EP0627019B1 - Verfahren zur thermochemisch-thermischen behandlung von einsatzstählen - Google Patents
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- C23C8/54—Carbo-nitriding
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Definitions
- the invention relates to a method for thermochemical-thermal Treatment of case-hardened steels in which an edge zone of a workpiece, in particular bucket tappets, roller bearing parts, gear and coupling elements, enriched with carbon and nitrogen and then undergoes a martensitic hardening.
- One such method is carbonitriding to treat a Workpiece in the austenitic state with the purpose of enrichment the surface layer with carbon and with nitrogen, whereby both elements are then in the austenite in solid solution. In connection this treatment generally takes place immediately Quenching to achieve hardening.
- carbonitriding the surface hardness and wear resistance of the construction parts improved (technology of heat treatment of steel, p. 169 ff, VEB German publishing house for basic materials industry, Leipzig 1986).
- the workpieces treated by this method have improved Properties with regard to wear resistance, the however for components that are subject to high tribological stresses such as the contact surfaces of tappets in the valve train of an internal combustion engine are not sufficient in every application. Beyond that due to the required shape accuracy in carbonitrided parts Grinding of these components necessary, so that in the course of this cutting Shaping the highly enriched, wear-resistant outermost surface layer is at least partially ground away.
- Nitro carburizing This is a thermochemical process for enriching the Surface layer of a workpiece with nitrogen and carbon with formation a connection layer, a below the connection layer especially forms nitrogen-enriched diffusion layer. requirement for The functionality of nitro-carburized parts is next to the existence this sufficiently thick connection layer enriched with nitrogen and carbon a corresponding supporting effect of the diffusion layer the naturally more or less brittle connection layer.
- thermochemical-thermal treatment of ferrous materials its marginal zones enriched with carbon and nitrogen and subsequently subjected to a martensitic hardening is from FR-A-22 83 244 known. This is done in such a way that the parts to be treated carbonitrided, quenched in oil, nitro carburized, quenched and tempered be cooled down again.
- the object of the present invention is a thermochemical-thermal To create treatment methods that are highly stressed tribologically Components ensure sufficient wear resistance.
- a first process step consists of carbonitriding at a temperature from 780 to 1,050 ° C, with carburization and Embroidery of 0.4 to 0.9 weight percent carbon and 0.1 to 0.8 preferably 0.3 to 0.7 weight percent nitrogen is set.
- the high Temperatures ensure that the austenite in the peripheral zone is a corresponding has high solvency for both carbon and nitrogen.
- the enrichment of the diffusion elements nitrogen and carbon has to be carried out so that their solubility in austenite is not exceeded, d.
- the coal potential in the atmosphere is according to the S-E line in the Coordinate iron carbon diagram. The same applies to the nitrogen supply according to the iron-nitrogen state diagram.
- the hold time during carbonitriding which lasts one to four hours can be based on the desired hardening depth, the The upper limit can be one millimeter.
- the chemical is reached Composition of the edge zone by diffusion of carbon and Nitrogen at the temperatures mentioned in a known manner Use a working gas that has both carbon-emitting components and also contains nitrogen-donating components.
- Nitro carburizing is carried out at a temperature of 530 to 570 ° C.
- these temperatures are below the eutectoid temperature and on the other hand high enough to grow at a sufficiently high rate build the connection layer. Beyond that comes there is no additional structural transformation in this temperature range in the embroidered edge area, so that a quenching and with it associated dimensional and shape changes can be dispensed with.
- nitro carburizing can also be carried out in plasma or in a salt bath.
- thermochemical-thermal Treatment will give the material high wear resistance and Load-bearing capacity awarded because the one below the connection layer and this supporting diffusion layer significantly improved Supportive effect, so that even with the highest tribological loads the connection layer is not caused by plastic deformation of the underlying diffusion layer can be damaged.
- the carbonitriding takes place at one Temperature from 780 to 1050 ° C. Depending on the desired hardening depth carburizing and nitriding take place within 1 to 4 hours the edge zone.
- This phase is followed by a phase 2, in which the Microstructure at a temperature significantly below the martensite starting point of the Edge zone is quenched.
- the material Annealed at 20 to 40 ° C above the nitro carburizing temperature for 1 to 2 hours.
- the material is Protective gas atmosphere cooled before in as shown in dashed lines in a fifth phase the parts of an exciting molding process be subjected to bring them to their final dimension.
- a sixth phase takes place within 60 to 150 minutes Build a 2 to 20 ⁇ m, preferably 6 to 12 ⁇ m thick, closed Link layer.
