DE4205647C2

DE4205647C2 - Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatzstählen

Info

Publication number: DE4205647C2
Application number: DE4205647A
Authority: DE
Inventors: Wenzel Dipl Ing Bina; Dieter Dipl Ing Eckert; Werner Dipl Ing Kreiss
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 1992-02-25
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: DE59209268D1; EP0627019B1; EP0627019A1; DE4205647A1; WO1993017146A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatzstählen, bei denen eine Randzone eines Werkstüc kes, insbesondere Tassenstößel, Wälzlagerteile, Getriebe- und Kupp lungselemente, mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert und an schließend einer martensitischen Härtung unterzogen wird.

Ein derartiges Verfahren stellt das Karbonitrieren zum Behandeln eines Werkstückes im austenitischen Zustand mit dem Zweck der Anreicherung der Randschicht mit Kohlenstoff und mit Stickstoff dar, wobei sich beide Elemente danach im Austenit in fester Lösung befinden. Im An schluß an diese Behandlung erfolgt im allgemeinen unmittelbar ein Abschrecken zur Erzielung einer Härtung. Durch Karbonitrieren werden die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit der Konstruktionsteile verbessert (Technologie der Wärmebehandlung von Stahl, S. 169 ff, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1986).

Die nach diesem Verfahren behandelten Werkstücke weisen zwar verbes serte Eigenschaften hinsichtlich der Verschleißfestigkeit auf, die jedoch für tribologisch hoch beanspruchte Bauteile wie beispielsweise die Kontaktflächen von Tassenstößeln im Ventiltrieb einer Brennkraft maschine nicht in jedem Anwendungsfall ausreichen. Darüberhinaus ist wegen der geforderten Formgenauigkeit bei karbonitrierten Teilen ein Schleifen dieser Bauteile nötig, so daß im Zuge dieser spanenden Formgebung die hoch angereicherte, verschleißfeste äußerste Oberflä chenschicht zumindest teilweise weggeschliffen wird.

Ein anderes Verfahren zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit ist das Nitrokarburieren. Dies ist ein thermochemisches Verfahren zum Anrei chern der Randschicht eines Werkstückes mit Stickstoff und Kohlenstoff unter Bildung einer Verbindungsschicht, wobei sich unterhalb der Verbindungsschicht eine vor allem mit Stickstoff angereicherte Diffu sionsschicht bildet. Voraussetzung für die Funktionstüchtigkeit nitro karburierter Teile ist neben dem Vorhandensein dieser mit Stickstoff und Kohlenstoff angereicherten, ausreichend dicken Verbindungsschicht eine entsprechende Stützwirkung der Diffusionsschicht unter der natur gemäß mehr oder weniger spröden Verbindungsschicht.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht nun darin, daß die unter der Verbindungsschicht liegende Diffusionsschicht bei tribologisch hohen Beanspruchungen, wie beispielsweise durch Fremdkörper im Ölkreislauf einer Brennkraftmaschine, zu plastischer Verformung neigt und als Folge davon zu Beschädigungen der Verbindungsschicht führen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein thermochemisch-thermi sches Behandlungsverfahren zu schaffen, das bei tribologisch hoch beanspruchten Bauteilen eine ausreichende Verschleißfestigkeit gewähr leistet.

Diese Aufgabe wird nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst durch mehrere aufeinanderfolgende Verfahrensschritte.

