DE975837C - Verfahren zur Karbonitrierung von Werkstuecken aus untereutektoiden Staehlen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 18. OKTOBER 1962

R 5476 VI a 118 c

Es ist an sich bekannt, daß man Werkstücke aus gewöhnlichen Stählen oder SpezialStählen durch Oberflächenhärtung vergüten kann, wobei durch eine Karbonitrierung mittels geeigneter Gasgemische die Elemente C und N in die Randschicht eingelagert werden und sich eine thermische Nachbehandlung zwecks Ausbildung eines Härtungsgefüges anschließt.

So ist z. B. empfohlen worden, die betreffenden Stähle bei einer Temperatur zwischen 650 und 900⁰ C mit einem karbonitrierenden Gasgemisch zu behandeln und dann kontinuierlich in der Luft abzukühlen bzw. in einem ölbad abzuschrecken. Auch kann man die Karbonitrierung' in zwei Stufen durchführen, wobei in der ersten Stufe oberhalb 814⁰C und in der zweiten Stufe bei 746⁰ C und tiefer gearbeitet wird. Auf diese Weise soll sich die thermische Zersetzung des im Behandlungsgas als Stickstoff liefernde Komponente enthaltenen N H₃ vermeiden und eine Anreicherung an Stickstoff in der Randschicht erzielen lassen. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß das zweistufige Verfahren vor allem zur Anlagerung von Nitriden Anlaß gibt, insbesondere wenn sehr NH₃-reiche

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Gasgemische verwendet werden/ was wegen der bröckeligen Beschaffenheit der so gebildeten Randzone ganz unerwünscht ist und auch zu keiner Verbesserung der Oberflächenhärte führt. Die bekannte Arbeitsweise der Karbonitrierung gibt in der Praxis zu den verschiedensten Schwierigkeiten Anlaß. So weisen die zu behandelnden Werkstücke in den wenigsten Fällen einen einheitlichen Querschnitt auf und doch sollen dieselben* ίο nach Durchführung der Karbonitrierung und eventuell anschließenden Wärmebehandlung eine ganz gleichmäßige Gefügestruktur aufweisen, damit keine Inhomogenitäten hinsichtlich der Kernfestigkeit, der Oberflächenhärte und der Spannungsverhältnisse bzw. der elastischen Eigenschaften auftreten. Dieses Ziel läßt sich in der industriellen Praxis mittels einer einfachen Abkühlung an Luft, ausgehend von der Karbonitrierungstemperatur aber nicht erzielen, sondern man erhält dabei in Abhängigkeit von den verschiedenen Querschnitten eipes Werkstückes auch ganz unterschiedliche Gefügestrukturen, und zwar sowohl im Kern als auch in der zementierten Randschicht. Eine kontinuierliche Abkühlung in öl führt dagegen in vielen Fällen zu einer ganz unerwünschten teilweisen Härtung des Kernes selbst.

Falls beispielsweise ein Werkstück gleichzeitig Querschnitte von 3,5*3,5 mm² und 10 -io mm² aufweist und aus einem 0,49%-C-Stahl besteht, so führt eine kontinuierliche Luftkühlung anschließend an eine Karbonitrierung bei 750⁰ C in den dünnen Querschnittsteilen zu einer vollständigen Durchhärtung des Kerns und in den dicken Querschnittsteilen zu einer unvollständigen Umwandlung des untereutektoiden Gefüges, da die Abkühlungsgeschwindigkeit unter diesen Bedingungen etwa der kritischen Geschwindigkeit der Bainithärtung entspricht. Solche Werkstücke werden also selbst bei sorgfältiger Überwachung der Arbeitsbedingung inhomogen und es bedürfte der besonderen Aufstellung eines Arbeitsprogrammes für jede einzelne Werkstückform und jede Stahlart, ohne daß aber der endgültige Erfolg sichergestellt wäre.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß die beobachteten Nachteile behoben werden können, wenn man von einer ganz bestimmten Gefügestruktur bei der Karbonitrierung ausgeht und außerdem eine isotherme Zwischenstufenbehandlung einschaltet,, ehe die karbonitrierte Randschicht gehärtet wird. Erfindungsgemäß muß die Karbonitrierung bei Temperaturen zwischen dem A₁- und dem Ag-Punkt mittels eines, eine freie Nitridbildung in der Randschicht der Stähle vermeidenden Gasgemisches, das aus einem 20 bis 50°/oWasserstoff, 20 bis 40% Kohlenrnonoxyd, Rest Stickstoff und kleine Mengen an X^erunreinigungen enthaltenden Grundgas sowie je 0,5 bis 3% an karburierenden und nitrierenden Zusätzen besteht, durchgeführt werden, worauf nach Beendigung der Karbonitrierung die Werkstücke auf etwa 650⁰ C abgekühlt und dort so lange gehalten werden, bis ihr Kern vollständig in Zementit und α-Eisen umgewandelt ist, jedoch die karbonitrierte Randzone rein austenitisch bleibt, und daß die Randzone anschließend durch beschleunigte Abkühlung vom vollständig* austeniti sehen Zustand in Martensit übergeführt wird.

