EP1001040A1 - Process for surface hardening of workpieces from casting materials, workpieces produced thereby and their use - Google Patents

Process for surface hardening of workpieces from casting materials, workpieces produced thereby and their use Download PDF

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EP1001040A1
EP1001040A1 EP99122515A EP99122515A EP1001040A1 EP 1001040 A1 EP1001040 A1 EP 1001040A1 EP 99122515 A EP99122515 A EP 99122515A EP 99122515 A EP99122515 A EP 99122515A EP 1001040 A1 EP1001040 A1 EP 1001040A1
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EP
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shaped body
molded body
temperature
hours
iron
Prior art date
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EP99122515A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Frank Dr. Grunow
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Federal Mogul Burscheid GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Burscheid GmbH
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Filing date
Publication date
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    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21D3/04—Decarburising
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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
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    • C21D5/06—Malleabilising
    • C21D5/08—Malleabilising with oxidation of carbon
    • C21D5/10—Malleabilising with oxidation of carbon in gaseous agents

Definitions

  • the present invention relates to a method for surface hardening of shaped bodies made of metastable solidified iron-carbon casting material and by this process produced molded bodies and their use.
  • nitrocarburized molded articles made of cast iron such as Piston rings for use in gasoline or diesel engines with regard to Wear resistance equal to or better than with a wear protection layer made of hard chrome provided shaped bodies seem to be.
  • nitrocarburized shaped bodies comparable to shaped bodies with a Wear protection layer made of molybdenum.
  • the nitriding of the Body before hardening by heat treatment of the cast iron leads to suppression of one non-finely dispersed graphite excretion in the body, which occurs during the heat treatment of the Inevitably occurs without prior nitration.
  • the extremely disadvantage of the body provided according to DE 34 07 010 C2 is that the nitrided volume area, i.e. the surface edge layer of the body in which it is used Nitride formation has a very shallow depth, based on the surface. During nitriding, the nitrogen diffuses from the surface of the body into the metastable solidified cast iron and forms together with iron carbides or mixed iron carbides Iron carbonitrides. These iron carbonitrides have, compared to the iron carbides or Mixed iron carbides, a much better thermal resistance.
  • the hard and brittle casting blank obtained must be used for the casting material is workable, be subjected to a carbide decay annealing.
  • the graphite excretion is considered in view of the greater thermal resistance mentioned above Iron carbonitrides in the surface edge layer in which the iron carbonitrides are present prevented.
  • the thickness of the nitrided surface layer is maximum 100 mm.
  • the object of the present invention is to provide a method for producing a wear-resistant molded body based on a metastable solidified iron-carbon casting material, To provide, the production more wear-resistant and optionally a precisely fitting molded body is possible.
  • Another task is to create a wear-resistant and, if necessary, a precise fit Shaped body based on a metastable solidified iron-carbon casting material to provide.
  • the term "decarburizing atmosphere” means any environment understood, which is suitable, the content of excreted graphite in the Reduce surface boundary layer. Decarburization can therefore be carried out in a Gas atmosphere or be made in plasma.
  • a surface edge layer is located under the Surface of the molded body layer which extends from the surface of the Extending the molded body viewed into the interior of the molded body, understood.
  • the depth of the Surface edge layer is a length dimension perpendicular to the surface.
  • the decarburizing atmosphere can be formed by the gases forming the annealing atmosphere, such as oxygen, water vapor, H 2 , CO, CO 2 , etc., or mixtures thereof.
  • the decarburizing atmosphere can also consist of CO / CO 2 and N 2 .
  • further diluting gases can be contained in the decarburizing atmosphere.
  • an atmosphere composed of CO / H 2 / N 2 NH 3 is particularly preferred.
  • Heating cast parts in a decarburizing atmosphere causes one Decarburization of the edge of the cast workpiece, which is clearly visible in a fracture or micrograph.
  • the extent of decarburization in the surface layer of the casting i.e. if he Carbon content lowered or equal to zero depends on the external applied Conditions (duration, temperature, type of atmosphere, carbon level in the Atmosphere, etc.).
  • the depth of this surface edge layer, based on the Surface also depends on the conditions under which the Decarburization reaction is carried out.
  • Cooling the shaped body is both slow in the sense of the invention Cooling as well as rapid cooling (the so-called quenching) of the molded body Roger that. With slow cooling, there is no martensitic hardening of the shaped body. Quenching the molded body, i.e. a rapid cooling of the Shaped body is preferred when carrying out the method according to the invention.
  • a heat treatment is performed by tempering the molded body understood the molded body. It is not absolutely necessary to start the molded body.
  • the molded body may not be tempered if it is not a martensitic hardening has occurred, for example with a slow one Cooling of the molded body can be the case.
  • any nitrogen-releasing medium is any medium understood that is suitable for the in the nitriding or nitriding or nitriding Release surface nitrogen required. The released nitrogen then diffuses into the surface boundary layer to form the corresponding Nitride compounds.
  • nitriding or nitriding or embroidery are of their meaning in the sense equivalent to the invention.
  • nitriding is used below or nitriding used.
  • the nitration can be gas nitriding, for example by adding ammonia gas to the Surface of the molded body can dissociate, take place. It is also possible to nitrate in Form of a glow nitriding or ion nitriding or plasma nitriding in which nitriding with nitrogen takes place under the influence of a glow discharge. Of course the nitriding can also be carried out in a salt bath (for example using Alkali cyanates, carbonates or cyanides) are carried out.
  • a salt bath for example using Alkali cyanates, carbonates or cyanides
  • the nitration is preferably carried out in a gas atmosphere or in Plasma.
  • step (c) is the inventive Method between step (c) and step (d) is another step in which a Machining of the shaped body is provided.
  • the method according to the invention allows the machining of the Shaped body before nitriding.
  • This is a mechanical post-processing of the Cast blank possible, in which, for example, the cast skin is removed from the cast blank a form turning or other post-processing can be carried out.
  • the processing of the cast blanks is made of solidified metastable Iron-carbon casting material only possible after the carbide decay annealing has been carried out.
  • step (a) decarburization and carbide decay annealing take place together during step (a).
  • the method according to the invention thus extremely advantageously permits a mechanical one Post-processing of piston ring blanks, for example, before carrying out the Surface hardening, i.e. nitriding the surface layer. Due to the deep decarburization of the surface layer has the inventive Final product, i.e. for example the piston ring after finishing and nitriding no free graphite on the surface, but a completely nitrided one Surface edge layer without graphite deposits.
  • the method according to the invention therefore allows the provision of extremely high quality high-quality nitrided moldings made of metastable solidified iron-carbon casting material, those with regard to the post-processing options with regard to their Geometric dimensions can be adjusted precisely.
  • the post-processing options with regard to their Geometric dimensions can be adjusted precisely.
  • the method according to the invention can be extremely wear-resistant and precisely fitting molded body made of metastable solidified iron-carbon casting material to be provided.
  • the metastably solidified iron-carbon casting material Malleable iron is.
  • Malleable iron is preferred as the metastable solidified iron-carbon casting material used, which is adjusted with regard to the carbon content so that it is graphite-free stiffens. All the carbon is there, in contrast to the cast iron with lamellar and Spheroidal graphite, in bound form as iron carbide. The fracture is therefore not gray, but white because of the lack of black graphite.
  • the malleable cast iron When the malleable cast iron is heated in the decarburizing atmosphere, the malleable cast iron becomes the carbon is removed from the surface of the molded body, i.e. on the one hand there is the partial or complete decarburization of the surface layer and on the other hand the carbon remaining in the core of the molding as iron carbide (cementite) Malleable coal converted (carbide decay annealing).
  • iron carbide cementite
  • Malleable coal converted carbide decay annealing
  • a steel-like material is therefore extremely advantageously present in the surface edge layer.
  • the depth of the decarburized surface layer corresponds to the layer into which the nitrogen can diffuse in the nitriding step (d) to be bound as nitride.
  • the graphite-free area after the mechanical processing of the Shaped body corresponds approximately to the nitride layer thickness, so that the decarburization time is not too long to be let.
  • the carbon content in the surface edge layer increases from the edge or Surface to the core of the molded body continuously. It is with a view mechanical post-processing advantageous if the carbon content in the outer Surface edge layer is at least about 0.15 wt .-%. In accordance with this Temperatures preferably used according to the invention result in a content of about 1.5 % By weight of carbon in the shaped body does not lead to graphite precipitation. With others Words range from about 0.15 wt% to about 1.5 wt% carbon the carbon is chemically bound in the surface edge layer in carbide form.
  • Malleable iron may contain additives in the form of other metals or Metal compounds, which are suitable as so-called nitride formers, during the Nitriding step in the malleable cast iron to bind diffusing nitrogen as nitride.
  • This can be, for example, the metals Al, Ti, V, Nb, Cr, Mo or W. But it can also other metals or generally other additives may be contained in the malleable cast iron.
  • the shaped body in step (a) has a temperature which is in a Range is from about 700 ° C to about 1200 ° C. It is further preferred if the Temperature in a range from about 800 ° C to about 1100 ° C, especially in one Range is from about 900 ° C to about 1080 ° C. It is very preferred if the temperature of the shaped body in step (a) is approximately 1050 ° C.
