temperature above the AC 3 point of the core material, which is associated with a carburization or a carburization with embroidery on the edge zone, with a hardening process at closing deterrent and starting process.

Aus der GB-OS 22 09 058 ist ein derartiges Behandlungsverfahren für Einsatzstähle bekannt, mit dem die Resistenz des Werkstoffs von Wälz­ lagerbauteilen gegen Wälzermüdung bei ungünstigen Schmierbedingungen, insbesondere bei verschmutzten Schmierstoffen, verbessert wird.GB-OS 22 09 058 describes such a treatment method for Case hardening steels known, with which the resistance of the material of rolling bearing components against rolling fatigue in unfavorable lubrication conditions, especially with dirty lubricants, is improved.

Dieses Verfahren sieht vor, daß zunächst eine reine Aufkohlung der Randzone auf einen C-Gehalt von 0,7 bis 1,1% C bei einer Temperatur von 930°C erfolgt. Im Anschluß an die darauffolgende Abkühlung auf Raumtemperatur wird eine zweite Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 830°C bis 870°C durchgeführt, die mit einer Nitrierung bzw. Carbo­ nitrierung kombiniert ist. Nach dem anschließenden Abschrecken auf Raumtemperatur werden die Bauteile bei einer Temperatur von 160°C und einer Haltedauer von zwei Stunden angelassen.This procedure provides that initially a pure carburization of the Edge zone to a C content of 0.7 to 1.1% C at a temperature of 930 ° C. Following the subsequent cooling Room temperature is a second heat treatment at one temperature from 830 ° C to 870 ° C carried out with a nitration or carbo nitriding is combined. After quenching afterwards The components are at room temperature at a temperature of 160 ° C and tempered for two hours.

Das entstehende Gefüge weist dann in der Randzone einen Austenitgehalt von 20 bis 45 Vol.-% und einen Carbid- oder Nitridgehalt von 3 bis 15 Vol.-% auf. The resulting structure then has an austenite content in the edge zone from 20 to 45% by volume and a carbide or nitride content from 3 to 15 % By volume.  

Die nach diesem Verfahren behandelten Wälzlagerteile weisen tatsäch­ lich verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Wälzermüdung und der Verschleißfestigkeit auf, die jedoch für hochbeanspruchte Bauteile wie z. B. Tassenstößel im Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen wegen des hohen Restaustenitanteils nicht ausreichen. Darüberhinaus erfordert das Verfahren unter anderem eine sehr lange Haltezeit bei der zweiten Wärmebehandlungsstufe, so daß die Durchführung des Verfahrens mit erheblichen Kosten verbunden ist.The roller bearing parts treated according to this procedure actually have Lich improved properties in terms of rolling fatigue and Wear resistance, which, however, for highly stressed components such as e.g. B. tappet in the valve train of internal combustion engines because of high levels of austenite are not sufficient. Furthermore requires the process includes a very long hold time at the second Heat treatment stage, so that the implementation of the process with considerable costs.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein thermochemisch-ther­ misches Behandlungsverfahren vorzuschlagen, das wirtschaftlich durch­ führbar ist und die Verschleißfestigkeit hochbeanspruchter Bauteile auch bei ungünstigen Schmierbedingungen verbessert.The object of the present invention is a thermochemical ther propose a mixed treatment process that is economically viable is feasible and the wear resistance of highly stressed components improved even under unfavorable lubrication conditions.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Verfahren folgende Ver­ fahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge umfaßt:This object is achieved in that the method Ver Driving steps in the order given include:

  • - Eine Einsatzhärtung oder Carbonitrierung bei einer Temperatur von 900 bis 1050°C, wobei eine übereutektoide Aufkohlung oder eine übereutektoide Aufkohlung mit Aufstickung der Randzone erfolgt, und der Kohlenstoffgehalt bzw. Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt in der Randzone größer als 1 Gew.-% aber kleiner als die durch die S-E-Linie im Zustandsdiagramm des Werkstoffs in Abhängigkeit von der Temperatur definierte maximale Löslichkeit des Kohlenstoffs im Austenit ist;- Case hardening or carbonitriding at a temperature of 900 to 1050 ° C, a hypereutectoid carburization or hypereutectoid carburization occurs with embroidery of the peripheral zone, and the carbon content or carbon and nitrogen content in the peripheral zone greater than 1 wt .-% but smaller than that by S-E line in the state diagram of the material depending on the temperature defined maximum solubility of the carbon is in austenite;
  • - eine Abkühlung auf einen Wert unterhalb des Ar1-Punktes mit einer Abschreckgeschwindigkeit, bei der eine Korngrenzenzementitaus­ scheidung vermieden ist;cooling to a value below the A r1 point with a quenching rate at which a grain boundary cementite separation is avoided;
  • - einen Härteprozeß mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 20 bis 80°C/Minute, einer Temperatur von 770 bis 830°C und einer Halte­ dauer von 5 bis 15 Minuten.- A hardening process with a heating rate of 20 to 80 ° C / minute, a temperature of 770 to 830 ° C and a hold takes 5 to 15 minutes.

