DE4327440A1

DE4327440A1 - Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatzstählen, Vergütungsstählen und Wälzlagerstählen

Info

Publication number: DE4327440A1
Application number: DE19934327440
Authority: DE
Inventors: Bina Dipl Ing Wenzel; Dieter Dipl Ing Eckert; Werner Dipl Ing Kreiss
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 1993-08-14
Filing date: 1993-08-14
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2013-08-15
Also published as: DE4327440C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatzstählen, Vergütungsstählen und Wälzlagerstählen, bei denen eine Randzone eines Werkstückes, insbesondere Tassenstößel, Wälzlagerteile, Getriebe- und Kupplungselemente, mit Kohlenstoff und Stickstoff oder mit Kohlenstoff angereichert und anschließend 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. Darüber hinaus 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 sionszone 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 Diffusionszone unter der natur gemäß mehr oder weniger spröden Verbindungsschicht.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht nun darin, daß die unter der Verbindungsschicht liegende Diffusionszone 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 1,2 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 Kohlenstoffpotential in der Atmosphäre ist dabei entsprechend der S-E-Linie im Eisenkohlenstoff-Diagramm abzustimmen. Entsprechendes gilt für das Stickstoffangebot gemäß dem Zustandsdiagramm Eisen-Stick stoff. Die Haltezeit während des Karbonitrierens, die ein bis vier Stunden betragen kann, richtet sich nach der gewünschten Einhärtetie fe, deren Obergrenze bei einem Millimeter liegen kann. Erreicht wird die chemische Zusammensetzung der Randzone durch Diffusion von Kohlen stoff und Stickstoff bei den genannten Temperaturen in bekannter Weise unter Verwendung eines Arbeitsgases, das sowohl kohlenstoffabgebende Komponenten als auch stickstoffabgebende Komponenten enthält.
- An das Karbonitrieren schließt sich als zweiter Verfahrensschritt eine schnelle Unterkühlung des Härtegutes durch Abschrecken in ge eigneten Medien an. Die Abschreckung soll, beispielsweise in einem Ölbad, auf Temperaturen deutlich unter dem Martensitstartpunkt der Randzone erfolgen. Dadurch wird der Diffusionsvorgang der Eisenbeglei ter Stickstoff und Kohlenstoff unterbrochen und die Zementitausschei dung an den Austenitkorngrenzen unterdrückt und es entsteht ein Gefüge, das sich aus Kohlenstoff und Stickstoff enthaltendem Martensit und einem Restaustenitanteil bis zu 50% zusammensetzt. Die Oberflä chenhärten liegen dabei zwischen 55 und 65 Härte Rockwell. Ziel der gleichzeitigen Anreicherung mit Kohlenstoff und Stickstoff ist im vorliegenden Fall eine Erhöhung der Anlaßbeständigkeit besagten Einsatzstahles gegenüber dem Einsatzhärten.
- An das Karbonitrieren schließt sich als dritter Verfahrensschritt eine Wärmebehandlung an, im Zuge derer der Werkstoff bei 400 bis 660°C, d. h. über der nachfolgenden Nitrocarburiertemperatur, ange lassen wird. Die Aufheizgeschwindigkeit liegt dabei bis 50°C pro Minute und die Haltezeit beträgt etwa 1 bis 2 Stunden. Nach dem An lassen schließt sich als vierter Verfahrensschritt eine Abkühlung auf Raumtemperatur an, wobei die Abkühlgeschwindigkeit so gewählt wird, daß durch die Abkühlung keine neuen Spannungen im Bauteil erzeugt werden. Durch das Anlassen bei einer Temperatur über der Nitrokarbu riertemperatur wird erreicht, daß sich der durch das Karbonitrieren im Randbereich des Werkstückes eingestellte Gefügezustand beim nachfol genden Nitrokarburieren durch Temperatureinflüsse nicht mehr verän dert. Da jede Änderung des Gefügezustandes mit einer Volumenvergröße rung bzw. -verkleinerung verbunden ist, wird eine derartige Volumen änderung beim nachfolgenden Nitrokarburieren nahezu ausgeschlossen.

Darüber hinaus wird der beim vorhergehenden Karbonitrieren mit nachfol gender Abkühlung mit inneren Spannungen eingefrorene Ungleichgewichts zustand 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 Maß änderungen der Teile durch einen spangebenden Formgebungsprozeß als fünften Verfahrensschritt korrigiert, um die zu nitrokarburierenden Teile auf das Fertigteilendmaß zu bringen. Gegebenenfalls ist dabei ein durch die Stickstoff- und Kohlenstoffaufnahme beim Nitrokarburie ren eintretendes Volumenwachstum maßlich zu berücksichtigen.
- Nach der spanenden Formgebung schließt sich als sechster Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens das Nitrokarburieren an. Ziel ist der Aufbau einer bis zu 20 µm dicken, geschlossenen Verbindungsschicht. Hierzu werden die geschliffenen Teile bei Temperaturen von 400 bis 620°C, 60 bis 300 Minuten lang behandelt. Die Abkühlung des Nitrier gutes als letzter Schritt des Verfahrens kann unter Schutzgas im Ofen, bzw. durch Abschreckung in Öl oder wäßrigen Medien erfolgen.

