DE4443914A1

DE4443914A1 - Thermochemische Wärmebehandlung eines Metall-Bauteiles mittels Diffusion eines Elementes in einer Wirbelbett-Vorrichtung

Info

Publication number: DE4443914A1
Application number: DE19944443914
Authority: DE
Inventors: Paul Reichert; Stefan Kalke; Joerg Naumann; Wolfgang Dr Burger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 1996-06-13

Description

Die Erfindung bezieht sich nach dem Oberbegriff des Pa tentanspruches 1 auf eine thermochemische Wärmebehandlung eines Metall-Bauteiles mittels Diffusion eines Elementes in einer Wirbelbett-Vorrichtung.

Bekanntlich dienen thermochemische Wärmebehandlungen von Metall-Bauteilen einer gezielten Oberflächenbehandlung durch temperaturabhängig beeinflußte Diffusion ausgewähl ter chemischer Elemente in die Randschicht des Metall- Bauteiles zur Erzielung inbesonders harter und ver schleißbeständiger Oberflächen. Hierfür bevorzugte, diffusionsfähige Elemente sind u. a. Kohlenstoff und Bor.

Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit tribologisch be anspruchter Oberflächen von Metall-Bauteilen ist es be kannt, derartige Oberflächen zu borieren. Ein bekanntes Verfahren zum thermochemischen Borieren eines Metall-Bau teiles ist das beispielsweise in der US 3 405 000 be schriebene Wirbelbett-Verfahren, wobei bei modernen Ver fahren das Pulver in der Wirbelbett-Vorrichtung einen spenderaktiven Anteil des Diffusions-Elementes Bor umfaßt und das Fluidisierungs-Gas durch einen Anteil an Wasser stoff an der zu borierenden Oberfläche reduzierend wirkt.

Es ist weiter bekannt, daß verschleißfeste Boridschichten an Oberflächen von insbesondere niedrig kohlenstoff haltigen Stahl-Bauteilen eine relativ geringe Tragfähig keit aufweisen. Dieser Nachteil wird im Stand der Technik dadurch behoben, daß die Oberfläche des Stahl-Bauteiles vor dem Borieren zunächst aufgekohlt wird für ein an schließendes Oberflächen-Härten. Erreicht ist damit eine die Tragfähigkeit der in einem darauffolgenden Prozeß ge bildeten Borid-Schicht wesentlich steigernde Stütz schicht.

Das Aufkohlen der Oberfläche eines Metall-Bauteiles mit tels des Wirbelbett-Verfahrens ist beispielsweise in der US 3 197 346 beschrieben. Für dieses bekannte Verfahren wird als Fluidisierungs-Gas ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas vorgeschlagen, wobei das Wirbelbett-Pulver entweder wirkungsneutral oder zusätzlich kohlenstoffhaltig ist.

Die bekannte Vorgehensweise der Ausbildung einer die Boridschicht an der Oberfläche eines niedrig kohlenstoff haltigen Stahl-Bauteils tragenden Stützschicht aus einer durch Aufkohlen härtbaren Randschicht ist durch diese separaten Aufkohlungs- und Borier-Prozesse kosten aufwendig. Nachteilig ist aber vor allem durch die zwei malige Wärmebehandlung des Stahl-Bauteiles ein damit ver bundenes, die Bauteilfestigkeit reduzierendes Kornwachs tum unterhalb der durch Aufkohlen gehärteten Randschicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mittels eines Wirbelbett-Verfahrens durchgeführte thermochemische Wärmebehandlung derart zu verbessern, daß in einem einzi gen Wärmebehandlungs-Prozeß unterschiedliche Diffusions- Elemente im wesentlichen gleichzeitig zur Oberflächen behandlung eines Metall-Bauteiles einsetzbar sind.

Diese Aufgabe ist mit dem Patentanspruch 1 gelöst,wobei ein spenderwirksames Wirbelbett-Pulver einem Fluidi sierungs-Gas ausgesetzt ist, das ein weiteres, unter schiedliches Spender- bzw. Diffusions-Element mitführt.

Der Vorteil der Erfindung ist, daß während der für ein Diffusions-Element vorbestimmten Prozeßdauer in einem einzigen Prozeß das abweichend andere Diffusions-Element zugleich in einer oberflächennahen Randschicht des Metall-Bauteiles eingelagert ist, wobei mit lediglich einem einzigen Wärmebehandlungs-Prozeß ein festigkeits minderndes Kornwachstum vermieden ist. Ein weiterer Vor teil der Erfindung ist, daß die Dauer eines parallelen, zusätzlichen Diffusions-Prozesses in einfacher Weise mit der Zuführung des das zweite Diffusions-Element enthal tenden Fluidisierungs-Gases bestimmbar ist.