Durch die hohen Temperaturen während der Aufkohlung bzw. Carbonitrie­ rung von 900 bis 1050°C wird die Haltezeit erheblich verringert. Sie sind gleichzeitig Voraussetzung, daß im Austenit ein hohes Lösungsver­ mögen für Kohlenstoff und Stickstoff vorliegt und mithin ein Kohlen­ stoffgehalt von mehr als 1 Gew.-% in der Randzone erreicht werden kann. Das Kohlenstoff- und Stickstoffpotential in der Atmosphäre ist während dieser Phase allerdings auf die maximale Löslichkeit von Kohlenstoff und Stickstoff im Austenit abzustimmen. Diese Löslichkeit ergibt sich auf der S-E-Linie im Eisenkohlenstoff-Diagramm. Überschreitet das Kohlenstoffpotential in der Atmosphäre nämlich die maximale Löslich­ keit von Kohlenstoff im Austenit erfolgt eine Überkohlung, mit der Folge, daß Korngrenzenzementit ausgeschieden wird. Die Haltezeit während des Einsetzens bzw. Carbonitrierens bestimmt sich im konkreten Fall nach der geforderten Einhärtetiefe.Due to the high temperatures during carburization or carbonitrie The holding time is considerably reduced at temperatures between 900 and 1050 ° C. they are at the same time a prerequisite that a high solution ver  may exist for carbon and nitrogen and therefore carbon substance content of more than 1 wt .-% can be achieved in the peripheral zone. The carbon and nitrogen potential in the atmosphere is during this phase, however, on the maximum solubility of carbon and tune nitrogen in austenite. This solubility arises on the S-E line in the iron-carbon diagram. Exceeds that Carbon potential in the atmosphere namely the maximum soluble Carbon in austenite causes overcarburization with which Consequence that grain boundary cementite is excreted. The hold time during the insertion or carbonitriding is determined specifically Case after the required hardening depth.

Nach dem Einsatzhärten oder Carbonitrieren erfolgt eine schnelle Unterkühlung des Gefüges durch Abschrecken auf Raumtemperatur. Damit wird die Zementitausscheidung an den Austenitkorngrenzen unterdrückt und es entsteht ein Gefüge aus Martensit und hohem Restaustenitanteil von 40 bis 90 Vol.-%. Eine direkte Unterkühlung im Ofen mit anschlie­ ßender isothermer Umwandlung bei Temperaturen unter dem Ac1-Punkt ist ebenfalls möglich.After case hardening or carbonitriding, the structure is rapidly supercooled by quenching to room temperature. This suppresses the precipitation of cementite at the austenite grain boundaries and a structure of martensite and a high proportion of austenite of 40 to 90% by volume is formed. Direct subcooling in the furnace with subsequent isothermal conversion at temperatures below the A c1 point is also possible.