- the ground parts are used for this Temperatures of 500 to 620 ° C in a gas mixture of ammonia, Treated carbon dioxide, nitrogen and endogas or exogas.
- the last phase 7 closes the cooling of the nitro carburized material under protective gas in the oven or by quenching in oil or aqueous Media. Places that are not subject to wear can be chipping be reworked.
- Figure 2 shows schematically the layer structure of the edge zone one behind part treating the method according to the invention.
- the diffusion layer 9 follows, which consists of nitrides, carbides, carbonitrides and ferrite.
- the Size relationships between connection layer and diffusion layer are such that the thickness of the connection layer is up to 20 ⁇ m while the diffusion layer has a thickness of several tenths Can have millimeters. Connects to the diffusion layer 9 the starting material 10.
- the supporting effect is that under the connecting layer diffusion layer by carbonitriding and tempering significantly improved compared to an only nitro-carburized part.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermochemisch-thermischen
Behandlung von Einsatzstählen, bei denen eine Randzone eines Werkstükkes,
insbesondere Tassenstößel, Wälzlagerteile, Getriebe- und Kupplungselemente,
mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert und anschließend
einer martensitischen Härtung unterzogen wird.
Ein derartiges Verfahren stellt das Karbonitrieren zum Behandeln eines
Werkstückes im austenitischen Zustand mit dem Zweck der Anreicherung
der Randschicht mit Kohlenstoff und mit Stickstoff dar, wobei sich
beide Elemente danach im Austenit in fester Lösung befinden. Im Anschluß
an diese Behandlung erfolgt im allgemeinen unmittelbar ein
Abschrecken zur Erzielung einer Härtung. Durch Karbonitrieren werden
die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit der Konstruktionsteile
verbessert (Technologie der Wärmebehandlung von Stahl, S. 169 ff, VEB
Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1986).
Die nach diesem Verfahren behandelten Werkstücke weisen zwar verbesserte
Eigenschaften hinsichtlich der Verschleißfestigkeit auf, die
jedoch für tribologisch hoch beanspruchte Bauteile wie beispielsweise
die Kontaktflächen von Tassenstößeln im Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine
nicht in jedem Anwendungsfall ausreichen. Darüberhinaus ist
wegen der geforderten Formgenauigkeit bei karbonitrierten Teilen ein
Schleifen dieser Bauteile nötig, so daß im Zuge dieser spanenden
Formgebung die hoch angereicherte, verschleißfeste äußerste Oberflächenschicht
zumindest teilweise weggeschliffen wird.
Ein anderes Verfahren zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit ist das
Nitrokarburieren. Dies ist ein thermochemisches Verfahren zum Anreichern der
Randschicht eines Werkstückes mit Stickstoff und Kohlenstoff unter Bildung
einer Verbindungsschicht, wobei sich unterhalb der Verbindungsschicht eine
vor allem mit Stickstoff angereicherte Diffusionsschicht bildet. Voraussetzung für
die Funktionstüchtigkeit nitrokarburierter Teile ist neben dem Vorhandensein
dieser mit Stickstoff und Kohlenstoff angereicherten, ausreichend dicken Verbindungsschicht
eine entsprechende Stützwirkung der Diffusionsschicht unter
der naturgemäß mehr oder weniger spröden Verbindungsschicht.
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht nun darin, daß die unter der Verbindungsschicht
liegende Diffusionsschicht bei tribologisch hohen Beanspruchungen,
wie beispielsweise durch Fremdkörper im Ölkreislauf einer Brennkraftmaschine,
zu plastischer Verformung neigt und als Folge davon zu Beschädigungen
der Verbindungsschicht führen kann.
Ein anderes Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Eisenwerkstoffen,
dessen Randzonen mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert und
anschließend einer martensitischen Härtung unterzogen werden, ist aus der FR-A-22
83 244 bekannt. Dies erfolgt derart, daß die zu behandelnden Teile
karbonitriert, in Öl abgeschreckt, nitrokarburiert, abgeschreckt angelassen und
wieder abgekühlt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein thermochemisch-thermisches
Behandlungsverfahren zu schaffen, das bei tribologisch hoch beanspruchten
Bauteilen eine ausreichende Verschleißfestigkeit gewährleistet.
Diese Aufgabe wird nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst durch
mehrere aufeinanderfolgende Verfahrensschritte.
- Ein erster Verfahrensschritt besteht aus einem Karbonitrieren bei einer Temperatur
von 780 bis 1.050 °C, wobei in der Randzone eine Aufkohlung und
Aufstickung von 0,4 bis 0,9 Gewichtsprozent Kohlenstoff und 0,1 bis 0,8
vorzugsweise 0,3 bis 0,7 Gewichtsprozent Stickstoff eingestellt wird. Die hohen
Temperaturen sorgen dafür, daß der Austenit in der Randzone ein entsprechend
hohes Lösungsvermögen sowohl für Kohlenstoff als auch für Stickstoff aufweist.