- Ein erster Verfahrensschritt besteht aus einem Karbonitrieren bei einer Temperatur von 780 bis 1050°C, wobei in der Randzone eine Auf kohlung und Aufstickung auf 0,4 bis 0,9 Gewichtsprozent Kohlenstoff und 0,1 bis 0,8, vorzugsweise 0,3 bis 0,7 Gewichtsprozent Stickstoff eingestellt wird. Die hohen Temperaturen sorgen dafür, daß der Auste nit in der Randzone ein entsprechend hohes Lösungsvermögen sowohl für Kohlenstoff als auch für Stickstoff aufweist. Die Anreicherung der Diffusionselemente Stickstoff und Kohlenstoff hat dabei so zu erfol gen, daß deren Löslichkeit im Austenit nicht überschritten wird, d. h. das Kohlenpotential in der Atmosphäre ist dabei entsprechend der S-E- Linie im Eisenkohlenstoff-Diagramm abzustimmen. Entsprechendes gilt für das Stickstoffangebot gemäß dem Zustandsdiagramm Eisen-Stickstoff. Die Haltezeit während des Karbonitrierens, die ein bis vier Stunden betragen kann, richtet sich nach der gewünschten Einhärtetiefe, deren Obergrenze bei einem Millimeter liegen kann. Erreicht wird die chemi sche Zusammensetzung der Randzone durch Diffusion von Kohlenstoff und Stickstoff bei den genannten Temperaturen in bekannter Weise unter Verwendung eines Arbeitsgases, das sowohl kohlenstoffabgebende Kom ponenten als auch stickstoffabgebende Komponenten enthält.

An das Karbonitrieren schließt sich als zweiter Verfahrensschritt eine schnelle Unterkühlung des Härtegutes durch Abschrecken in geeigneten Medien an. Die Abschreckung soll, beispielsweise in einem Ölbad, auf Temperaturen deutlich unter dem Martensitstartpunkt der Randzone erfolgen. Dadurch wird der Diffusionsvorgang der Eisenbegleiter Stick stoff und Kohlenstoff unterbrochen und die Zementitausscheidung an den Austenitkorngrenzen unterdrückt und es entsteht ein Gefüge, das sich aus Kohlenstoff und Stickstoff enthaltendem Martensit und einem Rest austenitanteil bis zu 50% zusammensetzt. Die Oberflächenhärten liegen dabei zwischen 65 und 55 Härte Rockwell. Ziel der gleichzeitigen Anreicherung mit Kohlenstoff und Stickstoff ist im vorliegenden Fall eine Erhöhung der Anlaßbeständigkeit besagten Einsatzstahles gegen über dem Einsatzhärten.