In Ausgestaltung der Erfindung wird für eine thermo chemische Wärmebehandlung zum Oberflächenhärten gegen Verschleiß bei insbesondere einem niedrig kohlenstoff haltigen Stahl-Bauteil, wobei das der Erzeugung der ver schleißfesten Oberflächenschicht dienende Wirbelbett-Pul ver jeweils einen spenderaktiven Anteil eines Diffusions- Elementes der dritten oder vierten oder sechsten Perioden-Gruppe umfaßt, vorgeschlagen, daß die Wirbel bett-Vorrichtung in der Diffusions-Phase mit einem koh lenwasserstoffhaltigen Gas zur Bereitstellung von Kohlen stoff als weiterem, unterschiedlichem Diffusions-Element betrieben ist zur Ausbildung einer das Einbrechen der Verschleißschicht verhindernden Stützschicht.

Bei einem kohlenwasserstoffhaltigen Fluidisierungs-Gas der Summenformel C_nH_2n+2 (Alkane) ist der zum Härten einer oberflächennahen Stützschicht erforderliche, zu sätzliche Kohlenstoff leicht bei den für ein Stahl-Bau teil erforderlichen Prozeß-Temperaturen abspaltbar. Hin sichtlich Kosten und Handhabung besonders vorteilhaft ist der Betrieb einer Wirbelbett-Vorrichtung mit einem Fluidisierungs-Gas, das im wesentlichen Methan (CH₄) um faßt, das als Erd- bzw. Stadtgas zur Verfügung steht.

Ein Wirbelbett-Betrieb mit vorteilhaft verkürzter Prozeß dauer mit einem bei wesentlich reduziertem Gasdurchsatz stromauf einer Gasverteileinrichtung als Schüttung im Be hälter bevorrateten Pulver ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung erreicht durch einen solchen Vorrat an Wir belbett-Pulver, daß das Stahl- bzw. Metallbauteil bei we sentlich reduziertem Durchsatz an Fluidisierungs-Gas von der Pulverschüttung dicht umgeben ist wie bei einem Pulver-Packungsverfahren. Diese Pulver-Packung des jewei ligen Metall-Bauteiles hat den Vorteil intensiver Ein wirkung des im Wirbelbett-Pulver gespeicherten ersten Diffusions-Elementes.

Als solches findet zur Ausbildung von verschleißfesten Oberflächen an Stahl-Bauteilen bevorzugt Bor Verwendung, wobei zum Borieren ein handelsübliches "Ekabor"-Borier pulver dient und als die Pulver-Packung langsam durch strömendes, kohlenstoffspendendes Gas vorzugsweise Methan, das als Erdgas bzw. Stadtgas zur Verfügung steht.

Neben Bor finden als weitere Diffusions-Elemente in Pul verform Silizium, Titan oder Chrom zur thermochemischen Oberflächenbehandlung eines Metall-Bauteiles in einer Wirbelbett-Vorrichtung Verwendung bei Einsatz eines koh lenwasserstoffhaltigen Fluidisierungs-Gases.

Anhand einer schematischen Darstellung ist die erfin dungsgemäße thermochemische Wärmebehandlung in einer Wir belbett-Vorrichtung beispielsweise zum thermochemischen Borieren eines Stahl-Bauteiles beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 Ein Stahl-Bauteil im Wirbelbett der Vor richtung,

Fig. 2 das Bauteil in einer Pulver-Packung in der Wirbelkammer der Wirbelbett-Vorrichtung nach Fig. 1.

Eine Wirbelbett-Vorrichtung 1 umfaßt einen Behälter 2, der außenumfänglich von einer Heizwicklung 3 umgeben ist. Im unteren Endbereich weist der Behälter 2 eine Gas eintrittskammer 4 auf, aus der ein reduzierendes Gas über einen als Gasverteileinrichtung dienenden, gasdurchlässi gen Zwischenboden 5 in eine Wirbelkammer 6 eintritt. Zur besonders gleichmäßigen Gasverteilung ist der Zwischen boden 5 wirbelkammerseitig zusätzlich mit einem relativ grobkörnigen, inaktiven Granulat 7 belegt. Auf diesem Granulat 7 ist ein Pulver 8 mit mindestens einem spen deraktiven Anteil eines ersten Diffusions-Elementes als Schüttung bevorratet (etwa wie in Fig. 2).

