EP0652300A1 - Randaufsticken zur Erzeugung einer hochfesten austenitischen Randschicht in nichtrostenden Stählen - Google Patents

Randaufsticken zur Erzeugung einer hochfesten austenitischen Randschicht in nichtrostenden Stählen Download PDF

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces

Definitions

  • the present invention dispenses with a consistently high nitrogen content in the steel. Instead, only the edge zone of near-net shape parts made of stainless steel are enriched with dissolved nitrogen by heat treatment to such an extent that a high-strength but tough austenitic surface layer forms over a core structure made of ferrite, austenite, martensite or a mixture of two or three of these structural components.
  • the heat treatment according to the invention consists of nitriding in a nitrogen-emitting gas atmosphere at a temperature between 1000 and 1200 ° C.
  • the temperature, pressure and duration of the treatment are chosen so that an edge layer of a certain thickness is formed, the nitrogen content of which in the surface is between a lower limit of 0.3% by weight and an upper limit which is given by the beginning nitride precipitation during the nitriding.
  • the subsequent cooling takes place so quickly that nitride excretion does not occur in this period either.
  • Subsequent aging at a temperature of ⁇ 650 ° C enables the surface layer to harden.
  • Patent DE 40 33 706 describes case hardening with nitrogen, in which after a martensitic, rustproof steel is embroidered, a hard martensitic surface layer is produced over a ductile core by hardening. This process is used for the treatment of rustproof rolling bearings, gear parts and tools as well as for rustproof pump parts and valves in particle-laden fluids. In all these cases, the highest compressive strength and hardness of the surface layer are important, but this is associated with considerable embrittlement.
  • the aim of the present invention is to create a high-strength but tough austenitic surface layer over a ductile or hard core (Fig. 1).
  • the austenitic surface layer according to the invention is suitable for increasing the wear resistance, in particular when subjected to impact wear, cavitation and droplet impact, such as those e.g. occurs in turbomachines.
  • ferritic-austenitic duplex stainless steels are often used, the two-phase structure of which has the required high plug-in limit.
  • a common type of failure is wear due to cavitation.
  • a content of ⁇ 1.4% by weight of nitrogen is dissolved in the edge zone of this material by embroidering in nitrogen gas at 1150 ° C. and a pressure of 1 bar.
  • FIG. 3 This surface layer was subjected to a cavitation wear test in comparison to the core material not embroidered on.

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Abstract

Durch Aufsticken bei Temperaturen zwischen 1000 und 1200°C wird die Randzone endformnaher Teile aus nichtrostendem Stahl mit gelöstem Stickstoff angereichert. Dadurch werden ferritische und martensitische Gefügebestandteile in der Randzone zu Austenit umgewandelt. Stickstoff erhöht durch Mischkristallhärtung die Festigkeit der gebildeten Randschicht, die gleichzeitig durch die hohe Zähigkeit des austenitischen Gefüges gekennzeichnet ist. Die Kombination von Festigkeit und Zähigkeit führt zu einem deutlich erhöhten Verschleißwiderstand, insbesondere bei Prallverschleiß, Kavitation und Tropfenschlag. Im Gegensatz zu Kohlenstoff wird die Korrosionsbeständigkeit der Randschicht durch die Eindiffusion von Stickstoff nicht verschlechtert, sondern noch erhöht. Das Wärmebehandlungsverfahren eignet sich zur Verlängerung der Lebensdauer nichtrostender Komponenten in Strömungsmaschinen.