Dieser ersten Behandlungsstufe schließt sich eine zweite Wärmebehand­ lung an, bei der der Werkstoff auf eine Temperatur zwischen 770 und 830°C, vorzugsweise 790 bis 810°C, mit einer für Durchlaufhärteöfen typischen Aufheizgeschwindigkeit von 20 bis 80°C pro Minute und einer Haltezeit zwischen 5 und 15 Minuten an, der dann eine übliche Ölab­ schreckung folgt. Durch diese zweite Wärmebehandlung wird erreicht, daß sich bei der geregelten Erwärmung auf die Austenitisierungstempe­ ratur der hohe Anteil gelöster Stickstoff- und Kohlenstoffatome in Form feinstdisperser Karbide und Carbonitride gleichmäßig fein ver­ teilt, innerhalb der Kristalle ausscheidet. Da bei der niedrigen zweiten Wärmebehandlungstemperatur das Lösungsvermögen des Austenits für Kohlenstoff deutlich niedriger liegt als bei der ersten hohen Behandlungstemperatur, wird ein Teil der ausgeschiedenen Karbide bzw. Carbonitride im Austenit nicht gelöst. Die Austenitisierung selbst, das heißt die Haltezeit auf der Austenitisierungstemperatur, darf dagegen nur kurzzeitig erfolgen, um eine Karbidvergrößerung zu ver­ meiden. Nach der anschließenden martensitischen Abschreckung, die durch die Ölabschreckung erreicht wird, liegt ein Gefüge vor, das neben feinst nadeligem Martensit einen Restaustenitanteil von 25 bis 40% und zahlreiche, feinste Karbide mit einem Flächenanteil zwischen 8 und 25% aufweist. Außerdem zeigt das Gefüge eine sehr feine Bruch­ korngröße.This first treatment stage is followed by a second heat treatment at which the material reaches a temperature between 770 and 830 ° C, preferably 790 to 810 ° C, with one for continuous hardening furnaces typical heating rate of 20 to 80 ° C per minute and one Hold time between 5 and 15 minutes, which is then a common oil drain horror follows. This second heat treatment achieves that in the controlled heating to the austenitizing temp rature the high proportion of dissolved nitrogen and carbon atoms in Form finely dispersed carbides and carbonitrides evenly fine ver divides, excretes within the crystals. Because at the low second heat treatment temperature the dissolving power of the austenite for carbon is significantly lower than the first high Treatment temperature, a part of the excreted carbides or Carbonitrides not dissolved in austenite. The austenitization itself, that is, the holding time at the austenitizing temperature on the other hand, only take a short time to increase the carbide avoid. After the subsequent martensitic deterrence, the  is achieved by oil quenching, there is a structure that in addition to the finest acicular martensite, a residual austenite content of 25 to 40% and numerous, finest carbides with an area share between 8 and 25%. In addition, the structure shows a very fine break grain size.

Diesem zweiten Behandlungsschritt kann sich dann direkt ein Anlassen bei 160 bis 180°C und zwei Stunden Haltedauer anschließen. Eine höhere Anlaßtemperatur bis 300°C ergibt noch eine hinreichend hohe Härte von mindestens 58 HRC.This second treatment step can then be started directly Connect at 160 to 180 ° C and a holding time of two hours. A higher one Tempering temperature up to 300 ° C results in a sufficiently high hardness of at least 58 HRC.

Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren ist jedoch vorgese­ hen, vor dem Anlassen eine Tiefkühlbehandlung bis -120°C durchzufüh­ ren, bei der der Restaustenitanteil im Gefüge auf 5 bis 20% abgesenkt wird.In a preferred method according to the invention, however, is provided prior to starting, freeze treatment to -120 ° C in which the residual austenite content in the structure is reduced to 5 to 20% becomes.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung werden dem Werkstoff Eigenschaften wie eine hohe Ver­ schleißfestigkeit und eine hohe Zähigkeit verliehen.The inventive method for thermochemical-thermal Treatment will give the material properties such as a high ver wear resistance and high toughness.

Ein nach dem Verfahren behandelter Einsatzstahl zeichnet sich dadurch aus, daß das Gefüge in der Randzone feinstdisperse, intrakristalline Karbidausscheidungen mit einem Flächenanteil größer 8% und eine Bruchkorngröße feiner 10 nach Jernkontoret Bruchprobensatz bzw. Korn­ größe nach ASTM E112 feiner 10 aufweist.A case-hardened steel treated according to the process is characterized by this from that the structure in the marginal zone is finely dispersed, intracrystalline Carbide precipitates with a surface area greater than 8% and one Fracture grain size finer 10 according to Jernkontoret fracture sample set or grain according to ASTM E112 finer 10.

Die einzige Figur zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatzstahl. In der mit 1 bezeichneten Phase erfolgt die Carbonitrierung oder Einsatzhärtung bei einer Temperatur von 900 bis 1050°C. Dieser Phase schließt sich eine zweite Phase 2 an, in der eine schnelle Unterkühlung des Gefüges er­ reicht wird. Dies kann dadurch erfolgen, daß, wie es die durchgezogene Linie darstellt, ein Abschrecken auf Raumtemperatur erfolgt oder durch, wie gestrichelt dargestellt ist, eine Unterkühlung im Ofen mit anschließender quasi isothermer Umwandlung bei Temperaturen unter AR1. In einer dritten Phase 3 wird der Werkstoff auf Austenitisie­ rungstemperatur zwischen 770 und 830°C erwärmt, wobei sich Stickstoff- und Kohlenstoffatome in Form von feinstdispersen Karbiden fein ver­ teilt ausscheiden. Zur Vermeidung von Karbidvergrößerungen ist die Haltezeit auf der Austenitisierungstemperatur nur kurz.The single figure shows schematically the method according to the invention thermochemical-thermal treatment of case hardening steel. In the first phase called carbonitriding or case hardening a temperature of 900 to 1050 ° C. This phase includes one second phase 2, in which he rapid hypothermia of the structure is enough. This can be done by how the solid Line represents, quenching to room temperature or by subcooling in the oven, as shown in dashed lines subsequent quasi isothermal conversion at temperatures below AR1. In a third phase 3 the material is on austenitis temperature between 770 and 830 ° C, with nitrogen  and carbon atoms in the form of finely divided carbides splits out. To avoid carbide enlargement, the Holding time at the austenitizing temperature only short.