Als Pulver 8 zum thermochemischen Oberflächen-Borieren eines niedrig kohlenstoffhaltigen Stahl-Bauteiles 10 wird ein handelsübliches "Ekabor"-Borierpulver verwendet. Die ses ist eine Mischung aus Borkarbid B₄C als Borspender, Kaliumfluorborat KBF₄ als Aktivator und Siliziumkarbid SiC als Stimulator des Bor-Angebotes. Die Menge des Si liziumkarbides kann bis zu 95 Gew.-% betragen.

Mit Beginn der Gaszufuhr in ausreichender Menge wird das Pulver in der Wirbelkammer 6 zu einem Wirbelbett 9 ver wirbelt. In das zu einem Wirbelbett 9 fluidisierte Pulver 8 wird das thermochemisch zu borierende Stahl-Bauteil 10 über das offene Ende 11 der Wirbelkammer 6 in das Wirbel bett 9 eingeführt und relativ nahe dem Granulat 7 posi tioniert. Bei Erreichen der vorbestimmten Prozeß-Tempera tur des eingebrachten Stahl-Bauteiles 10 durch Wärmeüber gang des mittels der Heizwicklung 3 temperierten Wirbel bett-Pulvers 8 wird der zur Aufrechterhaltung des Wirbel bettes 9 verwendete Gasstrom aus reduzierendem Gas im Durchsatz wesentlich verringert. Durch den verringerten Gasstrom geht der gesamte Vorrat an Pulver 8 in eine das Stahl-Bauteil 10 dicht umgebende Schüttung 12 zu einer Pulver-Packung über. Dadurch wird eine intensive Ein wirkung des borabgebenden Pulvers 8 erreicht und somit die Einwirk- bzw. Behandlungszeit zur Erzielung einer be stimmten, oberflächennahen Boridschicht wesentlich ver kürzt. Durch wiederholtes Anfahren des Wirbelbettes 9 kann dem Bauteil 10 in der Schüttung 12 aktives Pulver 8 immer wieder neu angelagert werden.

Eine Boridschicht an der Oberfläche eines insbesondere niedrig kohlenstoffhaltigen Stahl-Bauteiles 10 ist be kanntlich in einer tribologischen Verbindung nicht beson ders tragfähig, weshalb es üblich ist, der Boridschicht eine Stützschicht im Stahl-Bauteil 10 zuzuordnen. Diese ist üblicherweise in einem vorausgehenden, separaten Pro zeß durch oberflächennahes Aufkohlen des Stahl-Bauteiles 10 mit anschließendem Härten erzielt.

Mit der erfindungsgemäßen thermochemischen Wärmebehand lung des Stahl-Bauteiles 10 in der Wirbelbett-Vorrichtung 1 können beide Prozesse des Borierens und des Aufkohlens gleichzeitig gefahren werden und zwar dadurch, daß die Wirbelbett-Vorrichtung 1 in der Diffusions-Phase mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas zur Bereitstellung von Kohlenstoff als weiterem Diffusions-Element betrieben ist. Die erfindungsgemäße Kombination eines festen, in Pulverform vorliegenden ersten Diffusions-Elementes - z. B. Bor - und eines im Fluidisierungs-Gas enthaltenen bzw. mitgeführten zweiten, unterschiedlichen Diffusions- Elementes - z. B. Kohlenstoff - ergibt vorteilhafter Weise lediglich einen einzigen Prozeß bei dem beide Diffusions- Vorgänge im wesentlichen gleichzeitig ablaufen. Die auf einen einzigen Wärmebehandlungs-Prozeß verkürzte Behand lungsdauer des Stahl-Bauteiles 10 verhindert in diesem ein festigkeitsminderndes Kornwachstum. Eine mit der Schüttung 12 erreichte Pulver-Packung des Stahl-Bauteiles 10 verkürzt zusätzlich die Wärmebehandlungs-Dauer.

Aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Fluidisierungs-Gas der Summenformel C_nH_2n+2 - Alkane - ist der zum Härten einer oberflächennahen Stützschicht erforderliche, zu sätzliche Kohlenstoff leicht bei den für ein Stahl-Bau teil 10 gegebenen Prozeß-Temperaturen größer 800°C abspaltbar. Hinsichtlich Betriebskosten und Prozeßführung besonders vorteilhaft ist der Betrieb der Wirbelbett- Vorrichtung 1 mit einem Fluidisierungs-Gas aus im wesent lichen Methan CH₄, das als Erd- bzw. Stadtgas zur Ver fügung steht.

Der aus dem kohlenwasserstoffhaltigen Gas neben dem Koh lenstoff abgespaltene Wasserstoff ist zusätzlich zu seiner reduzierenden Wirkung an der Bauteil-Oberfläche besonders förderlich der Einlagerung von Bor in die äußerste Randschicht des Stahl-Bauteiles 10. Die Aus wirkung ist eine bei gleicher Schichtdicke verkürzte Be handlungsdauer bzw. bei üblicher Dauer eine dickere Bo rid-Schicht über der aufgekohlten, oberflächennahen Rand schicht.