  • step (a) Temperatures in step (a) are extremely beneficial to both the carbide decay annealing and the defined decarburization of the surface edge layer also takes place at the same time. It will assumed that at the temperatures according to the invention the Carbide decay annealing the diffusion speed of the elements is large and the Decarburization of the surface layer takes place very quickly. The conditions will be there set so that decarburization is faster than graphite excretion, so none Voids are created in the surface edge layer.
  • the carbon content in the Surface step is significantly lower after performing step (a) and it cuts to a depth of 1.5 mm, based on the surface of the molded body, no graphite.
  • the shaped body in step (a) is preferably in the decarburizing atmosphere for about Heated for 2 to about 15 hours.
  • the heating is more preferably carried out for about 3.5 to about 12 Hours, and more preferably for about 4 to about 8 hours.
  • the duration of the heating depends on the desired depth and / or on the Extent of decarburization selected in the surface layer. Furthermore, it depends time to be set also from the molded body. With a very solid molded body with a large cross-section, a longer period of time should be estimated, since it takes longer until the entire molded body the temperature to be set after its introduction into the Has heating atmosphere. For moldings with a small cross section such as For example, with piston rings, very good decarburization occurs after one Heating for about 4 hours. However, it is readily possible for a person skilled in the art to obtain one suitable time depending on the temperature applied and in the Find surface surface layer to be decarburized molded body.
  • step (a) initially for about 2 to about 12 hours a temperature ranging from about 1000 ° C to about 1100 ° C has, and subsequently for about 0.5 to about 3 hours a temperature that in one Range is from about 850 ° C to about 1000 ° C.
  • the temperature of the molded body is first in step (a) for about 2 to about 12 hours at about 1050 ° C and then for about 0.5 to about 3 hours is about 900 ° C to about 950 ° C, especially about 920 ° C.
  • the time period in which the molded body before cooling (step (b)) on the slightly lower temperature of about 850 ° C to 1000 ° C has a Period of time from about 0.75 hours to about 1.5 hours and in particular a period of proven for about 1 hour in the sense of the invention.
  • this length of time depends on how already Executed above, also from the cross section of the optionally solid molded body. On solid molded body with a larger cross section is compared to a solid Shaped body of smaller cross section, held longer at the somewhat lower heating temperature must be so that the desired cooling of the molded body to the somewhat lower Temperature can take place.
  • step (a) Has carbon levels of about 0.15 vol .-%. Of course, others can Carbon levels can be adjusted in the decarburizing atmosphere.
  • the decarburizing atmosphere For setting a defined carbon content in the surface edge layer of the Shaped body, it is advantageous if the decarburizing atmosphere a certain Has carbon levels. This prevents a complete decarburization of the Surface edge layer occurs. A residual carbon content in the surface layer is advantageous because it facilitates the mechanical processing of the molded part.
  • the carbon level of the decarburizing atmosphere is adjusted, for example, by setting a constant carbon level with the gases building up the decarburizing atmosphere.
  • the decarburizing atmosphere can consist of CO, H 2 and N 2 , for example.
  • the carbon content of the surface edge layer lies in when the molded body is heated a decarburizing atmosphere with a carbon level of 0.15 vol .-% and in Depending on the time and the applied temperature at about 0.15 wt .-% to about 1.5% by weight.
  • the residual carbon is in the surface layer in the form of Carbide before.
  • the shaped body in step (b) is cooled.
  • a quenching agent is used to quench the molded body.
  • quenching of the shaped body after step (a) is not mandatory required. Any commonly used can be used as a deterrent Quenching agents such as air, water, oil, a salt bath, a fluidized bed, etc. be used.
  • the molded body is preferably quenched, and Oil is preferably used as a deterrent.
  • the molded body has a temperature of approximately 400 ° C to about 650 ° C. It is even more preferred if the molded body is a Temperature of 450 ° C to 600 ° C, most preferably a temperature of 550 ° C.
  • the tempering of the shaped body in the temperature range indicated above serves ensuring the hardness of remuneration. However, tempering the molded body is not absolutely necessary.
  • the shaped body can be started, for example, if the shaped body after step (a) is not quenched, but by slow cooling was cooled.
  • the shaped body (step (c)) is preferably tempered for a period of approximately 0.25 to about 2.5 hours, more preferably for a period of about 0.5 to about 2 Hours, most preferably for a period of about 1 hour.
  • Tempering time from the cross section of the possibly solid molded body. A massive one Molded articles with a larger cross section naturally require a longer tempering period than a solid molded body with a smaller cross section, so that the molded body as a whole and not only has the temperature to be set in the surface area.
  • the molded body has a temperature of step (d) from about 350 ° C to about 650 ° C, preferably from about 400 ° C to about 600 ° C, most preferably from about 500 ° C. So that the properties of the molded body, such as the Strength and elasticity of piston rings, not too strong in the core area during nitriding be changed, it is advantageous if the nitriding temperature is not higher than that Tempering temperature.
  • the depth or the thickness of the nitriding layer is essentially determined by the the temperature applied to nitriding. The thickness of the nitriding layer increases nitriding carried out at a higher temperature.
  • step (d) the heating of the shaped body in the nitrogen-releasing medium for a period of about 2 to about 10 hours, preferred from 3 to 8 hours, more preferably from 4 to 6 hours.
  • the composition of the iron-carbon casting material at least partially contains the above-mentioned nitride formers as alloy components.
  • the decarburized edge layer or the surface edge layer of the molded body is with regard to the alloy components that may be present and those that no longer exist precipitated graphite can be nitrided very well.
  • the alloy components then clog up the corresponding metal nitrides of the added metals and form in the shaped body a very wear-resistant surface edge layer.
  • the further object of the present invention is achieved by the provision of a Molded article produced by the process according to the invention.
  • the molded body according to the invention can be made to fit and has a hardened Surface or a hardened surface edge layer.
  • the according to the invention Now possible precise manufacture of the molded body leads to a larger Manufacturing yield.
  • the proportion of the according to conventional methods produced surface-hardened cast iron moldings not usable Committee significantly reduced.
  • the molded body according to the invention is distinguished through a simple and inexpensive manufacturing process. Overall, therefore, with the Providing the shaped body according to the invention is a great economic advantage connected.
  • the molded body is extremely advantageous in that extends from the surface of the molded body the molded surface-extending surface edge layer graphite-free and at least partially nitrided.
  • This graphite-free surface edge layer preferably has after the step (a) a surface depth of at least up to about 500 mm. That is, after the treatment of the shaped body in the decarburizing atmosphere and before one Any processing of the molded body that is carried out has the graphite-free one Surface edge layer to a depth of at least up to about 500 mm.
  • the molded article produced by the method according to the invention has the following Post-processing a surface edge layer with a depth, based on the surface, from at least about 20 to about 500 mm in which there is no precipitated graphite is present.
  • This information relates to the end product. In this respect it is clear that, if none Post-processing of the molded body is required, in which part of the regularly Surface edge layer is removed by the machining process, the Surface edge layer without graphite precipitation a greater depth, i.e. up to 1.5 mm, based on the surface.
  • the molded body is in a surface edge layer in one the surface-related depth of at least up to about 20 mm is nitrided.
  • Nitriding hardness depth of at least up to 50 mm or at least up to 100 mm reached become.
  • the surface edge layer is called the nitriding hardness depth understood, in which the nitrogen diffuses during the nitration and with the Casting material to nitrides.
  • the shaped body is a piston ring.
  • the inventive method can be easily and inexpensively fit piston rings Manufacture from iron-carbon casting material with a uniform nitriding depth.
  • the metastable solidified iron-carbon cast material can be produced according to the Surface hardening according to the method according to the invention can be used anywhere there, where special surface layer properties with regard to excellent wear, Corrosion and fatigue behavior are important. This is for example, for spur gears for gears, gears, crankshafts and camshafts, Cylinder liners, etc. required.
  • the molded parts explicitly mentioned here are only to understand as an exemplary list.
  • a cast iron material was used with the one in Table 1 specified composition under metastable solidification in a corresponding form shed.
  • the piston ring blank obtained had a diameter of 84.4 mm and a ring thickness of 6.7 mm.
  • the piston ring blank was produced using the sand casting process, the piston ring blank having the composition given in Table 1 (residual iron content). % C % Si % Mn % P % S % Cr % V % Mon % Ni % Cu 3.0 2.0 0.6 0.05 0.03 0.5 0.2 0.02 0.1 0.1
  • the piston ring blank obtained was heated for 8 hours at 1050 ° C. and in a decarburizing atmosphere with a carbon level of 0.15% by volume in a gas furnace.
  • the decarburizing atmosphere had the following composition: 22% by volume of CO, 42% by volume of H 2 and 36% by volume of N 2 .
  • the Temperature dropped to 920 ° C over 30 minutes and then for one kept at a temperature of 920 ° C for another hour.
  • the piston ring blank was then quenched by transferring the piston ring blank into an oil bath and to about Was cooled to 60 ° C.
  • the piston ring blank quenched in an oil bath, was used to ensure the hardness of the temper annealed at 550 ° C for one hour. After starting the piston ring blank on the Air cooled. After the piston ring blank is completely at ambient temperature cooled, it was mechanically reworked by turning the mold. Approx. Removed 800 mm from the surface layer. The surface of the so obtained After the post-processing, the piston ring was free of graphite.
  • the piston ring was then subjected to pulse plasma nitriding for surface hardening.
  • the pulse plasma nitriding was carried out at a temperature of about 500 ° C. for six hours using a gas mixture of N 2 , H 2 and CH 4 .
  • the piston rings were stacked on top of one another so that nitriding only took place on the running surfaces and on the inside diameters.
  • the piston rings produced by the method according to the invention had one graphite-free surface edge layer with a depth, based on the surface, of at least 50 mm and a nitriding depth, i.e. a nitrided surface layer, of at least 50 mm.
  • a nitriding depth i.e. a nitrided surface layer, of at least 50 mm.
  • graphite in the form of tempered coal.