Description

  • Gelöster Kohlenstoff und Stickstoff steigern in nichtrostenden Stählen die Härte des Martensits, die Streckgrenze des Austenits und bewirken eine Stabilisierung der austenistischen Phase. Während die Zugabe von Kohlenstoff den Widerstand nichtrostender Stähle gegen Naßkorrosion verschlechtert, bewirkt Stickstoff eine Verbesserung dieser Eigenschaft. Der Nutzung dieser günstigen Wirkung des Stickstoffs steht seine gegenüber Kohlenstoff wesentlich geringere Löslichkeit in der Stahlschmelze unter Normaldruck entgegen. Daher werden heute druck- oder pulvermetallurgische Verfahren angewendet, um nichtrostende Stähle mit einem Stickstoffgehalt zwischen 03, und 3 Gew. % herzustellen. Diese Verfahren sind jedoch gegenüber einer offenen Stahlerschmelzung mit erheblich höheren Kosten verbunden.
  • Die vorliegende Erfindung verzichtet auf einen durchgehend hohen Stickstoffgehalt im Stahl. Statt dessen wird nur die Randzone endformnaher Teile aus nichtrostendem Stahl durch eine Wärmebehandlung so weit mit gelöstem Stickstoff angereichert, daß sich eine hochfeste, aber zähe austenitische Randschicht über einem Kerngefüge aus Ferrit, Austenit, Martensit oder einem Gemisch aus zwei oder drei dieser Gefügebestandteile bildet. Die erfindungsgemäße Wärmebehandlung besteht aus einer Aufstickung in einer stickstoffabgebenden Gasatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1200°C. Temperatur, Druck und Dauer der Behandlung werden so gewählt, daß sich eine Randschicht bestimmter Dicke bildet, deren Stickstoffgehalt in der Oberfläche zwischen einer Untergrenze von 0,3 Gew.% und einer Obergrenze liegt, die durch die beginnende Nitridausscheidung während der Aufstickung gegeben ist. Die nachfolgende Abkühlung erfolgt so rasch, daß auch in diesem Zeitraum keine Nitridausscheidung auftritt. Durch eine anschließende Auslagerung bei einer Temperatur ≦ 650°C ist eine Aushärtung der Randschicht möglich.
  • Im Patent DE 40 33 706 ist das Einsatzhärten mit Stickstoff beschrieben, bei dem nach Aufsticken eines martensitischen, nichtrostenden Stahles durch Härten eine harte martensitische Randschicht über einem duktilen Kern erzeugt wird. Dieses Verfahren wird zur Behandlung von nichtrostenden Wälzlagern, Getriebeteilen und Werkzeugen verwendet sowie für nichtrostende Pumpenteile und Ventile in partikelbeladenen Fluiden. In all diesen Fällen kommt es auf höchste Druckfestigkeit und Härte der Randschicht an, die aber mit einer erheblichen Versprödung einhergeht. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist dagegen die Schaffung einer möglichst hochfesten, aber zähen austenitischen Randschicht über einem duktilen oder harten Kern (Fig. 1). Dabei wird durch die Eindiffusion von Stickstoff die austenitische Phase in der Randschicht stabilisiert, so daß martensitische oder ferritische Gefügeanteile in der Randzone zu Austenit umwandeln. Gleichzeitig wird durch die Mischkristallhärtung des Austenits mit Stickstoff die Festigkeit der Randschicht erhöht, ohne daß eine Versprödung auftritt. Aufgrund der erreichten Kombination von Festigkeit und Zähigkeit eignet sich die erfindungsgemäße austenitische Randschicht zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes insbesondere bei einer Beanspruchung durch Prallverschleiß, Kavitation und Tropfenschlag, wie sie z.B. in Strömungsmaschinen auftritt.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Für schnellaufende Pumpenräder in aggressiven Medien werden vielfach ferritisch-austenitische nichtrostende Duplexstähle verwendet, deren zweiphasiges Gefüge die erforderliche hohe Steckgrenze mit sich bringt. Eine häufige Versagensart ist der Verschleiß durch Kavitation. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird durch Aufsticken in Stickstoffgas bei 1150°C und einem Druck von 1 bar ein Gehalt von ≯ 1,4 Gew.% Stickstoff in der Randzone dieses Werkstoffes gelöst. Nach dem Abkühlen ist eine vollaustenitische Randschicht über einem ferritisch-austenitischem Kerngefüge in Fig. 3 zu erkennen. Diese Randschicht wurde im Vergleich zu dem nicht aufgestickten Kernwerkstoff einer Kavitationsverschleißprüfung unterzogen. Dabei wird durch einen Ultraschallschwinger bei 20 kHz und einer Amplitude von 40µm in destilliertem Wasser ein Blasenfeld erzeugt, das zu Implosionen an der Probenoberfläche führt. Der Verschleißbetrag ist als Gewichtsverlust über der Belastungsdauer in Fig. 4 wiedergegeben. Für die erfindungsgemäß aufgestickte Randschicht ergibt sich eine Verschleißrate von 0,0356 (mg/10³s) für den nicht aufgestickten Stahl beträgt sie 1,53 (mg/10³s). Durch die Randaufstickung wird damit eine Abnahme der Verschleißrate um den Faktor 43 erreicht. Am Beispiel einer Stromdichtepotentialkurve ist aus Fig. 5 zu entnehmen, daß der Widerstand gegen Naßkorrosion in künstlichem Meerwasser durch die Randaufstickung leicht verbessert wird. Bei ungefähr gleicher Passivstromdichte ergibt sich für die aufgestickte Probe eine Erhöhung des Durchbruchpotentials gegenüber der nicht aufgestickten Probe.
  • Übertragen auf ein Pumpenrad bedeuten diese Prüfergebnisse, daß die hohe Streckgrenze des ferritisch-austenitischen Duplexgefüges im Kern erhalten bleibt und damit die Tragfähigkeit bei hoher Umdrehungsgeschwindigkeit. Gleichzeitig wird die Kavitationsverschleißrate durch die aufgestickte austenitische Randschicht solange erheblich gesenkt, bis diese aufgezehrt ist. Was die Kosten betrifft, so entfällt die bei Duplexstählen übliche Wärmebehandlung bestehend aus Lösungsglühen bei 1020 bis 1100°C und Abschrecken. An ihre Stelle tritt das Aufsticken und Abkühlen, so daß nur der Mehraufwand für eine längere Behandlungsdauer und die Gasatmosphäre anfällt.

Claims (9)

  1. Wärmebehandlungsverfahren zur Bildung einer austenitischen Randschicht mit ≧ 0,30 Gew.% an gelöstem Stickstoff in endformnahen Teilen aus nichtrostendem Stahl durch Aufsticken bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1200°C in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre und nachfolgende Abkühlung mit einer solchen Geschwindigkeit, daß eine Nitridausscheidung vermieden wird.
  2. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtrostender austenitischer Stahl verwendet wird.
  3. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtrostender martensitischer Stahl verwendet wird.
  4. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtrostender ferritischer Stahl verwendet wird.
  5. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtrostender ferritisch-austenitischer Stahl verwendet wird.
  6. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtrostender ferritisch-martensitischer Stahl verwendet wird.
  7. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Gasatmosphäre während des Aufstickens vom Normaldruck abweicht.
  8. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Randschicht durch nachfolgende Wiedererwärmung auf eine Temperatur ≦ 650°C ausgehärtet wird.
  9. Verwendung eines Wärmebehandlungsverfahrens nach Anspruch 1 bis 8 zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes, insbesondere bei Beanspruchung durch Prallverschleiß; Kavitation und Tropfenschlag.
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