EP0652300B1 - Randaufsticken zur Erzeugung einer hochfesten austenitischen Randschicht in nichtrostenden Stählen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Wärmebehandlungsverfahren zur Bildung einer austenitischen Randschicht mit ≥ 0,30 Gew.% an gelöstem Stickstoff in endformnahen Teilen aus nicht rostendem Stahl durch Aufstickung bei einer Temperatur zwischen 1.000°C und 1.200°C in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre.
• Ein Wärmebehandlungsverfahren der vorgenannten Art ist aus der DE-A-25 18 452 bekannt. So offenbart die DE-A-25 18 452 ein Verfahren zur Austenitisierung einer etwa 21 bis 45 % Mangan und etwa 10 bis 30 % Chrom enthaltenden Eisenlegierung, wobei die Oberfläche der im festen Zustand vorliegenden Legierung bei einer Temperatur von wenigstens 927°C über einen zur Erhöhung des Stickstoffgehaltes wenigstens in der Oberfläche aus etwa 0,85 bis 3 % ausreichenden Zeitraum der Einwirkung von Stickstoff ausgesetzt wird.
• Der Mangangehalt in den mit Hilfe des aus der DE-A-25 18 452 bekannten Wärmebehandlungsverfahrens zu behandelnden Legierungen beträgt 21 bis 45 %. Da Mangan ein Austenitbilder ist und die Löslichkeit des Stickstoffes im Stahl erhöht, sind Mengen von mehr als 21 % erforderlich.
• Im Unterschied zur DE-A-25 18 452 wird nun mit der Erfindung ein Wärmebehandlungsverfahren zur Bildung einer austenitischen Randschicht mit ≥ 0,30 Gew.% an gelöstem Stickstoff in endformnahen Teilen aus X5 CrNiMo 17 12 2 oder X2 CrNiMoN 22 5 3 als nicht rostendem Stahl vorgeschlagen, und zwar durch Aufstickung bei einer Temperatur zwischen 1.000°C und 1.200°C in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre und nachfolgende Abkühlung mit einer solchen Geschwindigkeit, daß eine Nitridausscheidung vermieden wird.
• Gelöster Kohlenstoff und Stickstoff steigern in nichtrostenden Stählen die Härte des Martensits, die Streckgrenze des Austenits und bewirken eine Stabilisierung der austenitischen 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 gelöstern 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 Aufstikken eines martensitischen, nichtrostende Stahles durch Härten eine harte martensitische Randschicht Ober 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 Ober einem duktilen oder harten Kern (Fig. 1), wobei mit der Erfindung ein Wärmebehandlungsverfahren zur Bildung einer austenitischen Randschicht mit ≥ 0,30 Gew.% an gelöstem Stickstoff in endformnahen Teilen aus X5 CrNiMo 17 12 2 oder X2 CrNiMoN 22 5 3 als nicht rostendem Stahl durch Aufsticken bei einer Temperatur zwischen 1.000°C und 1.200°C in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre und nachfolgender Abkühlung mit einer solchen Geschwindigkeit, daß eine Nitridausscheidung vermieden wird, vorgeschlagen wird. Dabei wird durch die Eindiffusion von Stickstoff de 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 Ultraschsllschwinger 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 0,0358 (mg/10³s) für den nicht aufgestickten Stahl beträgt sie 1,53 (mg/10³s). Durch die Randaufstikkung 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 Randaufstikkung 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 (3)

1. Wärmebehandlungsverfahren zur Bildung einer austenitischen Randschicht mit ≥ 0,30 Gew.% an gelöstem Stickstoff in endformnahen Teilen aus X5 CrNiMo 17 12 2 oder X2 CrNiMoN 22 5 3 als 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 der Druck in der Gasatmosphäre während des Aufstickens vom Normaldruck abweicht.
3. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Randschicht durch nachfolgende Wiedererwärmung auf eine Temperatur ≤ 650°C ausgehärtet wird.

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