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Abstract

Process for surface hardening a molded body made of metastable iron-carbon cast material comprises: (a) heating the molded body in a decarburizing atmosphere, (b) cooling the molded body and (c) heating the body in a nitrogen-releasing medium.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Formkörpern aus metastabil erstarrtem Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoff sowie die durch dieses Verfahren hergestellte Formkörper als auch deren Verwendung.The present invention relates to a method for surface hardening of shaped bodies made of metastable solidified iron-carbon casting material and by this process produced molded bodies and their use.

Die Oberflächenhärtung von Formkörpern aus erstarrtem Eisen-Kohlenstoff-Gußmaterial - wie beispielsweise von Kolbenringen, Ventilstößeln, Berührungsflächen von Zahnflanken bei Zahnrädern, etc. - ist im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit dieser Formteile von enormer wirtschaftlicher Bedeutung. Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Steigerung der Verschleißfestigkeit von derartigen Formkörpern bekannt. Beispielsweise können als Verschleißschutzschichten galvanisch abgeschiedene Hartchromschichten und flammgespritzte Molybdänschichten verwendet werden. Diese Verfahren sind jedoch aufwendig und kostenintensiv.The surface hardening of moldings made of solidified iron-carbon casting material - such as piston rings, valve lifters, contact surfaces of tooth flanks Gears, etc. - is enormous in terms of the wear resistance of these molded parts economic importance. Various methods of increasing are in the prior art the wear resistance of such moldings is known. For example, as Wear protection layers electroplated hard chrome layers and flame-sprayed molybdenum layers can be used. However, these procedures are complex and cost-intensive.

Es hat sich nun gezeigt, daß nitrocarburierte Formkörper aus Gußeisen wie beispielsweise Kolbenringe zur Verwendung in Otto- oder Dieselmotoren hinsichtlich der Verschleißfestigkeit gleich oder besser als mit einer Verschleißschutzschicht aus Hartchrom versehene Formkörper zu sein scheinen. Im Hinblick auf die Brandspursicherheit scheinen nitrocarburierte Formkörper vergleichbar mit Formkörpern, die mit einer Verschleißschutzschicht aus Molybdän versehen sind, zu sein.It has now been shown that nitrocarburized molded articles made of cast iron such as Piston rings for use in gasoline or diesel engines with regard to Wear resistance equal to or better than with a wear protection layer made of hard chrome provided shaped bodies seem to be. In terms of fireproof security seem nitrocarburized shaped bodies comparable to shaped bodies with a Wear protection layer made of molybdenum.

Aus der DE 34 07 010 C2 ist es bekannt, Gußteile aus gehärtetem, metastabilem Gußeisen mit einem zumindest teilweise martensitartigen Gefüge, das Graphitausscheidungen enthält und das in einem sich von einer Oberfläche in den Körper hinein erstreckenden äußeren Volumenbereich nitriert ist, bereitzustellen. Dabei ist der äußere Volumenbereich mit Ausnahme von feindispersen Graphitausscheidungen im wesentlichen graphitfrei. From DE 34 07 010 C2 it is known to use castings made of hardened, metastable cast iron an at least partially martensitic structure containing graphite precipitates and that in an outer extending from a surface into the body Volume range is nitrided. The outer volume area is included Exception of finely dispersed graphite precipitates, essentially graphite-free.

Gemäß der in der DE 34 07 010 C2 offenbarten technischen Lehre muß das Nitrieren des Körpers vor dem Härten durch Wärmebehandlung des Gußeisens erfolgen. Das Durchführen der Nitrierung des Körpers vor der Wärmebehandlung führt zu einer Unterdrückung einer nicht feindispersen Graphitausscheidung in dem Körper, die bei der Wärmebehandlung des Körpers ohne vorherige Nitrierung zwangsläufig eintritt.According to the technical teaching disclosed in DE 34 07 010 C2, the nitriding of the Body before hardening by heat treatment of the cast iron. The performing nitriding the body before heat treatment leads to suppression of one non-finely dispersed graphite excretion in the body, which occurs during the heat treatment of the Inevitably occurs without prior nitration.

Äußerst nachteilig an dem gemäß der DE 34 07 010 C2 bereitgestellten Körper ist, daß der nitrierte Volumenbereich, also die Oberflächenrandschicht des Körpers, in der es zur Nitridbildung gekommen ist, eine sehr geringe Tiefe, bezogen auf die Oberfläche, aufweist. Bei der Nitrierung diffundiert der Stickstoff von der Oberfläche des Körpers in das metastabil erstarrte Gußeisen ein und bildet zusammen mit Eisencarbiden oder Eisenmischcarbiden Eisencarbonitride. Diese Eisencarbonitride weisen, verglichen mit den Eisencarbiden bzw. Eisenmischcarbiden, eine wesentlich bessere thermische Beständigkeit auf.The extremely disadvantage of the body provided according to DE 34 07 010 C2 is that the nitrided volume area, i.e. the surface edge layer of the body in which it is used Nitride formation has a very shallow depth, based on the surface. During nitriding, the nitrogen diffuses from the surface of the body into the metastable solidified cast iron and forms together with iron carbides or mixed iron carbides Iron carbonitrides. These iron carbonitrides have, compared to the iron carbides or Mixed iron carbides, a much better thermal resistance.