- An das Karbonitrieren schließt sich als dritter Verfahrensschritt eine Wärmebehandlung an, im Zuge derer der Werkstoff bei 520 bis 650°, d. h. 20 bis 40°C über der nachfolgenden Nitrocarburiertemperatur, angelassen wird. Die Aufheizgeschwindigkeit liegt dabei zwischen 10 bis 30° pro Minute und die Haltezeit beträgt etwa 1 bis 2 Stunden. Nach dem Anlassen schließt sich als vierter Verfahrensschritt eine Abkühlung auf Raumtemperatur an, wobei die Abkühlgeschwindigkeit so gewählt wird, daß durch die Abkühlung keine neuen Spannungen im Bau teil erzeugt werden. Durch das Anlassen bei einer Temperatur von 20 bis 40° c über der Nitrokarburiertemperatur wird erreicht, daß sich der durch das Karbonitrieren im Randbereich des Werkstückes einge stellte Gefügezustand beim nachfolgenden Nitrokarburieren durch Tempe ratureinflüsse nicht mehr verändert. Da jede Änderung des Gefügezu standes mit einer Volumenvergrößerung bzw. -verkleinerung verbunden ist, wird eine derartige Volumenänderung beim nachfolgenden Nitrokar burieren ausgeschlossen. Darüberhinaus wird der beim vorhergehenden Karbonitrieren mit nachfolgender Abkühlung mit inneren Spannungen eingefro rene Ungleichgewichtszustand in ein bei der Nitrokarburiertemperatur im Gleichgewicht befindliches Gefüge umgewandelt. Der Abbau von inneren Spannungen beim Anlassen ist ebenfalls mit Maß- und Formänderungen des Werkstückes verbunden.
- Nach der Anlaßbehandlung werden die durch die vorhergehenden Behand lungsstufen Karbonitrieren und Anlassen eingetretenen Form- und Maßänderun gen der Teile durch einen spangebenden Formgebungsprozeß als fünften Verfahrensschritt korrigiert, um die zu nitrokarburierenden Teile auf das Fertig teilendmaß zu bringen. Gegebenenfalls ist dabei ein durch die Stickstoff- und Kohlenstoffaufnahme beim Nitrokarburieren eintretendes Volumenwachstum maßlich zu berücksichtigen.
- Nach der spanenden Formgebung schließt sich als sechster Schritt des erfin dungsgemäßen Verfahrens das Nitrokarburieren an. Ziel ist der Aufbau einer bis zu 20 µm dicken, geschlossenen Verbindungsschicht. Hierzu werden die ge schliffenen Teile bei Temperaturen von 500 bis 620°C 60 bis 150 Minuten lang behandelt. Das Nitrokarburieren erfolgt im Gasgemisch aus Ammoniak, Kohlendioxid, Stickstoff und Endo- oder Exogas. Die Abkühlung des Nitriergutes als letzter Schritt des Verfahrens kann unter Schutzgas im Ofen oder durch Abschreckung in Öl erfolgen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 3 erfolgt das Nitrokarburieren bei einer Temperatur von 530 bis 570°C. Diese Temperaturen liegen einerseits unterhalb der eutektoiden Temperatur und andererseits hoch genug, um mit ausreichend hoher Wachstumsgeschwindigkeit die Verbindungsschicht aufzubauen. Darüberhinaus kommt es in diesem Tem peraturbereich zu keiner zusätzlichen Gefügeumwandlung im aufgestickten Randbereich, so daß auf ein Abschrecken und den damit verbundenen Maß- und Formänderungen verzichtet werden kann.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 2 ist es auch möglich, daß anstelle der Karbonitrierung eine Einsatzhärtung bei einer Temperatur von 780 bis 1050°C mit einer Auf kohlung der Randzone von 0,4 bis 0,9 Gewichtsprozent Kohlenstoff bei einer Haltezeit von 1 bis 4 Stunden erfolgt. Die sich anschließenden Verfahrens schritte bleiben die gleichen, wie im kennzeichnenden Teil des Anspruchs beschrieben.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung werden dem Werkstoff eine hohe Verschleißfestigkeit und Tragfä higkeit verliehen, da die unter der Verbindungsschicht liegende und diese stützende Diffusionsschicht eine wesentlich verbesserte Stützwirkung erhält, so daß auch bei höchsten tribologischen Beanspruchungen die Verbindungsschicht nicht durch plastische Verformungen der darunter liegenden Diffusionsschicht beschädigt werden kann.

Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Ver fahrens in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur;

Fig. 2 einen Querschnitt im Bereich der Funktionsfläche.

In der mit 1 bezeichneten Phase erfolgt die Karbonitrierung bei einer Tempera tur von 780 bis 1050°C. Je nach gewünschter Einhärtetiefe erfolgt innerhalb von 1 bis 4 Stunden eine Aufkohlung und Aufstickung der Randzone. Dieser Phase schließt sich eine Phase 2 an, in der das Gefüge auf eine Temperatur deutlich unter dem Martensitstartpunkt der Randzone abgeschreckt wird. In einer dritten Phase wird der Werkstoff 20 bis 40°C über der Nitrokarburiertem peratur 1 bis 2 Stunden angelassen. In einer vierten Phase wird der Werkstoff unter Ofen- bzw. Schutzgasatmosphäre abgekühlt, bevor wie gestrichelt darge stellt, in einer fünften Phase die Teile einem spanenden Formgebungsprozeß unterworfen werden, um diese auf ihr Fertigteilendmaß zu bringen. In einer sechsten Phase erfolgt innerhalb von 60 bis 150 Minuten der Aufbau einer 2 bis 20 µm, vorzugsweise 6 bis 12 µm dicken, geschlosse nen Verbindungsschicht. Hierzu werden die geschliffenen Teile bei Temperaturen von 500 bis 620°C in einem Gasgemisch aus Ammoniak, Kohlendioxyd, Stickstoff und Endogas oder Exogas behandelt. Danach schließt sich als letzte Phase 7 die Abkühlung des Nitrokarburiergutes unter Schutzgas im Ofen oder durch Abschreckung in Öl oder wäßrigen Medien an. Nicht auf Verschleiß beanspruchte Stellen können spangebend nachgearbeitet werden.

