DE4333917C2 - Randaufsticken zur Erzeugung einer hochfesten austenitischen Randschicht in nichtrostenden Stählen - Google Patents
Randaufsticken zur Erzeugung einer hochfesten austenitischen Randschicht in nichtrostenden StählenInfo
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Description
Gelöster Kohlenstoff und Stickstoff steigern in nichtrostenden Stählen die Härte des
Martensits, die Streckgrenze des Austenits und bewirken eine Stabilisierung der austenitischen
Phase. Während die Zugabe von Kohlenstoff den Widerstand nichtrostender Stähle
gegen Naßkorrosion verschlechtert, bewirkt Stickstoff eine Verbesserung dieser Eigenschaft.
Der Nutzung dieser günstigen Wirkung des Stickstoffs steht seine gegenüber Kohlenstoff
wesentlich geringere Löslichkeit in der Stahlschmelze unter Normaldruck entgegen. Daher
werden heute druck- oder pulvermetallurgische Verfahren angewendet, um nichtrostende
Stähle mit einem Stickstoffgehalt zwischen 0,3 und 3 Gew.-% herzustellen. Diese Verfahren
sind jedoch gegenüber einer offenen Stahlerschmelzung mit erheblich höheren Kosten verbunden.
Die vorliegende Erfindung verzichtet auf einen durchgehend hohen Stickstoffgehalt im
Stahl. Statt dessen wird nur die Randzone endformnaher Teile aus nichtrostendem Stahl
durch eine Wärmebehandlung so weit mit gelöstem Stickstoff angereichert, daß sich eine
hochfeste, aber zähe austenitische Randschicht über einem Kerngefüge aus Ferrit, Austenit,
Martensit oder einem Gemisch aus zwei oder drei dieser Gefügebestandteile bildet. Die
erfindungsgemäße Wärmebehandlung besteht aus einer Aufstickung in einer stickstoffabgebenden
Gasatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1200°C. Temperatur,
Druck und Dauer der Behandlung werden so gewählt, daß sich eine Randschicht bestimmter
Dicke bildet, deren Stickstoffgehalt in der Oberfläche zwischen einer Untergrenze von
0,3 Gew.-% und einer Obergrenze liegt, die durch die beginnende Nitridausscheidung
während der Aufstickung gegeben ist. Die nachfolgende Abkühlung erfolgt so rasch, daß
auch in diesem Zeitraum keine Nitridausscheidung auftritt. Durch eine anschließende
Auslagerung bei einer Temperatur 650°C ist eine Aushärtung der Randschicht möglich.
Im Patent DE 40 33 706 ist das Einsatzhärten mit Stickstoff beschrieben, bei dem nach
Aufsticken eines martensitischen, nichtrostenden Stahles durch Härten eine harte martensitische
Randschicht über einem duktilen Kern erzeugt wird. Dieses Verfahren wird zur
Behandlung von nichtrostenden Wälzlagern, Getriebeteilen und Werkzeugen verwendet
sowie für nichtrostende Pumpenteile und Ventile in partikelbeladenen Fluiden. In all diesen
Fällen kommt es auf höchste Druckfestigkeit und Härte der Randschicht an, die aber mit
einer erheblichen Versprödung einhergeht.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist
dagegen die Schaffung einer möglichst hochfesten, aber zähen austenitischen Randschicht
über einem duktilen oder harten Kern (Fig. 1). Dabei wird durch die Eindiffusion von
Stickstoff die austenitische Phase in der Randschicht stabilisiert, so daß martensitische oder
ferritische Gefügeanteile in der Randzone zu Austenit umwandeln. Gleichzeitig wird durch
die Mischkristallhärtung des Austenits mit Stickstoff die Festigkeit der Randschicht erhöht
ohne daß eine Versprödung auftritt. Aufgrund der erreichten Kombination von Festigkeit
und Zähigkeit eignet sich die erfindungsgemäße austenitische Randschicht zur Erhöhung
des Verschleißwiderstandes insbesondere bei einer Beanspruchung durch Prallverschleiß,
Kavitation und Tropfenschlag, wie sie z. B. in Strömungsmaschinen auftritt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Für