Nach der Nitrierung muß der erhaltene harte und spröde Gußrohling, damit das Gußmaterial bearbeitbar ist, einer Carbidzerfallsglühung unterworfen werden. Die Graphitausscheidung wird im Hinblick auf die vorstehend erwähnte größere thermische Beständigkeit der Eisencarbonitride dabei in der Oberflächenrandschicht, in der die Eisencarbonitride vorliegen, verhindert.After nitriding, the hard and brittle casting blank obtained must be used for the casting material is workable, be subjected to a carbide decay annealing. The graphite excretion is considered in view of the greater thermal resistance mentioned above Iron carbonitrides in the surface edge layer in which the iron carbonitrides are present prevented.

Eine nach Durchführung der Nitrierung und Carbidzerfallsglühung gegebenenfalls vorzunehmende mechanische Nachbearbeitung des erhaltenen nitrierten Gußrohlings ist praktisch nicht möglich, da dadurch die nitridhaltige Oberflächenrandschicht teilweise oder vollständig wieder abgetragen wird. Die Dicke der nitrierten Oberflächenrandschicht beträgt maximal 100 mm. Bei der mechanischen Nachbearbeitung des nitrierten Gußrohling kommt demzufolge der innere, nicht nitrierte Kernbereich des Körpers, der infolge der Carbidzerfallsglühung ausgeschiedenen Graphit aufweist, wieder an die Oberfläche des Körpers. One after the nitriding and carbide decay annealing, if necessary mechanical post-processing of the obtained nitrided cast blank is practically not possible, as this partially or is completely removed again. The thickness of the nitrided surface layer is maximum 100 mm. During the mechanical post-processing of the nitrided casting blank comes consequently the inner, non-nitrided core area of the body, which is due to the Carbide decay has excreted graphite back to the surface of the Body.

Da Gußteile jedoch regelmäßig große Toleranzen aufweisen, ist eine mechanische Nachbearbeitung des Gußrohlings jedenfalls dann notwendig, wenn das Endprodukt eine hohe Paßgenauigkeit aufweisen muß. Insofern können nach dem Verfahren gemäß der DE 34 07 010 C2 keine paßgenauen mit einer durchgängigen Verschleißschutzschicht versehenen Formkörper hergestellt werden. Dies ist äußerst nachteilig.However, since castings regularly have large tolerances, it is a mechanical one Post-processing of the cast blank is necessary if the end product is high Must have a perfect fit. In this respect, the method according to DE 34 07 010 C2 no precise fit with a continuous wear protection layer Moldings are produced. This is extremely disadvantageous.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu Herstellung eines verschleißfesten Formkörpers auf Basis eines metastabil erstarrten Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoffes, bereitzustellen, wobei die Herstellung verschleißfester und gegebenenfalls paßgenauer Formkörper möglich ist.The object of the present invention is to provide a method for producing a wear-resistant molded body based on a metastable solidified iron-carbon casting material, To provide, the production more wear-resistant and optionally a precisely fitting molded body is possible.

Eine weitere Aufgabe ist es, einen verschleißfesten und gegebenenfalls paßgenauen Formkörper auf Basis eines metastabil erstarrten Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoffes bereitzustellen.Another task is to create a wear-resistant and, if necessary, a precise fit Shaped body based on a metastable solidified iron-carbon casting material to provide.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellung eines Verfahrens zur Oberflächenhärtung eines Formkörpers aus metastabil erstarrtem Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoff, wobei das Verfahren wenigsten die Schritte umfaßt:

  • (a) ein Erhitzen des Formkörpers in einer entkohlenden Atmosphäre;
  • (b) ein Abkühlen des Formkörpers;
  • (c) gegebenenfalls ein Anlassen des Formkörpers; und
  • (d) ein Erhitzen des Formkörpers in einem stickstoffabgebenden Medium.
    • The object of the invention is achieved by providing a method for the surface hardening of a shaped body made of metastably solidified iron-carbon casting material, the method comprising at least the following steps:
  • (a) heating the molded body in a decarburizing atmosphere;
  • (b) cooling the molded body;
  • (c) optionally tempering the molded body; and
  • (d) heating the molded body in a nitrogen-donating medium.

    • Unter dem Begriff "entkohlende Atmosphäre" wird im Sinne der Erfindung jede Umgebung verstanden, die geeignet ist, den Gehalt an ausgeschiedenem Graphit in der Oberflächenrandschicht zu verringern. Die Entkohlung kann daher beispielsweise in einer Gasatmosphäre oder im Plasma vorgenommen werden.For the purposes of the invention, the term "decarburizing atmosphere" means any environment understood, which is suitable, the content of excreted graphite in the Reduce surface boundary layer. Decarburization can therefore be carried out in a Gas atmosphere or be made in plasma.

    Unter einer Oberflächenrandschicht wird im Sinne der Erfindung die sich unter der Oberfläche des Formkörpers befindliche Schicht, die sich von der Oberfläche des Formkörpers aus betrachtet in das Innere des Formkörpers erstreckt, verstanden. Die Tiefe der Oberflächenrandschicht ist dabei ein senkrecht zur Oberfläche stehendes Längenmaß.For the purposes of the invention, a surface edge layer is located under the Surface of the molded body layer which extends from the surface of the Extending the molded body viewed into the interior of the molded body, understood. The depth of the Surface edge layer is a length dimension perpendicular to the surface.

    Beispielsweise kann die entkohlende Atmosphäre durch die die Glühatmosphäre bildenden Gase wie Sauerstoff, Wasserdampf, H2, CO, CO2, etc., oder Gemischen daraus gebildet sein. Die entkohlende Atmosphäre kann aber auch aus CO/CO2 und N2 bestehen. Es können selbstverständlich weitere verdünnende Gase in der entkohlenden Atmosphäre enthalten sein. Besonders bevorzugt wird im Sinne der Erfindung eine Atmosphäre aus CO/H2/N2NH3.For example, the decarburizing atmosphere can be formed by the gases forming the annealing atmosphere, such as oxygen, water vapor, H 2 , CO, CO 2 , etc., or mixtures thereof. The decarburizing atmosphere can also consist of CO / CO 2 and N 2 . Of course, further diluting gases can be contained in the decarburizing atmosphere. For the purposes of the invention, an atmosphere composed of CO / H 2 / N 2 NH 3 is particularly preferred.

    Ein Erhitzen von Gußwerkstücken in einer entkohlenden Atmosphäre bewirkt eine Randentkohlung des Gußwerkstückes, die in einem Bruch- oder Schliffbild gut sichtbar ist. Das Ausmaß der Entkohlung in der Randschicht des Gußwerkstückes, d.h. ob der Kohlenstoffgehalt erniedrigt oder gleich Null ist, hängt von den angelegten äußeren Bedingungen (Zeitdauer, Temperatur, Art der Atmosphäre, Kohlenstoffpegel in der Atmosphäre, etc.) ab. Auch die Tiefe dieser Oberflächenrandschicht, bezogen auf die Oberfläche, hängt auch von den jeweils angelegten Bedingungen ab, unter denen die Entkohlungsreaktion durchgeführt wird.Heating cast parts in a decarburizing atmosphere causes one Decarburization of the edge of the cast workpiece, which is clearly visible in a fracture or micrograph. The extent of decarburization in the surface layer of the casting, i.e. if he Carbon content lowered or equal to zero depends on the external applied Conditions (duration, temperature, type of atmosphere, carbon level in the Atmosphere, etc.). The depth of this surface edge layer, based on the Surface also depends on the conditions under which the Decarburization reaction is carried out.