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 Aufkohlung der Randzone von 0,4 bis 1,2 Gewichts prozent Kohlenstoff bei einer Haltezeit von etwa 1 bis 4 Stunden erfolgt. Die sich anschließenden Verfahrensschritte bleiben die glei chen, wie im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschrieben.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 kann das Nitrokarburie ren im Gas, im Plasma oder im Salzbad durchgeführt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 4 erfolgt das Gasnitrokarburieren in einem Gasgemisch aus Ammoniak, Kohlendioxid, Stickstoff und Endo- oder Exogas bei einer Temperartur von 530 bis 570°C. Die Abkühlung des Nitriergutes erfolgt dabei unter Schutzgas. Diese Temperaturen liegen einerseits unterhalb der eutek toiden Temperatur und andererseits hoch genug, um mit ausreichend hoher Wachstumsgeschwindigkeit die Verbindungsschicht aufzubauen. Darüber hinaus kommt es in diesem Temperaturbereich zu keiner zusätz lichen Gefügeumwandlung im aufgestickten Randbereich, so daß auf ein Abschrecken und den damit verbundenen Maß- und Formänderungen ver zichtet werden kann.

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

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung nach Anspruch 5 soll die Oberfläche nach der spanenden Formgebung (5) so strukturiert sein, daß sie mit einer Vielzahl von winzigen, willkürlich angeordneten Aus nehmungen versehen ist, das Verhältnis RMS (G)/RMS (Q) < 1,0 ist, der SK-Wert <0 ist und das Flächenverhältnis der Ausnehmungen zur gesam ten Gleitfläche zwischen 10 und 40% liegt.

Mit RMS (G) bzw. mit RMS (Q) ist der quadratische Rauhtiefenmittelwert in Gleitrichtung bzw. der quadratische Rauhtiefenmittelwert quer zur Gleitrichtung gemeint. Der SK-Wert, der einen weiteren Parameter für die Oberflächenrauhheit darstellt, soll sowohl in Gleitrichtung als auch quer zur Gleitrichtung < 0 sein.

Die vorhandenen winzigen Ausnehmungen wirken unter diesen Bedingungen besonders effektiv als Ölvorratsräume und begünstigen so die Ausbil dung eines ausreichend dicken Ölfilmes an den Gleitflächen. Auf diese Weise wird ein Kontakt von Metall zu Metall verhindert und somit ein Verschleiß bzw. ein Abtragen von Material wesentlich verringert.

Wird eine derartig strukturierte Oberfläche anschließend nitrokarbu riert, so wird die mechanische Verschleißfestigkeit der strukturierten Oberfläche durch Einlagerung von Stickstoff und Kohlenstoff bei gleichzeitiger Beibehaltung des positiven Einflusses auf die Ausbil dung eines ausreichend dicken Ölfilmes an den Gleitflächen wesentlich erhöht.

Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens 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 Temperatur von 780 bis 1050°C. Je nach gewünschter Einhärtetiefe erfolgt innerhalb von etwa 1 bis 4 Stunden eine Aufkohlung und Auf stickung der Randzone. Dieser Phase schließt sich eine Phase 2 an, in der das Gefüge auf eine Temperatur deutlich unter dem Martensitstart punkt der Randzone abgeschreckt wird. In einer dritten Phase wird der Werkstoff bis 40°C über der Nitrokarburiertemperatur 1 bis 2 Stunden angelassen. In einer vierten Phase wird der Werkstoff unter Ofen- bzw. Schutzgasatmosphäre abgekühlt, bevor wie gestrichelt dargestellt, in einer fünften Phase die Teile einem spanenden Formgebungsprozeß unter worfen werden, um diese auf ihr Fertigteilendmaß zu bringen. In einer sechsten Phase erfolgt innerhalb von 60 bis 300 Minuten der Aufbau einer 2 bis 20 µm, vorzugsweise 6 bis 12 µm dicken, geschlossenen Verbindungsschicht. Hierzu werden die geschliffenen Teile bei Tempera turen von 400 bis 620°C in einem Gasgemisch aus Ammoniak, Kohlendi oxyd, 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 nach gearbeitet 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 Diffusionszone 9 an, die aus Nitriden, Karbiden, Karbonitriden und Ferrit besteht. Die Größen verhältnisse zwischen Verbindungsschicht und Diffusionszone sind dabei so, daß die Stärke der Verbindungsschicht bis zu 20 µm beträgt, während die Diffusionszone eine Stärke von mehreren zehntel Millimetern auf weisen kann. An die Diffusionszone 9 schließt sich der Ausgangswerk stoff 10 an.