Diese neue Arbeitsweise beruht auf der Erkenntnis, daß bei der Härtung des Kerns der Werkstücke während der isothermen Zwischenstufe die . ,„Qaiarna-a-Umwandlung der Austenitkristalle in '^intern festen Gitter aus α-Eisen stattfinden kann ud| damit keine inneren Spannungen und Defor- * mationen auftreten, welche die Elastizität beeinträchtigen könnten, während gleichzeitig ein perlitisch-ferritisches Gefüge im Kern entsteht, welches dem Werkstück besonders günstige Eigenschaften verleiht. Andererseits findet die Härtung der Randschicht unter Martensitbildung erst nach der vollständigen Umwandlung des Kernes statt, wodurch Vorspannungen auftreten, welche die Elastizität insgesamt verbessern, während gleichzeitig auch bei ungünstigen Querschnittsverhältnissen ein Verspannen des Werkstückes vermieden wird. Die so behandelten Stähle weisen außerdem eine verbesserte Oberfläche auf, die praktisch keiner Nachbehandlung mehr bedarf.

Die Länge der Behandlungszeit kann dabei auf den größten der in Frage kommenden Querschnitte abgestellt werden, ohne daß sich Nachteile für die Teile mit kleinen Querschnitten ergeben. Die Temperatur der isothermen Zwischenstufe wird man dabei in dem angegebenen Bereich von etwa 650° C so wählen, daß die Umwandlung des Kernes so rasch als möglich abläuft. Erst dann wird die Härtung der Randschicht vorgenommen, d. h., es erfolgt eine beschleunigte Abkühlung des Werkstückes, die je nach seinen Dimensionen und den sonstigen Gegebenheiten in Luft, in Öl oder auch in Wasser bzw. einer Salzlösung erfolgen kann, wobei die Wahl des Kühlmittels wiederum von dem größten, im Werkstück vorkommenden Querschnitt abhängen wird, ohne daß dadurch Nachteile für die Teile mit kleinen Querschnitten entstehen. Auf jeden Fall läßt sich hierdurch in der Randschicht ein einheitliches und feinkörniges Härtungsgefüge erhalten, ohne daß sich der nicht zementierte Kern verziehen kann.

Bei einem halbharten Stahl mit 0,35% C kann die Karbonitrierungstemperatur z. B. bei etwa 750⁰ C liegen. Das Gefüge des Stahles besteht unter diesen Bedingungen aus kleinen nebeneinanderliegenden Körnern von Austenit und Ferrit. Unter milden Karbonitrierungsbedingungen, bei denen noch kein freies Nitrid auftritt, gehen die Randschichten dann in den vollständig austenitischen Zustand über. Durch die Abkühlung mit anschließender isothermer Stabilisierungsbehandlung bei etwa 650⁰ C wird in verhältnismäßig kurzer Zeit, z. B. 3 Minuten, der Kern vollständig in Perlit und Ferrit übergeführt, während die Randschicht austenitisch bleibt, da die Temperatur der Zwischenstufe oberhalb des A₃-Punktes des stickstoffhaltigen Austenits liegt. Erst bei der anschließenden weiteren Abkühlung wird dann der Martensitpunlct überschritten. Falls der Stahl vor der Be-

Handlung poliert worden war, behält er diesen Oberflächenzustand unverändert bei, und es treten lediglich die Farben dünner Blättchen auf.