    Unter einem Abkühlen des Formkörpers wird im Sinne der Erfindung sowohl ein langsames Abkühlen als auch ein rasch erfolgendes Abkühlen (das sog. Abschrecken) des Formkörpers verstanden. Bei einem langsamen Abkühlen kommt es nicht zu einer martensitischen Härtung des Formkörpers. Ein Abschrecken des Formkörpers, d.h. ein rasch erfolgendes Abkühlen des Formkörpers wird bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt.Cooling the shaped body is both slow in the sense of the invention Cooling as well as rapid cooling (the so-called quenching) of the molded body Roger that. With slow cooling, there is no martensitic hardening of the shaped body. Quenching the molded body, i.e. a rapid cooling of the Shaped body is preferred when carrying out the method according to the invention.

    Unter einem Anlassen des Formkörpers wird im Sinne der Erfindung eine Wärmebehandlung des Formkörpers verstanden. Ein Anlassen des Formkörpers ist nicht unbedingt erforderlich. Beispielsweise kann von einem Anlassen des Formkörpers abgesehen werden, wenn es nicht zu einer martensitischen Härtung gekommen ist, was beispielsweise bei einer langsamen Abkühlung des Formkörpers der Fall sein kann. In the sense of the invention, a heat treatment is performed by tempering the molded body understood the molded body. It is not absolutely necessary to start the molded body. For example, the molded body may not be tempered if it is not a martensitic hardening has occurred, for example with a slow one Cooling of the molded body can be the case.

    Unter einem stickstoffabgebenden Medium wird im Sinne der Erfindung jedes Medium verstanden, das geeignet ist, den für bei der Nitrierung bzw. Nitridierung oder Aufstickung der Oberflächenrandschicht erforderlichen Stickstoff freizusetzen. Der freigesetzte Stickstoff diffundiert dann in die Oberflächenrandschicht unter Bildung der entsprechenden Nitridverbindungen.For the purposes of the invention, any nitrogen-releasing medium is any medium understood that is suitable for the in the nitriding or nitriding or nitriding Release surface nitrogen required. The released nitrogen then diffuses into the surface boundary layer to form the corresponding Nitride compounds.

    Die Begriffe Nitrieren bzw. Nitridieren oder Aufsticken sind von ihrem Sinngehalt im Sinne der Erfindung gleichwertig. Der Einfachheit halber wird im weiteren der Begriff Nitrieren bzw. Nitrierung verwendet.The terms nitriding or nitriding or embroidery are of their meaning in the sense equivalent to the invention. For the sake of simplicity, the term nitriding is used below or nitriding used.

    Die Nitrierung kann dabei als Gasnitrierung, indem man beispielsweise Ammoniakgas an der Oberfläche des Formkörpers dissoziieren läßt, erfolgen. Auch ist es möglich die Nitrierung in Form einer Glimm-Nitrierung bzw. Ionitrierung oder Plasmanitrierung durchzuführen, bei der die Nitrierung mit Stickstoff unter Einfluß einer Glimmentladung erfolgt. Selbstverständlich kann die Nitrierung auch in einem Salzbad (beispielsweise unter Verwendung von Alkalicyanaten, -carbonaten oder -cyaniden) vorgenommen werden.The nitration can be gas nitriding, for example by adding ammonia gas to the Surface of the molded body can dissociate, take place. It is also possible to nitrate in Form of a glow nitriding or ion nitriding or plasma nitriding in which nitriding with nitrogen takes place under the influence of a glow discharge. Of course the nitriding can also be carried out in a salt bath (for example using Alkali cyanates, carbonates or cyanides) are carried out.

    Bevorzugt im Sinne der Erfindung erfolgt die Nitrierung in einer Gasatmosphäre oder im Plasma.For the purposes of the invention, the nitration is preferably carried out in a gas atmosphere or in Plasma.

    In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwischen dem Schritt (c) und dem Schritt (d) ein weiterer Schritt, bei dem eine Bearbeitung des Formkörpers erfolgt, vorgesehen.In a preferred embodiment of the invention is the inventive Method between step (c) and step (d) is another step in which a Machining of the shaped body is provided.

    Äußerst vorteilhaft erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine Bearbeitung des Formkörpers vor der Nitrierung. Damit ist eine mechanische Nachbearbeitung des Gußrohlings möglich, bei der beispielsweise von dem Gußrohling die Gußhaut entfernt werden kann, ein Formdrehen oder weitere Nachbearbeitungen durchgeführt werden können.The method according to the invention allows the machining of the Shaped body before nitriding. This is a mechanical post-processing of the Cast blank possible, in which, for example, the cast skin is removed from the cast blank a form turning or other post-processing can be carried out.

    Wie bereits oben erwähnt, ist die Bearbeitung der Gußrohlinge aus metastabil erstarrtem Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoff erst nach Durchführung der Karbidzerfallsglühung möglich. As already mentioned above, the processing of the cast blanks is made of solidified metastable Iron-carbon casting material only possible after the carbide decay annealing has been carried out.

    Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren finden die Entkohlung und die Karbidzerfallsglühung gemeinsam während des Schrittes (a) statt.In the method according to the invention, decarburization and carbide decay annealing take place together during step (a).

    Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit äußerst vorteilhaft eine mechanische Nachbearbeitung von beispielsweise Kolbenringrohlingen vor der Durchführung der Oberflächenhärtung, d.h. der Nitrierung der Oberflächenrandschicht. Aufgrund der tiefgehenden Entkohlung der Oberflächenrandschicht weist das erfindungsgemäße Endprodukt, d.h. beispielsweise der Kolbenring nach der Nachbearbeitung und der Nitrierung an der Oberfläche keinen freien Graphit auf, sondern eine durchgängig nitrierte Oberflächenrandschicht ohne Graphitausscheidungen.The method according to the invention thus extremely advantageously permits a mechanical one Post-processing of piston ring blanks, for example, before carrying out the Surface hardening, i.e. nitriding the surface layer. Due to the deep decarburization of the surface layer has the inventive Final product, i.e. for example the piston ring after finishing and nitriding no free graphite on the surface, but a completely nitrided one Surface edge layer without graphite deposits.

    Das erfindungemäße Verfahren erlaubt demzufolge die Bereitstellung von qualitativ äußerst hochwertigen nitrierten Formkörpern aus metastabil erstarrtem Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoff, die im Hinblick auf die Nachbearbeitungsmöglichkeit hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen paßgenau eingestellt werden können. Insofern können äußerst verschleißfeste und paßgenaue Formkörper aus metastabil erstarrtem Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoff bereitgestellt werden.The method according to the invention therefore allows the provision of extremely high quality high-quality nitrided moldings made of metastable solidified iron-carbon casting material, those with regard to the post-processing options with regard to their Geometric dimensions can be adjusted precisely. In this respect can be extremely wear-resistant and precisely fitting molded body made of metastable solidified iron-carbon casting material to be provided.

    Weiterhin ist bevorzugt, daß der metastabil erstarrte Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoff Temperguß ist.It is further preferred that the metastably solidified iron-carbon casting material Malleable iron is.

    Vorzugsweise wird als metastabil erstarrter Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoff Temperguß verwendet, der hinsichtlich des Kohlenstoffgehaltes so eingestellt ist, daß er graphitfrei erstarrt. Der gesamte Kohlenstoff liegt dabei, im Gegensatz zum Gußeisen mit Lamellen- und Kugelgraphit, in gebundener Form als Eisencarbid vor. Das Bruchgefüge ist folglich nicht grau, sondern wegen des fehlenden schwarzen Graphits weiß.Malleable iron is preferred as the metastable solidified iron-carbon casting material used, which is adjusted with regard to the carbon content so that it is graphite-free stiffens. All the carbon is there, in contrast to the cast iron with lamellar and Spheroidal graphite, in bound form as iron carbide. The fracture is therefore not gray, but white because of the lack of black graphite.

    Dieser im Ausgangszustand aufgrund seiner hohen Härte und Sprödigkeit nicht verwendbare Guß wird erhitzt, damit das Eisencarbid zerfällt und Graphit in Form von Temperkohle ausgeschieden wird. Durch diese thermische Behandlung erhält der Formkörper seine für die weitere Bearbeitung vorteilhaften Eigenschaften im Hinblick auf Zähigkeit und Schmiedeeigenschaften, die sich bei der weiteren Bearbeitung des gegossenen Formkörpers als vorteilhaft erweisen.This cannot be used in the initial state due to its high hardness and brittleness Cast iron is heated so that the iron carbide disintegrates and graphite in the form of tempered coal is eliminated. This thermal treatment gives the molded body its own shape further processing advantageous properties in terms of toughness and Forging properties that arise during the further processing of the cast molded body prove to be advantageous.