schnellaufende Pumpenräder in aggresiven Medien werden vielfach ferritisch-austenitische
nichtrostende Duplexstähle verwendet, deren zweiphasiges Gefüge die erforderliche hohe
Streckgrenze mit sich bringt. Eine häufige Versagensart ist der Verschleiß durch Kavitation.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird durch Aufsticken in Stickstoffgas bei 1150°C und einem
Druck von 1 bar ein Gehalt von ∼1,4 Gew.-% Stickstoff in der Randzone dieses Werkstoffes
gelöst. Nach dem Abkühlen ist eine vollaustenitische Randschicht über einem
ferritisch-austenitischem Kerngefüge in Fig. 3 zu erkennen. Diese Randschicht wurde im
Vergleich zu dem nicht aufgestickten Kernwerkstoff einer Kavitationsverschleißprüfung
unterzogen. Dabei wird durch einen Ultraschallschwinger bei 20 kHz und einer Amplitude
von 40 µm in destilliertem Wasser ein Blasenfeld erzeugt, das zu Implosionen an der
Probenoberfläche führt. Der Verschleißbetrag ist als Gewichtsverlust über der Belastungsdauer
in Fig. 4 wiedergegeben. Für die erfindungsgemäß aufgestickte Randschicht ergibt
sich eine Verschleißrate von 0,0356 (mg/10³s) für den nicht aufgestickten Stahl beträgt sie
1,53 (mg/10³s). Durch die Randaufstickung wird damit eine Abnahme der Verschleißrate
um den Faktor 43 erreicht. Am Beispiel einer Stromdichtepotentialkurve ist aus Fig. 5 zu
entnehmen, daß der Widerstand gegen Naßkorrosion in künstlichem Meerwaser durch die
Randaufstickung leicht verbessert wird. Bei ungefähr gleicher Passivstromdichte ergibt sich
für die aufgestickte Probe eine Erhöhung des Durchbruchpotentials gegenüber der nicht
aufgestickten Probe.
Übertragen auf ein Pumpenrad bedeuten diese Prüfergebnisse, daß die hohe Streckgrenze
des ferritisch-austenitischen Duplexgefüges im Kern erhalten bleibt und damit die Tragfähigkeit
bei hoher Umdrehungsgeschwindigkeit. Gleichzeitig wird die Kavitationsverschleißrate
durch die aufgestickte austenitische Randschicht so lange erheblich gesenkt, bis diese
aufgezehrt ist. Was die Kosten betrifft, so entfällt die bei Duplexstählen übliche Wärmebehandlung
bestehend aus Lösungsglühen bei 1020 bis 1100°C und Abschrecken. An ihre
Stelle tritt das Aufsticken und Abkühlen, so daß nur der Mehraufwand für eine längere
Behandlungsdauer und die Gasatmosphäre anfällt.
Claims (9)
1. Wärmebehandlungsverfahren zur Bildung einer austenitischen Randschicht mit 0,30 Gew.-%
an gelöstem Stickstoff in endformnahen Teilen aus nichtrostendem Stahl durch
Aufsticken bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1200°C in einer stickstoffhaltigen
Gasatmosphäre und nachfolgende Abkühlung mit einer solchen Geschwindigkeit, daß eine
Nitridausscheidung vermieden wird.
2. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtrostender
austenitischer Stahl verwendet wird.
3. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtrostender
martensitischer Stahl verwendet wird.
4. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtrostender
ferritischer Stahl verwendet wird.
5. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtrostender
ferritisch-austenitischer Stahl verwendet wird.
6. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtrostender
ferritisch-martensitischer Stahl verwendet wird.
7. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Druck in der Gasatmosphäre während des Aufstickens vom Normaldruck abweicht.
8. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Randschicht durch nachfolgende Wiedererwärmung auf eine Temperatur 650°C ausgehärtet
wird.
9. Verwendung eines Wärmebehandlungsverfahrens nach Anspruch 1 bis 8 zur Verbesserung
des Verschleißwiderstandes, insbesondere bei Beanspruchung durch Prallverschleiß,
Kavitation und Tropfenschlag.
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