In einer vierten Phase 4 erfolgt die Abkühlung auf Raumtemperatur oder wahlweise, wie gestrichelt dargestellt, eine Unterkühlung bis -120°C. Anschließend wird der Werkstoff in Phase 5 bei einer Temperatur von 160 bis 180°C und einer Haltezeit von zwei Stunden angelassen.In a fourth phase 4, cooling to room temperature or optionally, as shown in dashed lines, subcooling to -120 ° C. The material is then in phase 5 at a temperature of Annealed at 160 to 180 ° C and a holding time of two hours.

BezugszeichenlisteReference list

1 Korbinitrieren oder Einsatzhärten
2 Abkühlung
3 Austenitisieren
4 Abkühlung
5 Anlassen 1 basket nitriding or case hardening
2 cooling
3 Austenitizing
4 cooling
5 start

Claims (3)

1. Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatz­ stählen, welches eine Einsatzhärtung oder Carbonitrierung bei einer Temperatur oberhalb des AC 3-Punktes des Kernwerkstoffes vorsieht, wobei eine Aufkohlung oder eine Aufkohlung mit Aufstickung der Randzo­ ne erfolgt, einen Härteprozeß mit Abschreckung und einen Anlaßvorgang umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzhärtung oder Carboni­ trierung bei einer Temperatur von 900 bis 1050°C mit einer übereutek­ toiden Aufkohlung oder einer übereutektoiden Aufkohlung mit Aufstic­ kung der Randzonen auf einen Kohlenstoffgehalt bzw. Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt größer 1 Gew.% aber kleiner als die durch die S-E- Linie im Zustandsdiagramm des Werkstoffs in Abhängigkeit von der Temperatur definierte maximale Löslichkeit des Kohlenstoffs im Auste­ nit und daß der Einsatzhärtung oder Carbonitrierung eine Abkühlung auf einen Wert unterhalb des AR 1-Punktes folgt, wobei die Abschreckge­ schwindigkeit so gewählt ist, daß eine Korngrenzenzementitausscheidung vermieden ist, und daß sich der Abkühlung ein Härteprozeß mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 20 bis 80°C pro Minute und einer Haltedauer von 5 bis 15 Minuten bei einer Temperatur von 770 bis 830°C an­ schließt, dem dann der Anlaßvorgang folgt.1. A process for the thermochemical-thermal treatment of insert steel, which provides case hardening or carbonitriding at a temperature above the AC 3 point of the core material, whereby carburization or carburization with nitrogen nitriding takes place, a hardening process with quenching and a tempering process comprises, characterized in that the case hardening or Carboni trierung at a temperature of 900 to 1050 ° C with a hypereutectoid carburization or a hypereutectoid carburization with Aufstic kung the edge zones to a carbon content or carbon and nitrogen content greater than 1 wt.% but less than the maximum solubility of the carbon in the auste nit defined by the SE line in the state diagram of the material as a function of the temperature and that the case hardening or carbonitriding is followed by a cooling to a value below the AR 1 point, the quenching speed being chosen i st that a grain boundary cementite precipitation is avoided, and that the cooling is followed by a hardening process with a heating rate of 20 to 80 ° C per minute and a holding time of 5 to 15 minutes at a temperature of 770 to 830 ° C, followed by the tempering process follows. 2. Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatz­ stählen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Härten und dem Anlaßvorgang eine Tiefkühlung bei einer Temperatur von -70 bis -120°C vorgesehen ist.2. Process for thermochemical-thermal treatment of use steels according to claim 1, characterized in that between the Hardening and the tempering process freezing at a temperature from -70 to -120 ° C is provided. 3. Nach dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 behandelter Einsatzstahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefüge in der Randzone feinstdisperse intrakristalline Karbidausscheidungen mit einem Flächenteil größer 8% und eine Bruchkorngröße feiner 10 nach Jernkontoret Bruchprobensatz bzw. eine Korngröße feiner 10 nach ASTM E112 aufweist.3. Case hardened steel treated according to the method of claim 1 or 2, characterized in that the structure in the marginal zone is finely dispersed intracrystalline carbide deposits with a surface area larger than 8% and a fracture grain size finer 10 according to Jernkontoret fracture sample set or has a grain size finer 10 according to ASTM E112.
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