    Bei der Erhitzung des Tempergußes in der entkohlenden Atmosphäre wird dem Temperguß der Kohlenstoff an der Oberfläche des Formkörpers entzogen, d.h. es erfolgt zum einen die teilweise oder vollständige Entkohlung der Oberflächenrandschicht und zum anderen wird der im Kern des Formkörpers verbleibende als Eisencarbid (Zementit) gebundene Kohlenstoff in Temperkohle umgewandelt (Carbidzerfallsglühung).When the malleable cast iron is heated in the decarburizing atmosphere, the malleable cast iron becomes the carbon is removed from the surface of the molded body, i.e. on the one hand there is the partial or complete decarburization of the surface layer and on the other hand the carbon remaining in the core of the molding as iron carbide (cementite) Malleable coal converted (carbide decay annealing).

    In der Oberflächenrandschicht liegt somit äußerst vorteilhaft ein stahlähnlicher Werkstoff vor. Die Tiefe der entkohlten Oberflächenrandschicht entspricht der Schicht, in die der Stickstoff bei dem Nitrierschritt (d) eindiffundieren kann, um als Nitrid gebunden zu werden.A steel-like material is therefore extremely advantageously present in the surface edge layer. The depth of the decarburized surface layer corresponds to the layer into which the nitrogen can diffuse in the nitriding step (d) to be bound as nitride.

    Es ist vorteilhaft, wenn der graphitfreie Bereich nach der mechanischen Bearbeitung des Formkörpers in etwa der Nitrierschichtdicke entspricht, um die Entkohlungszeit nicht zu lang werden zu lassen.It is advantageous if the graphite-free area after the mechanical processing of the Shaped body corresponds approximately to the nitride layer thickness, so that the decarburization time is not too long to be let.

    In der Regel steigt der Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenrandschicht vom Rand bzw. der Oberfläche zum Kern des Formkörpers kontinuierlich an. Dabei ist es im Hinblick auf eine mechanische Nachbearbeitung vorteilhaft, wenn der Kohlenstoffgehalt in der äußeren Oberflächenrandschicht wenigstens etwa 0,15 Gew.-% beträgt. Bei den gemäß dieser Erfindung bevorzugt verwendeten Temperaturen kommt es bis zu einem Gehalt von etwa 1,5 Gew.-% Kohlenstoff in dem Formkörper nicht zu einer Graphitausscheidung. Mit anderen Worten, in einem Bereich von etwa 0,15 Gew.-% bis zu etwa 1,5 Gew.-% Kohlenstoff liegt der Kohlenstoff in der Oberflächenrandschicht in Carbidform chemisch gebunden vor.As a rule, the carbon content in the surface edge layer increases from the edge or Surface to the core of the molded body continuously. It is with a view mechanical post-processing advantageous if the carbon content in the outer Surface edge layer is at least about 0.15 wt .-%. In accordance with this Temperatures preferably used according to the invention result in a content of about 1.5 % By weight of carbon in the shaped body does not lead to graphite precipitation. With others Words range from about 0.15 wt% to about 1.5 wt% carbon the carbon is chemically bound in the surface edge layer in carbide form.

    Des weiteren kann der gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt zu verwendende Temperguß gegebenenfalls Zusätze enthalten in Form von weiteren Metallen oder Metallverbindungen, die als sogenannte Nitridbildner geeignet sind, den während der Nitrierungsstufe in den Temperguß eindiffundierenden Stickstoff als Nitrid zu binden. Dieses können beispielsweise die Metalle Al, Ti, V, Nb, Cr, Mo oder W sein. Es können aber auch andere Metalle bzw. allgemein weitere Zusätze in dem Temperguß enthalten sein.Furthermore, the one to be preferably used according to the present invention Malleable iron may contain additives in the form of other metals or Metal compounds, which are suitable as so-called nitride formers, during the Nitriding step in the malleable cast iron to bind diffusing nitrogen as nitride. This can be, for example, the metals Al, Ti, V, Nb, Cr, Mo or W. But it can also other metals or generally other additives may be contained in the malleable cast iron.

    Vorteilhaft ist es, wenn der Formkörper bei dem Schritt (a) eine Temperatur, die in einem Bereich von etwa 700°C bis etwa 1200°C liegt, aufweist. Weiter bevorzugt ist es, wenn die Temperatur in einem Bereich von etwa 800°C bis etwa 1100°C, insbesondere in einem Bereich von etwa 900°C bis etwa 1080°C liegt. Sehr bevorzugt ist es, wenn die Temperatur des Formkörpers bei dem Schritt (a) bei etwa 1050°C liegt.It is advantageous if the shaped body in step (a) has a temperature which is in a Range is from about 700 ° C to about 1200 ° C. It is further preferred if the Temperature in a range from about 800 ° C to about 1100 ° C, especially in one Range is from about 900 ° C to about 1080 ° C. It is very preferred if the temperature of the shaped body in step (a) is approximately 1050 ° C.

    Es hat sich gezeigt, daß bei den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angelegten Temperaturen bei dem Schritt (a) äußerst vorteilhaft sowohl die Carbidzerfallsglühung als auch die definierte Entkohlung der Oberflächenrandschicht zugleich erfolgt. Es wird angenommen, daß bei den erfindungsgemäß angelegten Temperaturen der Carbidzerfallsglühung die Diffusionsgeschwindigkeit der Elemente groß ist und die Entkohlung der Oberflächenrandschicht sehr schnell abläuft. Die Bedingungen werden dabei so eingestellt, daß die Entkohlung schneller als die Graphitausscheidung abläuft, damit keine Hohlräume in der Oberflächenrandschicht entstehen. Der Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenrandschicht ist nach Durchführung des Schrittes (a) deutlich geringer und es scheidet sich bis zu einer Tiefe von 1,5 mm, bezogen auf die Oberfläche des Formkörpers, kein Graphit aus.It has been shown that in the case of the process according to the invention Temperatures in step (a) are extremely beneficial to both the carbide decay annealing and the defined decarburization of the surface edge layer also takes place at the same time. It will assumed that at the temperatures according to the invention the Carbide decay annealing the diffusion speed of the elements is large and the Decarburization of the surface layer takes place very quickly. The conditions will be there set so that decarburization is faster than graphite excretion, so none Voids are created in the surface edge layer. The carbon content in the Surface step is significantly lower after performing step (a) and it cuts to a depth of 1.5 mm, based on the surface of the molded body, no graphite.

    Geringfügige Anteile von Eisencarbid in der entkohlten Oberflächenrandschicht von weniger als 5 %, bezogen auf den Anteil von Eisencarbiden vor der Randentkohlung, verhindern vorteilhaft das Kornwachstum bei der angelegten Temperatur.Minor amounts of iron carbide in the decarburized surface layer of less prevent than 5%, based on the proportion of iron carbides before decarburization advantageous grain growth at the applied temperature.

    Bevorzugt wird der Formkörper bei dem Schritt (a) in der entkohlenden Atmosphäre für etwa 2 bis etwa 15 Stunden erhitzt. Weiter bevorzugt erfolgt die Erhitzung für etwa 3,5 bis etwa 12 Stunden und besonders bevorzugt für etwa 4 bis etwa 8 Stunden.The shaped body in step (a) is preferably in the decarburizing atmosphere for about Heated for 2 to about 15 hours. The heating is more preferably carried out for about 3.5 to about 12 Hours, and more preferably for about 4 to about 8 hours.