Erfindungsgemäß wird die Stützwirkung der unter der Verbindungsschicht befindlichen Diffusionszone durch Karbonitrieren und Anlassen gegen über einem nur nitrokarburierten 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 Einsatz stählen, Vergütungsstählen und Wälzlagerstählen, bei denen eine Rand zone eines Werkstückes, insbesondere Tassenstößel, Wälzlagerteile, Getriebe- und Kupplungselemente, mit Kohlenstoff und Stickstoff ange reichert und anschließend einer martensitischen Härtung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt eine Karbonitrierung (1) bei einer Temperatur von 780 bis 1050°C mit einer Aufkohlung und Aufstickung der Randzone von 0,4 bis 1,2 Ge wichtsprozent Kohlenstoff und 0,1 bis 0,8 Gewichtsprozent Stickstoff bei einer Haltezeit von etwa 1 bis 4 Stunden erfolgt, daß sich in einem zweiten Verfahrensschritt der Karbonitrierung (1) eine Ab schreckung (2) auf eine Temperatur deutlich unter dem Martensitstart punkt der Randzone anschließt, daß ein dritter Verfahrensschritt ein Anlaßvorgang (3) ist, welcher bei einer Temperatur oberhalb einer Nitrokarburiertemperatur, mit einer Aufheizgeschwindigkeit bis 50°C pro Minute und einer Haltezeit von 1 bis 2 Stunden vorgenommen wird, daß als vierter Verfahrensschritt eine Abkühlung (4) auf Raumtempera tur folgt und daß sich als fünfter Verfahrensschritt eine spanende Formgebung (5) der Werkstücke anschließt und daß als sechster Ver fahrensschritt ein Nitrokarburieren (6) bei einer Temperatur von 400 bis 620°C mit einer Haltezeit von etwa 60 bis 300 Minuten folgt, dem sich als letzter Verfahrensschritt ein Abkühlen (7) auf Raumtemperatur anschließt.

2. Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatz stählen, Vergütungsstählen und Wälzlagerstählen, bei denen eine Rand zone eines Werkstückes, insbesondere Tassenstößel, Wälzlagerteile, Getriebe- und Kupplungselemente, mit Kohlenstoff angereichert und anschließend einer martensitischen Härtung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt eine Einsatz härtung (1) bei einer Temperatur von 780 bis 1050°C mit einer Auf kohlung der Randzone von 0,4 bis 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff bei einer Haltezeit von etwa 1 bis 4 Stunden erfolgt, daß sich in einem zweiten Verfahrensschritt der Einsatzhärtung (1) eine Abschreckung (2) auf eine Temperatur deutlich unter dem Martensitstartpunkt der Randzo ne anschließt, daß ein dritter Verfahrensschritt ein Anlaßvorgang (3) ist, welcher bei einer Temperatur oberhalb einer Nitrokarburiertempe ratur, mit einer Aufheizgeschwindigkeit bis 50°C pro Minute und einer Haltezeit von etwa 1 bis 2 Stunden vorgenommen wird, daß als vierter Verfahrensschritt eine Abkühlung (4) auf Raumtemperatur folgt und daß sich als fünfter Verfahrensschritt eine spanende Formgebung (5) der Werkstücke anschließt und daß als sechster Verfahrensschritt ein Nitrokarburieren (6) bei einer Temperatur von 400 bis 620°C mit einer Haltezeit von etwa 60 bis 300 Minuten folgt, dem sich als letzter Verfahrensschritt ein Abkühlen (7) auf Raumtemperatur anschließt.

3. Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatz stählen, Vergütungsstählen und Wälzlagerstählen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nitrokarburieren (6) im Gas, im Plasma oder im Salzbad erfolgt.

4. Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatz stählen, Vergütungsstählen und Wälzlagerstählen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasnitrokarburieren (6) in einem Gasgemisch aus Ammoniak, Kohlendioxid, Stickstoff und Endo- oder Exogas bei einer Temperatur von 530 bis 570°C stattfindet, wobei die Abkühlung des Nitriergutes unter Schutzgas erfolgt.

5. Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatz stählen, Vergütungsstählen und Wälzlagerstählen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche nach der spanenden Formgebung (5) so strukturiert wird, daß sie mit einer Vielzahl von winzi gen, willkürlich angeordneten Ausnehmungen versehen ist, das Verhält nis RMS (G)/RMS (Q) < 1,0 ist, der SK-Wert < 0 ist und das Flächen verhältnis der Ausnehmungen zur gesamten Gleitfläche zwischen 10 und 40% liegt.