Die Anreicherung der Diffusionselemente Stickstoff und Kohlenstoff hat dabei
so zu erfolgen, daß deren Löslichkeit im Austenit nicht überschritten wird, d. h.
das Kohlenpotential in der Atmosphäre ist dabei entsprechend der S-E-Linie im
Eisenkohlenstoff-Diagramm abzustimmen. Entsprechendes gilt für das Stickstoffangebot
gemäß dem Zustandsdiagramm Eisen-Stickstoff. Die Haltezeit während
des Karbonitrierens, die ein bis vier Stunden
betragen kann, richtet sich nach der gewünschten Einhärtetiefe, deren
Obergrenze bei einem Millimeter liegen kann. Erreicht wird die chemische
Zusammensetzung der Randzone durch Diffusion von Kohlenstoff und
Stickstoff bei den genannten Temperaturen in bekannter Weise unter
Verwendung eines Arbeitsgases, das sowohl kohlenstoffabgebende Komponenten
als auch stickstoffabgebende Komponenten enthält.
An das Karbonitrieren schließt sich als zweiter Verfahrensschritt eine
schnelle Unterkühlung des Härtegutes durch Abschrecken in geeigneten
Medien an. Die Abschreckung soll, beispielsweise in einem Ölbad, auf
Temperaturen deutlich unter dem Martensitstartpunkt der Randzone
erfolgen. Dadurch wird der Diffusionsvorgang der Eisenbegleiter Stickstoff
und Kohlenstoff unterbrochen und die Zementitausscheidung an den
Austenitkorngrenzen unterdrückt und es entsteht ein Gefüge, das sich
aus Kohlenstoff und Stickstoff enthaltendem Martensit und einem Restaustenitanteil
bis zu 50 % zusammensetzt. Die Oberflächenhärten liegen
dabei zwischen 65 und 55 Härte Rockwell. Ziel der gleichzeitigen
Anreicherung mit Kohlenstoff und Stickstoff ist im vorliegenden Fall
eine Erhöhung der Anlaßbeständigkeit besagten Einsatzstahles gegenüber
dem Einsatzhärten.
- An das Karbonitrieren schließt sich als dritter Verfahrensschritt eine Wärmebehandlung an, im Zuge derer der Werkstoff bei 520 bis 650°, d. h. 20 bis 40° C über der nachfolgenden Nitrocarburiertemperatur, angelassen wird. Die Aufheizgeschwindigkeit liegt dabei zwischen 10 bis 30° pro Minute und die Haltezeit beträgt etwa 1 bis 2 Stunden. Nach dem Anlassen schließt sich als vierter Verfahrensschritt eine Abkühlung auf Raumtemperatur an, wobei die Abkühlgeschwindigkeit so gewählt wird, daß durch die Abkühlung keine neuen Spannungen im Bauteil erzeugt werden. Durch das Anlassen bei einer Temperatur von 20 bis 40° C über der Nitrokarburiertemperatur wird erreicht, daß sich der durch das Karbonitrieren im Randbereich des Werkstückes eingestellte Gefügezustand beim nachfolgenden Nitrokarburieren durch Temperatureinflüsse nicht mehr verändert. Da jede Änderung des Gefügezustandes mit einer Volumenvergrößerung bzw. -verkleinerung verbunden ist, wird eine derartige Volumenänderung beim nachfolgenden Nitrokarburieren ausgeschlossen. Darüberhinaus wird der beim vorhergehenden Karbonitrieren mit nachfolgender Abkühlung mit inneren Spannungen eingefrorene Ungleichgewichtszustand in ein bei der Nitrokarburiertemperatur im Gleichgewicht befindliches Gefüge umgewandelt. Der Abbau von inneren Spannungen beim Anlassen ist ebenfalls mit Maß- und Formänderungen des Werkstückes verbunden.
- Nach der Anlaßbehandlung werden die durch die vorhergehenden Behandlungsstufen Karbonitrieren und Anlassen eingetretenen Form- und Maßänderungen der Teile durch einen spangebenden Formgebungsprozeß als fünften Verfahrensschritt korrigiert, um die zu nitrokarburierenden Teile auf das Fertigteilendmaß zu bringen. Gegebenenfalls ist dabei ein durch die Stickstoff- und Kohlenstoffaufnahme beim Nitrokarburieren eintretendes Volumenwachstum maßlich zu berücksichtigen.