    Die Dauer der Erhitzung wird in Abhängigkeit von der gewünschten Tiefe und/oder von dem Ausmaß der Entkohlung in der Oberflächenrandschicht ausgewählt. Des weiteren hängt die einzustellende Zeitdauer auch von dem Formkörper ab. Bei einem sehr massiven Formkörper mit einem großen Querschnitt ist eine größere Zeitdauer zu veranschlagen, da es länger dauert, bis der gesamte Formkörper die einzustellende Temperatur nach dessen Einbringung in die Heizatmosphäre aufweist. Bei Formkörpern mit einem geringen Querschnitt wie beispielsweise bei Kolbenringen tritt eine sehr gute Randentkohlung schon nach einer Erhitzung für etwa 4 Stunden ein. Für den Fachmann ist es aber ohne weiteres möglich, eine geeignete Zeitdauer in Abhängigkeit von der angelegten Temperatur und dem in der Oberflächenrandschicht zu entkohlenden Formkörper aufzufinden.The duration of the heating depends on the desired depth and / or on the Extent of decarburization selected in the surface layer. Furthermore, it depends time to be set also from the molded body. With a very solid molded body with a large cross-section, a longer period of time should be estimated, since it takes longer until the entire molded body the temperature to be set after its introduction into the Has heating atmosphere. For moldings with a small cross section such as For example, with piston rings, very good decarburization occurs after one Heating for about 4 hours. However, it is readily possible for a person skilled in the art to obtain one suitable time depending on the temperature applied and in the Find surface surface layer to be decarburized molded body.

    Besonders bevorzugt ist es, wenn der Formkörper bei dem Schritt (a) zunächst für etwa 2 bis etwa 12 Stunden eine Temperatur, die in einem Bereich von etwa 1000°C bis etwa 1100°C liegt, aufweist und nachfolgend für etwa 0,5 bis etwa 3 Stunden eine Temperatur, die in einem Bereich von etwa 850°C bis etwa 1000°C liegt, aufweist.It is particularly preferred if the shaped body in step (a) initially for about 2 to about 12 hours a temperature ranging from about 1000 ° C to about 1100 ° C has, and subsequently for about 0.5 to about 3 hours a temperature that in one Range is from about 850 ° C to about 1000 ° C.

    Weiter bevorzugt ist es, wenn die Temperatur des Formkörpers bei dem Schritt (a) zunächst für etwa 2 bis etwa 12 Stunden etwa 1050°C und nachfolgend für etwa 0,5 bis etwa 3 Stunden etwa 900°C bis etwa 950°C, insbesondere etwa 920°C beträgt.It is further preferred if the temperature of the molded body is first in step (a) for about 2 to about 12 hours at about 1050 ° C and then for about 0.5 to about 3 hours is about 900 ° C to about 950 ° C, especially about 920 ° C.

    Im Hinblick auf die Zeitdauer, bei der der Formkörper vor dem Abkühlen (Schritt (b)) auf der etwas geringeren Temperatur von etwa 850°C bis 1000°C gehalten wird, hat sich eine Zeitdauer von etwa 0,75 Stunden bis etwa 1,5 Stunden und insbesondere eine Zeitdauer von etwa 1 Stunde im Sinne der Erfindung bewährt. Jedoch hängt diese Zeitdauer, wie bereits oben ausgeführt, auch von dem Querschnitt des gegebenenfalls massiven Formkörpers ab. Ein massiver Formkörper mit größerem Querschnitt wird, verglichen mit einem massiven Formkörper geringeren Querschnitts, länger bei der etwas geringeren Heiztemperatur gehalten werden müssen, damit die gewünschte Abkühlung des Formkörpers auf die etwas geringere Temperatur erfolgen kann.With regard to the time period in which the molded body before cooling (step (b)) on the slightly lower temperature of about 850 ° C to 1000 ° C, has a Period of time from about 0.75 hours to about 1.5 hours and in particular a period of proven for about 1 hour in the sense of the invention. However, this length of time depends on how already Executed above, also from the cross section of the optionally solid molded body. On solid molded body with a larger cross section is compared to a solid Shaped body of smaller cross section, held longer at the somewhat lower heating temperature must be so that the desired cooling of the molded body to the somewhat lower Temperature can take place.

    Vorteilhaft ist es, wenn bei dem Schritt (a) die entkohlende Atmosphäre einen Kohlenstoffpegel von etwa 0,15 Vol.-% aufweist. Selbstverständlich können aber auch andere Kohlenstoffpegel in der entkohlenden Atmosphäre eingestellt werden. It is advantageous if the decarburizing atmosphere unites in step (a) Has carbon levels of about 0.15 vol .-%. Of course, others can Carbon levels can be adjusted in the decarburizing atmosphere.

    Zur Einstellung eines definierten Kohlenstoffgehaltes in der Oberflächenrandschicht des Formkörpers ist es von Vorteil, wenn die entkohlende Atmosphäre einen gewissen Kohlenstoffpegel aufweist. Somit wird vermieden, daß eine vollständige Entkohlung der Oberflächenrandschicht eintritt. Ein Restgehalt an Kohlenstoff in der Oberflächenrandschicht ist insofern von Vorteil, weil dieser die mechanische Bearbeitung des Formteils erleichtert.For setting a defined carbon content in the surface edge layer of the Shaped body, it is advantageous if the decarburizing atmosphere a certain Has carbon levels. This prevents a complete decarburization of the Surface edge layer occurs. A residual carbon content in the surface layer is advantageous because it facilitates the mechanical processing of the molded part.

    Der Kohlenstoffpegel der entkohlenden Atmosphäre wird beispielsweise dadurch eingestellt, indem man einen konstanten Kohlenstoffpegel mit den die entkohlende Atmosphäre aufbauenden Gasen einstellt. Die entkohlende Atmosphäre kann beispielsweise aus CO, H2 und N2 bestehen.The carbon level of the decarburizing atmosphere is adjusted, for example, by setting a constant carbon level with the gases building up the decarburizing atmosphere. The decarburizing atmosphere can consist of CO, H 2 and N 2 , for example.

    Der Kohlenstoffgehalt der Oberflächenrandschicht liegt bei Erhitzung des Formkörpers in einer entkohlenden Atmosphäre mit einem Kohlenstoffpegel von 0,15 Vol.-% und in Abhängigkeit von der Zeitdauer und der angelegten Temperatur bei etwa 0,15 Gew.-% bis etwa 1,5 Gew.-%. Der Restkohlenstoff liegt dabei in der Oberflächenrandschicht in Form von Carbid vor.The carbon content of the surface edge layer lies in when the molded body is heated a decarburizing atmosphere with a carbon level of 0.15 vol .-% and in Depending on the time and the applied temperature at about 0.15 wt .-% to about 1.5% by weight. The residual carbon is in the surface layer in the form of Carbide before.

    Es wird weiterhin bevorzugt, daß der Formkörper bei dem Schritt (b) auf eine Temperatur von etwa 30°C bis etwa 80°C abgekühlt wird. Bei einem raschen Abkühlen, d.h. bei einem Abschrecken des Formkörpers wird jedenfalls ein Abschreckmittel verwendet. Jedoch ist im Sinne der Erfindung ein Abschrecken des Formkörpers nach dem Schritt (a) nicht zwingend erforderlich. Als Abschreckmittel kann dabei jedes üblicherweise verwendetes Abschreckmittel wie beispielsweise Luft, Wasser, Öl, ein Salzbad, ein Sandwirbelbett, etc. verwendet werden. Im Sinne der Erfindung wird der Formkörper bevorzugt abgeschreckt, und als Abschreckmittel wird bevorzugt Öl verwendet.It is further preferred that the shaped body in step (b) to a temperature of about 30 ° C to about 80 ° C is cooled. With rapid cooling, i.e. at a In any case, a quenching agent is used to quench the molded body. However, in According to the invention, quenching of the shaped body after step (a) is not mandatory required. Any commonly used can be used as a deterrent Quenching agents such as air, water, oil, a salt bath, a fluidized bed, etc. be used. In the sense of the invention, the molded body is preferably quenched, and Oil is preferably used as a deterrent.

    Ferner ist es vorteilhaft, wenn bei dem Schritt (c) der Formkörper eine Temperatur von etwa 400°C bis etwa 650°C aufweist. Noch bevorzugter ist es, wenn der Formkörper eine Temperatur von 450°C bis 600°C, am bevorzugtesten eine Temperatur von 550°C aufweist. It is also advantageous if, in step (c), the molded body has a temperature of approximately 400 ° C to about 650 ° C. It is even more preferred if the molded body is a Temperature of 450 ° C to 600 ° C, most preferably a temperature of 550 ° C.

