EP0570421B1 - Verfahren zum herstellen eines oberflächengehärteten werkstückes aus sintereisen - Google Patents

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EP0570421B1
EP0570421B1 EP92903727A EP92903727A EP0570421B1 EP 0570421 B1 EP0570421 B1 EP 0570421B1 EP 92903727 A EP92903727 A EP 92903727A EP 92903727 A EP92903727 A EP 92903727A EP 0570421 B1 EP0570421 B1 EP 0570421B1
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    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
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    • C23C8/10—Oxidising
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a surface-hardened workpiece from sintered iron, the pores on the surface being largely closed after the sintering by means of a steam treatment and the workpiece subsequently being subjected to surface layer hardening.
  • DE-OS 33 01 541 A generic method is known from DE-OS 33 01 541.
  • a steam treatment is carried out.
  • DE-OS 33 01 541 proposes the porous workpiece made of sintered iron to produce iron oxide layers on the accessible inner and outer surfaces in a water vapor-containing atmosphere and in a second stage to partially reduce these oxide layers and to harden a narrow one , the zone emanating from the outer surface is heated in the presence of a carbon emanating fluid.
  • the control of this method and thus also the control of the formation or reduction of the oxide layer is very limited.
  • the workpieces produced from a sintered iron that is to say powder metallurgy, are generally porous, provided that they are not compacted by forging or other shaping processes.
  • the porosity has disadvantages, for example with regard to the corrosion resistance, which is impaired because, for example, liquids penetrate into the porous workpiece. Reactions with corrosive agents or the like then occur, the property of the workpiece surface being changed.
  • the porosity of sintered workpieces is also disadvantageous when it comes to hardening the surface layer.
  • the gases used for hardening can penetrate into the interior of the workpiece through the pores, whereby the workpiece hardens.
  • an extensive and stable pore closure is necessary in the hardening process.
  • the coatings described above are not stable, so that a corresponding impregnation cannot be used for sintered workpieces which are subjected to a heat treatment after sintering.
  • Heat treatment is primarily used to achieve greater hardness.
  • Carburizing, nitrocarburizing, nitriding and oxidizing are known as heat treatment processes. These processes can be used to achieve surfaces with high wear resistance.
  • the steam treatment is carried out in accordance with the features of claim 1 in such a way that a sufficient pore closure is achieved with the lowest possible oxide layer density. Surprisingly, these properties can be obtained even at relatively low water vapor temperatures. This results in an economical way of working with at least consistently good results.
  • Another advantage of the lower water vapor temperatures results from the fact that the formation of FeO is avoided, which occurs from about 560 ° C. FeO breaks down into Fe3O4 and Fe when cooled; this disintegration leads to a spongy surface structure which, in addition to a significantly reduced corrosion resistance, also leads to a voluminous connecting layer in the subsequent heat treatment, and thus in particular to a deterioration in the dimensional accuracy.
  • the modified water vapor treatment produces an oxide layer of at most 5 »m, preferably ⁇ 4» m, on the surface of the workpiece. This is done by targeted steam treatment at the specified temperatures and pressures of the superheated steam. The goal is a sufficient pore closure with a minimal oxide layer thickness.
  • the workpiece is subjected to mechanical processing before the steam treatment.
  • the mechanical processing is preferably carried out by vibratory grinding or by lapping.
  • Mechanical processing is particularly recommended when tight tolerances are specified for dimensional accuracy or when a well-defined layer with tight tolerances is required. Following the mechanical processing, the workpiece is subjected to surface hardening.
  • the above-mentioned method is mainly used in the production of ring gears, whereby a significantly improved dimensional stability was found.
  • the method allows the committee to be reduced considerably, and measurement is no longer necessary.
  • a ring gear hardened by nitrocarburizing is produced in the following production stages:

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Werkstückes aus gesintertem Metall, insbesondere aus Sintereisen, wird dieses nach dem Sintern zum Ausbilden einer Oxidschicht auf der Oberfläche einer Wasserdampfbehandlund bei Temperaturen unterhalb 500 °C, insbesondere bei 430 bis 480 °C, und einem Wasserdampfpartialdruck von 20 bis 80 mbar, insbesondere von 30 bis 50 mbar, sowie einer nachfolgenden Randschichtenhärtung unterzogen. Es werden Werkstücke, insbesondere Hohlräder für Starter, mit verschleißfester Oberfläche und im Kern durch die Härtung unveränderten Eigenschaften erhalten.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines oberflächengehärteten Werkstückes aus Sintereisen, wobei nach dem Sintern durch eine Wasserdampfbehandlung die Poren an der Oberfläche weitgehend geschlossen werden und das Werkstück anschließend einer Randschichtenhärtung unterzogen wird.
  • Aus der DE-OS 33 01 541 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt. Zum Zweck des Porenverschlusses als Vorbehandlung für eine Oberflächenhärtung erfolgt dabei eine Wasserdampfbehandlung. Zur Verbesserung der Maßhaltigkeit schlägt die DE-OS 33 01 541 vor, das poröse Werkstück aus gesintertem Eisen zur Erzeugung von Eisenoxidschichten auf den zugänglichen inneren und äußeren Oberflächen in einer wasserdampfhaltigen Atmosphäre und in einer zweiten Stufe zur teilweisen Reduktion dieser Oxidschichten und zur Härtung einer schmalen, von der äußeren Oberfläche ausgehenden Zone in Gegenwart eines Kohlenstoff abgehenden Fluids erhitzt wird. Allerdings ist die Steuerung dieses Verfahrens und damit auch die Steuerung der Bildung beziehungsweise Reduktion der Oxidschicht sehr beschränkt.
  • Die aus einem Sintereisen, das heißt pulvermetallurgisch hergestellten Werkstücke sind im allgemeinen porös, sofern sie nicht durch Schmieden oder andere Formungsverfahren verdichtet werden. Die Porosität hat jedoch Nachteile, zum Beispiel in Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit, welche beeinträchtigt ist, da beispielsweise flüssige Stoffe in das poröse Werkstück eindringen. Hier kommt es dann zu Reaktionen mit korrodierenden Agenzien oder dergleichen, wobei die Eigenschaft der Werkstückoberfläche verändert wird. Zur Verhinderung des Eindringens derartiger Stoffe in die Oberfläche eines porösen Werkstückes ist es bekannt, dieses mit Kunstharz, Wachs, ölartiger Substanz oder dergleichen zu überziehen.
  • Die Porosität gesinterter Werkstücke ist außerdem nachteilig, wenn es darum geht, eine Randschichtenhärtung zu erzielen. Durch die Poren können die zur Härtung eingesetzten Gase ins Innere des Werkstückes eindringen, wobei das Werkstück durchhärtet. Um ausschließlich eine Randschichtenhärtung zu erreichen, ist daher ein weitgehender und im Härtungsprozeß stabiler Porenverschluß notwendig. Die oben beschriebenen Überzüge sind allerdings unbeständig, so daß eine entsprechende Imprägnierung nicht für gesinterte Werkstücke brauchbar ist, die nach dem Sintern einer Wärmebehandlung unterworfen sind.
  • Eine Wärmebehandlung erfolgt vor allem zur Erzielung einer größeren Härte. Als Wärmebehandlungsverfahren sind ein Aufkohlen, Nitrocarburieren, Nitrieren und Oxidieren bekannt. Durch diese Verfahren lassen sich Oberflächen von hoher Verschleißfestigkeit erzielen.
    • Vorteile der Erfindung
  • Nach der vorliegenden Erfindung wird die Wasserdampfbehandlung entsprechend den Merkmalen von Anspruch 1 so geführt, daß ein ausreichender Porenverschluß bei geringst möglicher Oxidschichtdichte erreicht wird. Überraschenderweise können diese Eigenschaften bereits bei relativ niedrigen Wasserdampftemperaturen erhalten werden. Daraus ergibt sich eine wirtschaftliche Arbeitsweise bei zumindest gleichbleibend guten Ergebnissen.
  • Ein weiterer Vorteil der niedrigeren Wasserdampftemperaturen ergibt sich daraus, daß die Bildung von FeO vermieden wird, die ab etwa 560° C eintritt. FeO zerfällt bei Abkühlung in Fe₃O₄ und Fe; dieser Zerfall führt zu einer schwammigen Oberflächenstruktur, die neben einer deutlich verminderten Korrosionsbeständigkeit auch zu einer voluminösen Verbindungsschicht bei der nachfolgenden Wärmebehandlung, somit insbesondere zur Verschlechterung der Maßhaltigkeit führt.
  • Durch die modifizierte Wasserdampfbehandlung wird eine Oxidschicht von maximal 5 »m, vorzugsweise von < 4»m, auf der Oberfläche des Werkstücks hergestellt. Dies geschieht durch ein gezieltes Wasserdampfbehandeln bei den angegebenen Temperaturen und Drücken des überhitzten Wasserdampfes. Ziel ist ein auseichender Porenverschluß bei minimaler Oxidschichtdicke.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Werkstück vor der Wasserdampfbehandlung einer mechanischen Bearbeitung unterzogen. Die mechanische Bearbeitung erfolgt dabei bevorzugt durch Gleitschleifen oder durch Läppstrahlen.
  • Die mechanische Bearbeitung empfiehlt sich vor allem, wenn enge Toleranzen bei der Maßhaltigkeit vorgegeben sind oder wenn eine gut ausgeprägte Schicht mit engen Toleranzen gefordert wird. Das Werkstück wird im Anschluß an die mechanische Bearbeitung einer Randschichthärtung unterzogen.
  • Das oben genannte Verfahren wird vor allem bei der Herstellung von Hohlrädern verwendet, wobei sich eine deutlich verbesserte Maßhaltigkeit herausstellte. Durch das Verfahren läßt sich der Ausschuß erheblich reduzieren, ein Vermessen ist nicht mehr notwendig.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird ein durch Nitrocarburieren gehärtetes Hohlrad in folgenden Fertigungsstufen hergestellt:
    Figure imgb0001

Claims (5)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks aus Sintereisen, wobei nach dem Sintern zunächst die Poren an der Oberfläche des Werkstücks durch eine Behandlung mit überhitztem Wasserdampf weitgehend geschlossen werden und das Werkstück anschließend einer Randschichtenhärtung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserdampfbehandlung bei einer Temperatur unterhalb 500° C, bei einem Wasserdampfpartialdruck von 20 bis 80 mbar und während maximal 2 Stunden durchgeführt wird, so daß sich eine Oxidschicht von maximal 5 »m ausbildet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke vor der Wasserdampfbehandlung mechanisch bearbeitet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Bearbeitung durch Schleifen oder Läppen erfolgt.
  4. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Vorgelegeräder für Starter, insbesondere innenverzahnte Hohlräder.
  5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Grundplatten und/oder Stützplatten von Elektrokraftstoffpumpen.
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