EP0545069B1 - Verfahren zur Behandlung von Stählen und Refraktärmetallen - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for treating components made of steels and metals in a process chamber under the action of pressure and temperature with a first process step in which a thermochemical surface treatment, for example case hardening, is carried out, for which purpose a gas or gas mixture is let into this process chamber .
- a thermochemical surface treatment for example case hardening
- thermochemical surface treatment e.g. nitriding, nitro-carburizing or boriding
- refractory metals e.g. Ti, Zr, Mo, W. Nb, Ta, V
- Passive layers on the materials lead to the following difficulties:
- the passive layers mostly consist of oxides and form a thin protective skin, which disadvantageously prevents the undisturbed diffusion of non-metals such as N, C, and B during surface treatment. This completely prevents diffusion, for example in the case of refractory metals, and in some cases in the case of high-alloy steels, which leads to uneven treatment results.
- pre-oxidation is carried out in order to achieve a uniform treatment result. This means that contaminations on the surfaces are oxidized and the already existing oxide layer is influenced. In some cases, this can influence the uniformity of the layer formation.
- the layers produced are very thin and contain ever larger amounts of oxygen.
- thermochemical surface treatment of metals e.g. carburizing, tempering, annealing, carbonitriding, nitrocarburizing
- edge oxidation This edge oxidation reduces the fatigue strength, so that the life of edge-oxidized components is reduced.
- the object of the present invention is now to develop a method which removes the edge oxidation of heat-treated parts and replaces the mechanical processing.
- thermochemical removal of the edge oxidation generated as a result of the first process step on the components in a second process step N2 H2 or NH3 or a mixture of these gases in the process chamber and a pressure greater than 1 bar and a temperature between 100 ° C and 1,000 ° C are set independently.
- the oxides are reduced by reacting with the gas phase and releasing their oxygen atoms or forming nitrides.
- parts heat-treated in this way can be almost completely deoxidized.
- Such a heat treatment can be carried out for higher-alloy steels as a replacement for the tempering treatment which is to be carried out anyway, tempering and deoxidizing are then carried out in one step.
- thermochemical treatments with oxidizing gas components and to achieve higher fatigue strength properties on the components through the subsequent deoxidation.
- the use of expensive and complicated mechanical post-treatments can be dispensed with.
- the invention allows for a wide variety of designs; one of them is shown as an example in the two attached sketches.
- the steel After the steel has been introduced into a treatment chamber 1, it is heated to 580 ° C and at a pressure of e.g. 10 bar H2 and / or NH3 is let in. In this process step, the steel used is de-passivated and at the same time provided with a thin nitride layer as protection against further oxidation.
- the steel which is protected against oxidation, is then brought into a second treatment chamber 2.
- a material-specific nitriding temperature of 550 ° C is set and a gas mixture of NH3, H2 is let in at a pressure of 1 bar.
- a nitrided X 20 CrMo V 12 1 steel is obtained as the end product.
- carbon-containing gases such as CO2 or CO can be used for coal at temperatures between 800 ° C and 1,000 ° C.
- thermochemical treatment process for example nitriding can be carried out in a conventional nitriding plant under atmospheric pressure. This eliminates the need to use a pressure chamber, which must be designed for 30 bar, for example.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Bauteilen aus Stählen und Metallen in einer Prozeßkammer unter Einwirkung von Druck und Temperatur mit einem ersten Verfahrensschritt, in dem eine thermochemische Oberflächenbehandlung, beispielsweise das Einsatzhärten, durchgeführt wird, wozu ein Gas oder Gasgemisch in diese Prozeßkammer eingelassen wird.
- Bei der thermochemischen Oberflächenbehandlung (z.B. Nitrieren, Nitrokarburieren oder Borieren) von legierten Stählen und Refraktärmetallen (z.B. Ti, Zr, Mo, W. Nb, Ta, V) kommt es bislang durch die oberflächenbedeckenden Passivschichten auf den Materialien zu folgenden Schwierigkeiten: Die Passivschichten bestehen nämlich meist aus Oxiden und bilden eine dünne Schutzhaut, die das ungestörte Eindiffundieren von Nichtmetallen wie z.B. N, C, und B bei der Oberflächenbehandlung mit Nachteil verhindern. Dadurch wird z.B. bei den Refraktärmetallen eine Eindiffusion völlig, bei hochlegierten Stählen teilweise verhindert, was zu ungleichmäßigen Behandlungsergebnissen führt.
Bei bestimmten Sorten legierter Stähle wird zu Erzielung eines gleichmäßigen Behandlungsergebnisses eine Voroxidation vorgenommen. Damit werden Verunreinigungen an den Oberflächen oxidiert und die bereits bestehende Oxidschicht beeinflußt. Dadurch kann in manchen Fällen Einfluß auf die Gleichmäßigkeit der Schichtausbildung genommen werden. Die erzeugten Schichten sind sehr dünn und enthalten immer größere Mengen Sauerstoff. - Bei der thermochemischen Oberflächenbehandlung von Metallen (z.B. Aufkohlen, Vergüten, Glühen, Carbonitrieren, Nitrocarburieren) kommt es weiterhin, bedingt durch die Verwendung sauerstoffhaltiger Prozeßgase zu einer interkristallinen Oxidation der behandelten Bauteile. Da die Oxidation nur an der freien Oberfläche, also am Rand der Bauteile auftritt, wird diese Form der Oxidation auch als Randoxidation bezeichnet. Diese Randoxidation bewirkt eine Herabsetzung der Dauerfestigkeit, so daß die Lebensdauer randoxidierter Bauteile verkleinert wird.