Die Zeichnung zeigt in

S Fig. ι die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Kern und in der Randschicht auftretenden Umwandlungen, während

Fig. 2 das an sich bekannte Fe-C-Diagramni und

Fig. 3 das gleichfalls bekannte Fe-N-Diagramm ίο erläutert, welche die Grundlage für das beanspruchte Verfahren bilden.

Das neue Verfahren ist bei allen gewöhnlichen oder Spezialstählen anwendbar. Der C-Gehalt kann von 0,03 bis zu ι ⁰Zo schwanken. Man kann Cr-Mo- >5 Stähle (Cr=IVo, Mo = 0,3%), Ni-Cr-Stähle (Ni= 1,5⁰Zc, Cr=IVo). Cr-Stähle (Cr = 1,5%) und untereutoktoiden Stahlguß verwenden.

Die Karbonitrierungsatmosphäre wird aus einem Grundgas und einem Zusatzgas gebildet. Das Grundgas entspricht z. B. etwa der folgenden Zusammensetzung :

Kohlenoxyd 20 bis 40%; z. B. 33 ⁰Zo

Wasserstoff 20 bis 50%; z. B. 43 %

Methan ο bis 2 %; z. B. 1,2 %

Kohlendioxyd ... ο bis 2%; z.B. 0,1%

Stickstoff Rest

Die Zusätze können sein:

Propan 0,5 bis 3 %; z. B. 1,2 °/o

und Ammoniak .. 0,5 bis 3 %; z. B. 1,5 %

Die Wirkung des Gemisches mit Propan und Ammoniak kann auch erreicht* werden durch stickstoffhaltige organische Stoffe, wie Acetonitril, in einer Konzentration zwischen o, s und 3%; z. B.

Die Tiefe der Karbonitrierung liegt in der 4c Größenordnung von 0,25 mm in 3 Stunden bei /50⁰C.

Die Härte kann durch anschließende Behandlung

in der Kälte ohne Gefahr der Versprödung erhöht werden, wenn ein Anlassen bei niedriger Tempe-

'5 ratur (z. B. ¹Zs Stunde bei 150⁰ C) durchgeführt wird.

Die Oberflächenhärte liegt zwischen 800 und kg/mm² nach Vickers. Der gebildete Martensit ist von äußerster Feinheit; es sind stärkste Vergrößerungen notwendig, um das Gefüge aus feinen Nadeln sichtbar zu machen.

Die Härte nimmt durch Erhitzen nur sehr wenig ab. Die Werkstücke sind außerordentlich zäh, elastisch und weisen eine lange Gebrauchsdauer auf. Sie sind in bemerkenswertem Maße gegen Abnutzung widerstandsfähig.

Das neue Verfahren ermöglicht sehr rasches Arbeiten, die Erzielung einer sehr großen Oberflächenhärte, die Vermeidung von Verformungen, die Erzeugung eines feinen Gefüges sowie die Erzielung von außerordentlich günstigen mechanischen Eigenschaften bei den Fertigerzeugnissen.

Claims (1)

1. PAT E N TA N S P R U C H:

   vom vollständig austenitischen
   Martensit übergeführt wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   »Metal Progress«, NOvember 1949, S. 651 und

   »Revue de Metallurgie«. 46. Jahrgang, 1949,

   Nr. i, 2 und 3;

   Verfahren zur Karbonitrierung von Werkstücken aus untereutektoiden Stählen durch Gasgemische bei Temperaturen zwischen dem A-j- und dem A₃-Punkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Karbonitrierung mit einem eine freie Nitridbildung in der Randschicht der Stähle vermeidenden Gasgemisch durchgeführt wird, welches aus einem 20 bis 50⁰Zo Wasserstoff, 20 bis 40^flZo Kohlenmonoxyd, Rest Stickstoff und kleine Mengen an Verunreinigungen enthaltenden Grundgas sowie je 0,5 bis 3⁰Zo an karburierenden und nitrierenden Zusätzen besteht, worauf nach Beendigung der Karbonitrierung die Werkstücke auf etwa 650⁰ C abgekühlt und dort so lange gehalten werden, bis ihr Kern vollständig in Zementit und α-Eisen umgewandelt ist, jedoch die karbonitrierte Randzone rein austenitisch bleibt, und daß die Randzone anschließend durch beschleunigte Abkühlung

   Zustand in

   Eisen-Kohlenstoff-Diagramm.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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