Fig. 2 zeigt schematisch den Schichtenaufbau der Randzone eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelndes Teiles. An die außenlie gende Verbindungsschicht 8, die aus ε-Nitriden, Y′-Nitriden, Karbiden und Karbonitriden besteht, schließt sich die Diffusionsschicht 9 an, die aus Nitriden, Karbiden, Karbonitriden und Ferrit besteht. Die Größenverhältnisse zwischen Verbindungsschicht und Diffusionsschicht sind dabei so, daß die Stärke der Verbindungsschicht bis zu 20 µm beträgt, während die Diffusionsschicht eine Stärke von mehreren zehn tel Millimetern aufweisen kann. An die Diffusionsschicht 9 schließt sich der Ausgangswerkstoff 10 an.

Erfindungsgemäß wird die Stützwirkung der unter der Verbindungsschicht befindlichen Diffusionsschicht durch Karbonitrieren und Anlassen gegenüber einem nur nitrokarburiertem Teil entscheidend verbessert.

Bezugszeichenliste

1 Karbonitrieren oder Einsatzhärten
2 Abkühlen
3 Anlassen
4 Abkühlen
5 spanende Formgebung
6 Nitrokarburieren
7 Abkühlen
8 Verbindungsschicht
9 Diffusionsschicht
10 Ausgangswerkstoff

Claims

1. Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatzstählen, bei denen eine Randzone eines Werkstückes, insbesondere Tassenstößel, Wälzlagerteile, Getriebe- und Kupplungselemente, mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert und anschließend einer martensitischen Härtung unterzogen wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

(a) Karbonitrierung bei einer Temperatur zwischen 780 und 1050° C bei einer Haltezeit von 1 bis 4 Stunden mit Aufkohlung und Aufstickung der Randzone auf 0,4 bis 0,9 Gew.-% C und 0,1 bis 0,8 Gew.-% N,
(b) Abschreckung auf eine Temperatur deutlich unter dem Martensitstartpunkt der Randzone,
(c) Anlassen bei einer Temperatur von 20 bis 40°C über einer Nitrokarburie rungstemperatur mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 10 bis 30°C/min und einer Haltezeit von 1 bis 2 Stunden,
(d) Abkühlung auf Raumtemperatur,
(e) spanende Formgebung der Werkstücke und
(f) Nitrokarburieren in einem Gasgemisch aus NH3, CO2, N2 und Endo- oder Exogas bei einer Temperatur von 500 bis 620°C, einer Haltezeit von 60 bis 150 min und Abkühlen auf Raumtemperatur.

2. Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatzstählen, bei denen eine Randzone eines Werkstückes, insbesondere Tassenstößel, Wälzlagerteile, Getriebe- und Kupplungselemente, mit Kohlenstoff angereichert und anschließend einer martensitischen Härtung unterzogen wird, gekenn zeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

(a) Einsatzhärtung bei einer Temperatur zwischen 780 und 1050°C bei einer Haltezeit von 1 bis 4 Stunden mit Aufkohlung der Randzone auf 0,4 bis 0,9 Gew.-% C,
(b) Abschreckung auf eine Temperatur deutlich unter dem Martensitstartpunkt der Randzone,
(c) Anlassen bei einer Temperatur von 20 bis 40°C über einer Nitrokarburie rungstemperatur mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 10 bis 30°C/min und einer Haltezeit von 1 bis 2 Stunden,
(d) Abkühlung auf Raumtemperatur,
(e) spanende Formgebung der Werkstücke und
(f) Nitrokarburieren in einem Gasgemisch aus NH3, CO2, N2 und Endo- oder Exogas bei einer Temperatur von 500 bis 620°C, einer Haltezeit von 60 bis 150 min und Abkühlen auf Raumtemperatur.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nitrokarburieren nach Schritt (f) bei einer Temperatur von 530 bis 570°C durchgeführt wird.