EP0512254A2 - Verfahren zur gleichmässigen thermochemischen Behandlung von Bauteilen aus Stahl, die schwer zugängliche Flächen aufweisen - Google Patents

Verfahren zur gleichmässigen thermochemischen Behandlung von Bauteilen aus Stahl, die schwer zugängliche Flächen aufweisen Download PDF

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EP0512254A2 EP92105758A EP92105758A EP0512254A2 EP 0512254 A2 EP0512254 A2 EP 0512254A2 EP 92105758 A EP92105758 A EP 92105758A EP 92105758 A EP92105758 A EP 92105758A EP 0512254 A2 EP0512254 A2 EP 0512254A2
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    • C23C8/20—Carburising
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    • F02M61/166—Selection of particular materials

Definitions

  • the invention relates to a method for the uniform thermochemical treatment of hollow bodies and bores or components made of steel with surfaces which are difficult to access from the outside with reactive gases at temperatures above 450 ° C.
  • thermochemical treatment of metallic components for the production of wear and corrosion-resistant surface layers is widespread in machine and gear construction.
  • nitriding, nitrocarburizing, carbonitriding and carburizing for steels are used as thermochemical processes.
  • Preferred process media are reactive gas mixtures which release the diffusible or compound-forming substances onto the workpiece surface at the selected treatment temperatures.
  • the treatment results also depend on the shape of the components and the type of charging within the heat treatment system and the flow of reactive gas through the batch.
  • DE-OS 19 01 607 discloses a method for nitriding the inner surfaces of pipes in which the ratio of length to diameter is greater than 50.
  • the inner surfaces are brought into contact with an activator and active ammonia gas is passed through the tubes at 450 to 650 ° C., the direction of flow of the ammonia having to be changed at regular intervals.
  • thermochemical treatment of hollow bodies and bores or components made of steel with reactive gases at temperatures above 450 ° C. that are difficult to access from the outside which is easy to carry out and uniform treatment layers also on the supplies surfaces that are difficult to access outside.
  • This object is achieved in that the treatment takes place at pressures above 0.2 MPa.
  • Ammonia is preferably used as the reactive gas for nitriding, it having proven useful to add 5 to 95% by volume of molecular nitrogen to the ammonia.
  • a carbon-donating gas is used as the reactive gas, preferably methane or methane mixtures at 870 to 1000 ° C. It is also advantageous to carry out the treatment with the reactive gas under constant pressure.
  • ammonia hydrocarbons, such as methane
  • boron-releasing gases such as boron trifluoride
  • the pressures are generally between 0.2 and 10 MPa, the upper pressure limit depending on the furnace available.
  • An injection nozzle as shown in the illustration made of a material 16MnCr5 is nitrided in a pressure-resistant furnace in a gas mixture of 50% by volume ammonia and 50% by volume nitrogen at 0.5 MPa for 2 hours at 500 ° C.
  • the injection nozzles are placed as bulk goods in the batch room without any special arrangement or alignment. After the treatment has been completed, the thickness of the connection layer is measured on the outside of the nozzle and in the inner bore (for positions, see figure).
  • outlet bores of the nozzle at the tip of the nozzle are nitrided with an initial diameter of 0.2 mm and a length of 1.5 mm in the inner surfaces.
  • the layer thickness is equal to the layer thickness in the entire inner bore of the nozzle.
  • the same process can also be carried out as carburizing with methane as a reactive gas at a pressure of 0.8 MPa and a temperature of 930 ° C. This gives similar carburizing depths on the inside and outside as in nitriding.
  • the high concentration of reactive elements in the treatment gas enables the batch individual parts to be packed tightly. So far, certain, empirically determined distances between the individual parts have to be observed in order to treat the individual parts equally. These distances can be reduced at pressures> 0.2 MPa without affecting the uniformity of the layers.
  • ammonia / nitrogen mixtures with additions of carbon dioxide or carbon monoxide and optionally air are used as the reactive gas, the volume fraction of these additions being able to vary between a few and 50% by volume.
  • carburizing gases such as methane, endogases, nitrogen-methanol or natural gas-air mixtures, can be used for carburizing.