Den Abschluß des erfindungsgemäßen thermochemischen Wär mebehandlungsprozesses in einer Wirbelbett-Vorrichtung 1 mit im wesentlichen gleichzeitiger, zweifacher Diffusion unterschiedlicher Elemente, wie z. B. Bor und Kohlenstoff, bei einem niedrig kohlenstoffhaltigen Stahl-Bauteil 10 bildet das Abschrecken des aus der Wirbelbett-Vorrichtung 1 entnommenen Bauteiles 10 vorzugsweise in einem Ab schreckmittel zum Härten der im wesentlichen kohlenstoff haltigen Stützschicht und der im wesentlichen bor haltigen, verschleißfesten Schicht an der Bauteil-Ober fläche.

Neben Bor eignen sich in Verbindung mit einem kohlen wasserstoffhaltigen Fluidisierungs-Gas Silizium, Titan oder Chrom für eine thermochemische Oberflächen behandlung.

Claims

1. Thermochemische Wärmebehandlung eines Metall-Bau teiles mittels Diffusion eines Elementes in einer Wirbelbett-Vorrichtung,

- wobei ein Pulver (8) mit einem spenderaktiven Anteil eines Diffusions-Elementes und ggf. weiteren Anteilen eines entsprechenden Akti vators sowie eines Stimulators mittels eines Stromes reduzierenden Gases in einem beheizten Behälter (2) der Vorrichtung (1) zu einem Wir belbett (9) fluidisierbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Wirbelbett-Vorrichtung (1) in der Diffusions-Phase mit einem ein weiteres Spen der- bzw. Diffusions-Element mitführenden Gas betrieben ist.

2. Wärmebehandlung nach Anspruch 1, zum Oberflächen härten gegen Verschleiß bei insbesondere einem niedrig kohlenstoffhaltigen Stahl-Bauteil (10),

- wobei das Wirbelbett-Pulver (8) jeweils einen spenderaktiven Anteil eines Diffusions-Elemen tes der dritten oder vierten oder sechsten Perioden-Gruppe umfaßt,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Wirbelbett-Vorrichtung (1) in der Diffusions-Phase mit einem kohlenwasserstoff haltigen Gas zur Bereitstellung von Kohlen stoff als weiterem Diffusions-Element betrie ben ist.

3. Wärmebehandlung nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Wirbelbett-Vorrichtung (1) mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas der Summen formel C_nH_2n+2 betrieben ist.

4. Wärmebehandlung nach den Ansprüchen 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Wirbelbett-Vorrich tung (1) im wesentlichen mit Methan (CH₄) bzw. Erd gas betrieben ist.

5. Wärmebehandlung nach den Ansprüchen 1 bis 4,

- mit einem bei wesentlich reduziertem Gasdurch satz stromauf einer Gasverteileinrichtung (5) als Schüttung (12) im Behälter (2) bevor ratetem Wirbelbett-Pulver (8),

dadurch gekennzeichnet,

- daß ein solcher Vorrat an Pulver (8) in dem Wirbelbett-Behälter (2) vorgesehen ist, daß
- das bei Wirbelbett-Betrieb relativ nahe der Gasverteileinrichtung (5) positionierte Me tall-Bauteil (10) von vorbestimmter Prozeß- Temperatur bei verringertem Durchsatz an koh lenwasserstoffhaltigem Gas von der Pulver schüttung (12) für eine vorbestimmte Einwirk- bzw. Behandlungszeit dicht umgeben angeordnet ist.

6. Wärmebehandlung nach den Ansprüchen 1 bis 5,

- mit Bor aus der dritten Perioden-Gruppe als eines der Diffusions-Elemente,

dadurch gekennzeichnet,

- daß zum Borieren des Stahl-Bauteiles (10) bei im wesentlichen gleichzeitigem Aufkohlen mit tels aus Methan (CH₄) abgespaltenem Kohlen stoff (C) ein handelsübliches "Ekabor"-Borier pulver (8) aus Borkarbid (B₄C) als Borspender, Kaliumfluorborat (KBF₄) als Aktivator und Si liziumkarbid (SiC) als Stimulator des Bor angebotes vorgesehen ist, wobei
- die SiC-Menge bis zu 95 Gew.-% der Pulver mischung betragen kann.

7. Wärmebehandlung nach den Ansprüchen 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß als ein Diffusions-Ele ment Silizium oder Titan aus der vierten Perioden gruppe oder Chrom aus der sechsten Periodengruppe gewählt ist.