- Nach der spanenden Formgebung schließt sich als sechster Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens das Nitrokarburieren an. Ziel ist der Aufbau einer bis zu 20µm dicken, geschlossenen Verbindungsschicht. Hierzu werden die geschliffenen Teile bei Temperaturen von 500 bis 620° C 60 bis 150 Minuten lang behandelt. Das Nitrokarburieren erfolgt im Gasgemisch aus Ammoniak, Kohlendioxid, Stickstoff und Endo- oder Exogas. Die Abkühlung des Nitriergutes als letzter Schritt des Verfahrens kann unter Schutzgas im Ofen oder durch Abschreckung in Öl erfolgen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 2
erfolgt das Nitrokarburieren bei einer Temperatur von 530 bis 570°C.
Diese Temperaturen liegen einerseits unterhalb der eutektoiden Temperatur
und andererseits hoch genug, um mit ausreichend hoher Wachstumsgeschwindigkeit
die Verbindungsschicht aufzubauen. Darüberhinaus kommt
es in diesem Temperaturbereich zu keiner zusätzlichen Gefügeumwandlung
im aufgestickten Randbereich, so daß auf ein Abschrecken und den damit
verbundenen Maß- und Formänderungen verzichtet werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 kann das Nitrokarburieren
auch im Plasma oder im Salzbad durchgeführt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nach dem Oberbegriff
des unabhängigen Anspruchs 4 ist es auch möglich, daß anstelle der
Karbonitrierung eine Einsatzhärtung bei einer Temperatur von 780 bis
1050° C mit einer Aufkohlung der Randzone von 0,4 bis 0,9 Gewichtsprozent
Kohlenstoff bei einer Haltezeit von 1 bis 4 Stunden erfolgt.
Die sich anschließenden Verfahrensschritte bleiben die gleichen, wie
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschrieben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur thermochemisch-thermischen
Behandlung werden dem Werkstoff eine hohe Verschleißfestigkeit und
Tragfähigkeit verliehen, da die unter der Verbindungsschicht liegende
und diese stützende Diffusionsschicht eine wesentlich verbesserte
Stützwirkung erhält, so daß auch bei höchsten tribologischen Beanspruchungen
die Verbindungsschicht nicht durch plastische Verformungen der
darunter liegenden Diffusionsschicht beschädigt werden kann.
Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Es zeigen:
- Figur 1
- die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur;
- Figur 2
- einen Querschnitt im Bereich der Funktionsfläche.
In der mit 1 bezeichneten Phase erfolgt die Karbonitrierung bei einer
Temperatur von 780 bis 1050° C. Je nach gewünschter Einhärtetiefe
erfolgt innerhalb von 1 bis 4 Stunden eine Aufkohlung und Aufstickung
der Randzone. Dieser Phase schließt sich eine Phase 2 an, in der das
Gefüge auf eine Temperatur deutlich unter dem Martensitstartpunkt der
Randzone abgeschreckt wird. In einer dritten Phase wird der Werkstoff
20 bis 40° C über der Nitrokarburiertemperatur 1 bis 2 Stunden angelassen.
In einer vierten Phase wird der Werkstoff unter Ofen- bzw.
Schutzgasatmosphäre abgekühlt, bevor wie gestrichelt dargestellt, in
einer fünften Phase die Teile einem spannenden Formgebungsprozeß
unterworfen werden, um diese auf ihr Fertigteilendmaß zu bringen. In
einer sechsten Phase erfolgt innerhalb von 60 bis 150 Minuten der
Aufbau einer 2 bis 20µm, vorzugsweise 6 bis 12 µm dicken, geschlossenen
Verbindungsschicht. Hierzu werden die geschliffenen Teile bei
Temperaturen von 500 bis 620° C in einem Gasgemisch aus Ammoniak,
Kohlendioxyd, Stickstoff und Endogas oder Exogas behandelt. Danach
schließt sich als letzte Phase 7 die Abkühlung des Nitrokarburiergutes
unter Schutzgas im Ofen oder durch Abschreckung in Öl oder wäßrigen
Medien an. Nicht auf Verschleiß beanspruchte Stellen können spangebend
nachgearbeitet werden.
Figur 2 zeigt schematisch den Schichtenaufbau der Randzone eines nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelndes Teiles. An die außenliegende
Verbindungsschicht 8, die aus ∈-Nitriden, Y'-Nitriden, Karbiden
und Karbonitriden besteht, schließt sich die Diffusionsschicht 9 an,
die aus Nitriden, Karbiden, Karbonitriden und Ferrit besteht. Die
Größenverhältnisse zwischen Verbindungsschicht und Diffusionsschicht
sind dabei so, daß die Stärke der Verbindungsschicht bis zu 20µm
beträgt, während die Diffusionsschicht eine Stärke von mehreren zehntel
Millimetern aufweisen kann. An die Diffusionsschicht 9 schließt
sich der Ausgangswerkstoff 10 an.