- Es sind zur Zeit zwei Wärmebehandlungsverfahren zum Aufkohlen von Werkstücken bekannt, die mit sauerstofffreien Prozeßgasen betrieben werden. Diese Verfahren, Plasmaaufkohlung und Vakuumaufkohlung, konnten bisher jedoch noch keine industrielle Anwendung in nennenswertem Umfang finden.
Bauteile, die nach der Wärmebehandlung Oxidation aufweisen, werden daher meist durch mechanische Bearbeitung nachbehandelt, mit dem Ziel die Oxidation abzutragen (z.B. Schleifen von Zahnrädern). Der Abfall der Dauerfestigkeit durch Randoxidation kann auch durch Verfahren zur Verfestigung (z.B. Kugelstrahlen von Zahnrädern) der Bauteile kompensiert werden. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren zu entwickeln, das die Randoxidation wärmebehandelter Teile entfernt und die mechanische Bearbeitung ersetzt.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur thermochemischen Entfernung der infolge des ersten Verfahrensschritts erzeugten Randoxydation an den Bauteilen in einem zweiten Verfahrensschritt N₂, H₂ oder NH₃ oder ein Gemisch dieser Gase in die Prozeßkammer eingelassen und ein Druck größer 1 bar und eine Temperatur zwischen 100 °C und 1.000 °C voneinander unabhängig eingestellt wird.
- Die Oxide werden reduziert, indem sie mit der Gasphase reagieren und ihre Sauerstoffatome abgeben oder Nitride bilden. Solchermaßen wärmebehandelte Teile können je nach Zusammensetzung der Oxide nahezu vollkommen desoxidiert werden.
Eine solche Wärmebehandlung kann bei höher legierten Stählen als Ersatz für die ohnehin durchzuführende Anlaßbehandlung durchgeführt werden, Anlassen und Desoxidieren werden dann in einem Schritt durchgeführt. - Durch dieses Verfahren ist es möglich, thermochemische Behandlungen mit oxidierenden Gaskomponenten weiter durchzuführen und durch die anschließende Desoxidation höhere Dauerfestigungseigenschaften an den Bauteilen zu erzielen. Dadurch kann auf den Einsatz teurer und komplizierter mechanischer Nachbehandlungen verzichtet werden.
- Weitere Ausführungsmöglichkeiten und Merkmale sind in den Unteransprüchen näher beschrieben und gekennzeichnet.
- Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu; eine davon ist in den beiden anhängenden Skizzen beispielhaft dargestellt.
- Nachdem der Stahl in eine Behandlungskammer 1 eingebracht ist, wird diese auf 580 °C aufgeheizt und mit einem Druck von z.B. 10 bar wird H₂ und/oder NH₃ eingelassen. In diesem Verfahrensschritt wird der eingesetzte Stahl entpassiviert und gleichzeitig mit einer dünnen Nitridschicht als Schutz vor weiterer Oxidation versehen.
- Anschließend wird der vor Oxidation geschützte Stahl in eine zweite Behandlungskammer 2 verbracht. Hier wird eine werkstoffspezifische Nitriertemperatur von 550 °C eingestellt und bei einem Druck von 1 bar ein Gasgemisch aus NH₃, H₂ eingelassen. Nach Abschluß dieses zweiten Behandlungsschrittes erhält man als Endprodukt einen nitrierten X 20 CrMo V 12 1- Stahl. Statt stickstoffhaltiger Gase können zum Kohlen auch kohlenstoffhaltige Gase wie CO₂ oder CO bei bei Temperaturen zwischen 800 °C und 1.000 °C eingesetzt werden.
- Ein wesentlicher Vorteil ist, daß der eigentliche thermochemische Behandlungsvorgang, beispielsweise das Nitrieren in einer konventionellen Nitrieranlage unter Atmosphärendruck durchgeführt werden kann. Somit entfällt die Notwendigkeit eine Druckkammer einzusetzen, die beispielsweise für 30 bar ausgelegt sein muß.
- Ein einsatzgehärteter Stahl 16 MnCr5 wird mit 10 »m Randoxidation in eine Prozeßkammer 1 eingebracht und auf eine Prozeßtemperatur ϑ = 200 °C erwärmt. In die Kammer wird nun ein Gasgemisch aus NH₃ und N₂ mit einem Druck p=20 bar eingelassen. Nach Abschluß dieses Prozesses erhält man einen randoxidationsfreien Stahl 16 MnCr5.
Claims (6)
- Verfahren zur Behandlung von Bauteilen aus Stählen und Metallen in einer Prozeßkammer unter Einwirkung von Druck und Temperatur mit einem ersten Verfahrensschritt, in dem eine thermochemische Oberflächenbehandlung, beispielsweise das Einsatzhärten, durchgeführt wird, wobei ein Gas oder Gasgemisch in eine Prozeßkammer eingelassen wird, dadurch gekennzeichnet , daß zur thermochemischen Entfernung der Randoxidation der Bauteile in einem zweiten Verfahrensschritt N₂, H₂ oder NH₃ oder ein Gemisch dieser Gase in die Prozeßkammer eingelassen und ein Druck größer 1 bar und eine Temperatur zwischen 100 °C und 1.000 °C voneinander unabhängig eingestellt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Bauteile aus unlegierten oder niedriglegierten Stählen behandelt werden.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Bauteile aus höherlegierten Stählen behandelt werden.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß gleichzeitig mit der thermochemischen Entfernung der Randoxidation ein Wärmebehandlungsverfahren, beispielsweise das Anlassen von Stählen durchgeführt wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Prozeßdruck während des Verfahrens zur thermochemischen Entfernung der Randoxidation 20 bar beträgt.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Prozeßtemperatur kleiner oder gleich der Anlaßtemperatur des zu behandelnden Stahls ist.
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