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Abstract

Zur gleichmäßigen thermochemischen Behandlung von Bauteilen aus Stahl mit von außen schwer zugänglichen Flächen verwendet man Reaktivgase bei Temperaturen oberhalb 450<o> C und Drucken oberhalb 0,2 MPa.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichmäßigen thermochemischen Behandlung von Hohlkörpern und Bohrungen oder von außen schwer zugänglichen Flächen aufweisenden Bauteilen aus Stahl mit Reaktivgasen bei Temperaturen oberhalb 450o C.
  • Die thermochemische Behandlung von metallischen Bauteilen zur Herstellung von verschleiß- und korrosionsbeständigen Randschichten ist im Maschinen- und Getriebebau weit verbreitet. Als thermochemische Verfahren kommen beispielsweise Nitrieren, Nitrocarburieren, Carbonitrieren und Carburieren für Stähle zur Anwendung. Bevorzugte Prozeßmedien sind Reaktivgasgemische, die die diffusionsfähigen bzw. verbindungsbildenden Substanzen an die Werkstückoberfläche bei den gewählten Behandlungstemperaturen abgeben. Neben Temperaturen, Gaszusammensetzungen und Stahlarten sind die Behandlungsergebnisse auch von der Form der Bauteile und von der Art der Chargierung innerhalb der Wärmebehandlungsanlage und der Durchströmung der Charge mit Reaktivgas abhängig.
  • Trotz langjähriger Erfahrungen und zahlreicher Verfahrensmodifikationen ist es technisch und wirtschaftlich nur bedingt möglich, in Reaktivgasgemischen kompliziert geformte Bauteile an von außen schwer zugänglichen Innenflächen zu nitrieren oder aufzukohlen. Darunter werden z.B. Stahlteile mit Hinterschneidungen, Innenbohrungen oder Sacklöchern, beziehungsweise Rohre, Kugelkäfige oder Düsenkörper mit zu härtenden Innenflächen verstanden. Die mangelnde Gleichmäßigkeit zwischen Innen- und Außenflächen ist mit der mangelnden Verfügbarkeit des Reaktivgases innerhalb der Hohlkörper zu begründen. Das Reaktivgas füllt zwar den Hohlraum, jedoch verarmt dieses Prozeßgas an nitrier/kohlungsfähigem Material, da der Gasaustausch mit der Umgebung nicht erfolgt, weil innerhalb des Hohlkörpers die Strömungsgeschwindigkeit des Gases nahe Null ist. Üblicherweise wird mit Reaktivgasdrücken von 0,1 MPa absolut gearbeitet, das heißt unter Normaldruck.
  • Auch ein periodischer Druckwechsel im Unterdruckbereich, wie er z.B. in der US-PS 4,160,680 beschrieben ist, verbessert die Nitrier- oder Kohlungsschichten an schwer zugänglichen Flächen nur unwesentlich.
  • In der DE-OS 19 01 607 wird ein Verfahren zum Nitrieren der Innenflächen von Rohren geoffenbart, bei denen das Verhältnis von Länge zu Durchmesser größer als 50 ist. Dabei werden die Innenflächen mit einem Aktivator in Berührung gebracht und aktives Ammoniakgas bei 450 bis 650o C durch die Rohre geführt, wobei die Strömungsrichtung des Ammoniaks in regelmäßigen Abständen gewechselt werden muß.
  • Auch hier erhält man keine gleichmäßige Nitrierschicht, da das Reaktivgas in der Rohrmitte an aktiven Bestandteilen verarmt. Außerdem ist dieses Verfahren nur bei Rohren anwendbar.
  • Weiterhin ist aus der DE-OS 28 51 983 ein Verfahren zum gleichmäßigen Aufkohlen von mit Bohrungen versehenen und unterschiedliche Wandstärken aufweisenden Hohlkörpern bekannt, bei dem Teile des Hohlkörpers abgedeckt bzw. einer geringeren Kohlungsaktivität ausgesetzt werden. Dieses Verfahren ist jedoch sehr zeitaufwendig und bedienungsunfreundlich.
  • Bekannt sind auch Verfahren (US-PS 2,779,697), bei denen Stähle in gasförmigem Ammoniak unter Druck in einem Druckgefäß nitriert werden. Diese Verfahren fanden jedoch keine Anwendung auf Bauteile aus Stahl, die mit von außen schwer zugänglichen Flächen oder Hohlräumen versehen sind.
  • Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur gleichmäßigen thermochemischen Behandlung von Hohlkörpern und Bohrungen oder von außen schwer zugängliche Flächen aufweisenden Bauteilen aus Stahl mit Reaktivgasen bei Temperaturen oberhalb 450o C zu entwickeln, das einfach durchzuführen ist und gleichmäßige Behandlungsschichten auch an den von außen schwer zugänglichen Flächen liefert.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Behandlung bei Drucken oberhalb 0,2 MPa stattfindet.
  • Vorzugsweise verwendet man zum Nitrieren als Reaktivgas Ammoniak, wobei es sich bewährt hat, dem Ammoniak 5 bis 95 Vol.% molekularen Stickstoff zuzumischen.
  • Zum Karburieren verwendet man als Reaktivgas ein kohlenstoffabgebendes Gas, vorzugsweise Methan oder Methangemische bei 870 bis 1000o C. Außerdem ist es vorteilhaft, die Behandlung mit dem Reaktivgas unter konstantem Druck durchzuführen.
  • Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß bei einer Verdichtung des Reaktivgases während der Behandlungsphase auf Drücke größer als 0,2 MPa die genannten Schwierigkeiten nicht auftreten. Der höhere Druck des Reaktivgases innerhalb eines Hohlkörpers bewirkt eine schnelle und vollständige Ausbildung von Randschichten. Die im Reaktivgas gespeicherte Menge des reaktiven Stoffes ist ausreichend, die typischerweise erforderlichen Einhärtetiefen bzw. Verbindungsschichtdicken zu erzeugen. Eine Verarmung innerhalb des Hohlraumes an reaktiven Stoffen tritt zwar ein, jedoch nicht bis auf diejenige Konzentration, in der z.B. das Wachstum von Verbindungsschichten gestört ist. Die Konzentration des Reaktivgases ist innen und außen jeweils so hoch, daß die Abgabe von z.B. N, C, oder B an das Behandlungsgut die insgesamt verfügbare Konzentration weniger vermindert als bei Behandlung unter Normaldruck oder Unterdruck. Je weiter der Behandlungsdruck oberhalb 0,2 MPa liegt, desto geringer wird die prozentuale Änderung der Zusammensetzung des Prozeßgases durch Diffusion ins bzw. Reaktion mit dem Werkstück. Dadurch werden auch die bislang bekannten unerwünschten Unterschiede zwischen Innen- und Außenflächen von zu behandelnden Hohlkörpern eliminiert.
  • Dies bedeutet, daß Unterschiede zwischen Innen- und Außenflächen sehr klein werden. Zusätzliche Gaseindüsung oder Gasumwälzung im Innenraum ist daher nicht erforderlich.
  • Als Reaktivgase finden beispielsweise Ammoniak, Kohlenwasserstoffe, wie Methan, oder borabgebende Gase, wie Bortrifluorid Verwendung. Die Drucke bewegen sich im allgemeinen zwischen 0,2 und 10 MPa, wobei die obere Druckgrenze abhängig ist von dem zur Verfügung stehenden Ofen.
  • Folgendes Beispiel soll die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlichen:
    Eine Einspritzdüse gemäß Abbildung aus einem Werkstoff 16MnCr5 wird in einem druckfesten Ofen in einem Gasgemisch aus 50 Vol. % Ammoniak und 50 Vol. % Stickstoff bei 0,5 MPa während 2 Stunden bei 500o C nitriert. Die Einspritzdüsen sind dabei als Schüttgut im Chargenraum ohne besondere Anordnung oder Ausrichtung plaziert. Nach Abschluß der Behandlung wird die Dicke der Verbindungsschicht außen auf der Düse und in der Innenbohrung gemessen (Positionen siehe Abbildung).
  • Es ergeben sich folgende Werte:
    Außenfläche Pos. a VS = 40 µm
    Innenfläche Pos. b VS = 35 µm
    Innenfläche Pos. c VS = 31 µm
    Düsenbohrung Pos. d VS = 30 µm
    0,2 mm φ
    VS = Verbindungsschicht.
  • Bemerkenswert ist, daß die Austrittsbohrungen der Düse an der Düsenspitze mit einem Ausgangsdurchmesser von 0,2 mm und einer Länge von 1,5 mm in den Innenflächen durchnitriert sind. Die Schichtdicke ist gleich der Schichtdicke in der gesamten Innenbohrung der Düse.
  • Das gleiche Verfahren lässt sich auch als Aufkohlung mit Methan als Reaktivgas bei einem Druck von 0,8 MPa und einer Temperatur von 930o C durchführen. Man erhält hierbei ähnliche gleichmäßige Aufkohlungstiefen innen und außen wie beim Nitrieren.
  • Die hohe Konzentration an reaktiven Elementen im Behandlungsgas, ermöglicht eine dichte Packung der Chargeneinzelteile. Bislang müssen zur gleichmäßigen Behandlung der Einzelteile gewisse, empirisch ermittelte Abstände zwischen den Einzelteilen eingehalten werden. Diese Abstände lassen sich bei Drücken > 0,2 MPa verringern, ohne daß die Gleichmäßigkeit der Schichten darunter leidet.
  • Beim Nitrokarburieren verwendet man als Reaktivgas Ammoniak/Stickstoffgemische mit Zusätzen aus Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid und gegebenenfalls Luft, wobei der Volumenanteil dieser Zusätze im Bereich zwischen einigen und 50 Vol.% variieren kann.
  • Zum Aufkohlen lassen sich alle bekannten Aufkohlungsgase, wie Methan, Endogase, Stickstoff-Methanol- oder Erdgas-Luftgemische verwenden.

Claims (6)

  1. Verfahren zur gleichmäßigen thermochemischen Behandlung von Hohlkörpern und Bohrungen oder von außen schwer zugänglichen Flächen aufweisenden Bauteilen aus Stahl mit Reaktivgasen bei Temperaturen oberhalb 450o C,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Behandlung bei Drucken oberhalb 0,2 MPa stattfindet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß als Reaktivgas Ammoniak verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß Gemische aus Ammoniak mit 5 bis 95 Vol. % Stickstoff verwendet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß als Reaktivgas ein kohlenstoffabgebendes Gas verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß Methan bei Temperaturen von 870 bis 1000o C verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Behandlung unter konstantem Druck stattfindet.
EP92105758A 1991-05-08 1992-04-03 Verfahren zur gleichmässigen thermochemischen Behandlung von Bauteilen aus Stahl, die schwer zugängliche Flächen aufweisen Expired - Lifetime EP0512254B2 (de)

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