Erfindungsgemäß wird die Stützwirkung der unter der Verbindungsschicht
befindlichen Diffusionsschicht durch Karbonitrieren und Anlassen
gegenüber einem nur nitrokarburiertem Teil entscheidend verbessert.
- 1
- Karbonitrieren oder Einsatzhärten
- 2
- Abkühlen
- 3
- Anlassen
- 4
- Abkühlen
- 5
- spanende Formgebung
- 6
- Nitrokarburieren
- 7
- Abkühlen
- 8
- Verbindungsschicht
- 9
- Diffusionsschicht
- 10
- Ausgangswerkstoff
Claims (4)
- Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatzstählen, bei denen eine Randzone eines Werkstückes, insbesondere Tassenstößel, Wälzlagerteile, Getriebe- und Kupplungselemente, mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert und anschließend einer martensitischen Härtung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt eine Karbonitrierung (1) bei einer Temperatur von 780 bis 1.050 °C mit einer Aufkohlung und Aufstickung der Randzone von 0,4 bis 0,9 Gewichtsprozent Kohlenstoff und 0,1 bis 0,8 Gewichtsprozent Stickstoff bei einer Haltezeit von 1 bis 4 Stunden erfolgt, daß sich in einem zweiten Verfahrensschritt der Karbonitrierung (1) eine Abschreckung (2) auf eine Temperatur deutlich unter dem Martensitstartpunkt der Randzone anschließt, daß ein dritter Verfahrensschritt ein Anlaßvorgang (3) ist, welcher bei einer Temperatur von 20 bis 40 °C über der nachfolgenden Nitrokarburiertemperatur, mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 10 bis 30 °C pro Minute und einer Haltezeit von 1 bis 2 Stunden vorgenommen wird, daß als vierter Verfahrensschritt eine Abkühlung (4) auf Raumtemperatur folgt und daß sich als fünfter Verfahrensschritt eine spanende Formgebung (5) der Werkstücke anschließt und daß als sechster Verfahrensschritt ein Nitrokarburieren (6) in einem Gasgemisch aus Ammoniak, Kohlendioxid, Stickstoff und Endo- oder Exogas bei einer Temperatur von 500 bis 620 °C mit einer Haltezeit von 60 bis 150 Minuten folgt, dem sich als letzter Verfahrensschritt ein Abkühlen auf Raumtemperatur anschließt.
- Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatzstählen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nitrokraburieren (6) bei einer Temperatur von 530 bis 570 °C stattfindet.
- Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatzstählen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nitrokarburieren (6) im Plasma oder Salzbad erfolgt.
- Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatzstählen, bei denen eine Randzone eines Werkstückes, insbesondere Tassenstößel, Wälzlagerteile, Getriebe- und Kupplungselemente, mit Kohlenstoff angereichert und anschließend einer martensitischen Härtung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt eine Einsatzhärtung (1) bei einer Temperatur von 780 bis 1.050 °C mit einer Aufkohlung der Randzone von 0,4 bis 0,9 Gewichtsprozent Kohlenstoff bei einer Haltezeit von 1 bis 4 Stunden erfolgt, daß sich in einem zweiten Verfahrensschritt der Einsatzhärtung (1) eine Abschreckung (2) auf eine Temperatur deutlich unter dem Martensitstartpunkt der Randzone anschließt, daß ein dritter Verfahrensschritt ein Anlaßvorgang (3) ist, welcher bei einer Temperatur von 20 bis 40 °C über der nachfolgenden Nitrokarburiertemperatur, mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 10 bis 30 °C pro Minute und einer Haltezeit von 1 bis 2 Stunden vorgenommen wird, daß als vierter Verfahrensschritt eine Abkühlung (4) auf Raumtemperatur folgt und daß sich als fünfter Verfahrensschritt eine spanende Formgebung (5) der Werkstücke anschließt und daß als sechster Verfahrensschritt ein Nitrokarburieren (6) in einem Gasgemisch aus Ammoniak, Kohlendioxid, Stickstoff und Endo- oder Exogas bei einer Temperatur von 500 bis 620 °C mit einer Haltezeit von 60 bis 150 Minuten folgt, dem sich als letzter Verfahrensschritt ein Abkühlen auf Raumtemperatur anschließt.
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