    Das Anlassen des Formkörpers in dem vorstehend angegebenen Temperaturenbereich dient der Sicherstellung der Vergütungshärte. Das Anlassen des Formkörpers ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Ein Anlassen des Formkörpers kann beispielsweise dann erfolgen, wenn der Formkörper nach dem Schritt (a) nicht durch Abschrecken, sondern durch langsames Abkühlen abgekühlt wurde.The tempering of the shaped body in the temperature range indicated above serves ensuring the hardness of remuneration. However, tempering the molded body is not absolutely necessary. The shaped body can be started, for example, if the shaped body after step (a) is not quenched, but by slow cooling was cooled.

    Bevorzugt erfolgt das Anlassen des Formkörpers (Schritt (c)) für einen Zeitraum von etwa 0,25 bis etwa 2,5 Stunden, noch bevorzugter für einen Zeitraum von etwa 0,5 bis etwa 2 Stunden, am bevorzugtesten für einen Zeitraum von etwa 1 Stunde. Jedoch hängt auch die Anlaßdauer von dem Querschnitt des gegebenenfalls massiven Formkörpers ab. Eine massiver Formkörper mit größerem Querschnitt erfordert natürlicherweise eine längere Anlaßdauer als ein massiver Formkörper mit kleinerem Querschnitt, damit der Formkörper insgesamt und nicht nur im Oberflächenbereich die einzustellende Temperatur aufweist.The shaped body (step (c)) is preferably tempered for a period of approximately 0.25 to about 2.5 hours, more preferably for a period of about 0.5 to about 2 Hours, most preferably for a period of about 1 hour. However, that also depends Tempering time from the cross section of the possibly solid molded body. A massive one Molded articles with a larger cross section naturally require a longer tempering period than a solid molded body with a smaller cross section, so that the molded body as a whole and not only has the temperature to be set in the surface area.

    Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Formkörper bei dem Schritt (d) eine Temperatur von etwa 350°C bis etwa 650°, bevorzugt von etwa 400°C bis etwa 600°C, am bevorzugtesten von etwa 500°C, aufweist. Damit die Eigenschaften des Formkörpers, beispielsweise die Festigkeit und Elastizität von Kolbenringen, im Kernbereich beim Nitrieren nicht zu stark verändert werden, ist es vorteilhaft, wenn die Nitriertemperatur nicht höher liegt als die Anlaßtemperatur. Die Tiefe bzw. die Dicke der Nitrierschicht wird wesentlich durch die bei der Nitrierung angelegte Temperatur beeinflußt. Dabei nimmt die Dicke der Nitrierschicht bei einer bei einer höheren Temperatur durchgeführten Nitrierung zu.Furthermore, it is advantageous if the molded body has a temperature of step (d) from about 350 ° C to about 650 ° C, preferably from about 400 ° C to about 600 ° C, most preferably from about 500 ° C. So that the properties of the molded body, such as the Strength and elasticity of piston rings, not too strong in the core area during nitriding be changed, it is advantageous if the nitriding temperature is not higher than that Tempering temperature. The depth or the thickness of the nitriding layer is essentially determined by the the temperature applied to nitriding. The thickness of the nitriding layer increases nitriding carried out at a higher temperature.

    Sehr vorteilhaft ist es, wenn bei dem Schritt (d) das Erhitzen des Formkörpers in dem stickstoffabgebenden Medium für einen Zeitraum von etwa 2 bis etwa 10 Stunden, bevorzugt von 3 bis 8 Stunden, noch bevorzugter von 4 bis 6 Stunden erfolgt.It is very advantageous if, in step (d), the heating of the shaped body in the nitrogen-releasing medium for a period of about 2 to about 10 hours, preferred from 3 to 8 hours, more preferably from 4 to 6 hours.

    Sehr vorteilhaft ist es, wenn die Zusammensetzung des Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoffes wenigstens teilweise die oben genannten Nitridbildner als Legierungsbestandteile enthält. Die entkohlte Randschicht bzw. die Oberflächenrandschicht des Formkörpers ist im Hinblick auf die gegebenenfalls vorhandenen Legierungsbestandteile und des nicht mehr vorhandenen ausgeschiedenen Graphits sehr gut nitrierbar. Die Legierungsbestandteile setzen sich dann zu den entsprechenden Metallnitriden der zugesetzten Metalle um und bilden in dem Formkörper eine sehr verschleißfeste Oberflächenrandschicht.It is very advantageous if the composition of the iron-carbon casting material at least partially contains the above-mentioned nitride formers as alloy components. The decarburized edge layer or the surface edge layer of the molded body is with regard to the alloy components that may be present and those that no longer exist precipitated graphite can be nitrided very well. The alloy components then clog up the corresponding metal nitrides of the added metals and form in the shaped body a very wear-resistant surface edge layer.

    Die weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Bereitstellung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formkörpers gelöst.The further object of the present invention is achieved by the provision of a Molded article produced by the process according to the invention.

    Der erfindungsgemäße Formkörper kann paßgenau gefertigt werden und weist eine gehärtete Oberfläche bzw. eine gehärtete Oberflächenrandschicht auf. Die gemäß der Erfindung nunmehr mögliche paßgenaue Fertigung des Formkörpers führt zu einer größeren Fertigungsausbeute. Insofern wird der Anteil des bei nach herkömmlichen Verfahren hergestellten oberflächengehärteten Formkörpern aus Gußeisen nicht verwendbaren Ausschusses deutlich verringert. Zudem zeichnet sich der erfindungsgemäße Formkörper durch ein einfaches und preisgünstiges Herstellungsverfahren aus. Insgesamt ist daher mit der Bereitstellung des erfindungsgemäßen Formkörpers ein großer wirtschaftlicher Vorteil verbunden.The molded body according to the invention can be made to fit and has a hardened Surface or a hardened surface edge layer. The according to the invention Now possible precise manufacture of the molded body leads to a larger Manufacturing yield. In this respect, the proportion of the according to conventional methods produced surface-hardened cast iron moldings not usable Committee significantly reduced. In addition, the molded body according to the invention is distinguished through a simple and inexpensive manufacturing process. Overall, therefore, with the Providing the shaped body according to the invention is a great economic advantage connected.

    Äußerst vorteilhaft ist der Formkörper in einer sich von der Oberfläche des Formkörpers in den Formkörper hinein erstreckenden Oberflächenrandschicht graphitfrei und wenigstens teilweise nitriert. Bevorzugt weist diese graphitfreie Oberflächenrandschicht nach dem Schritt (a) eine auf die Oberfläche bezogene Tiefe von wenigstens bis zu etwa 500 mm auf. D.h., nach der Behandlung des Formkörpers in der entkohlenden Atmosphäre und vor einer gegebenenfalls erfolgenden Bearbeitung des Formkörpers weist die graphitfreie Oberflächenrandschicht eine Tiefe von wenigstens bis zu etwa 500 mm auf.The molded body is extremely advantageous in that extends from the surface of the molded body the molded surface-extending surface edge layer graphite-free and at least partially nitrided. This graphite-free surface edge layer preferably has after the step (a) a surface depth of at least up to about 500 mm. That is, after the treatment of the shaped body in the decarburizing atmosphere and before one Any processing of the molded body that is carried out has the graphite-free one Surface edge layer to a depth of at least up to about 500 mm.

    Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Formkörper weist nach der Nachbearbeitung eine Oberflächenrandschicht mit einer Tiefe, bezogen auf die Oberfläche, von wenigstens etwa 20 bis zu etwa 500 mm auf, in dem kein ausgeschiedener Graphit vorliegt. Diese Angaben beziehen sich auf das Endprodukt. Insofern ist klar, daß, sofern keine Nachbearbeitung des Formkörpers erforderlich ist, bei der regelmäßig ein Teil der Oberflächenrandschicht durch den Bearbeitungsvorgang abgetragen wird, die Oberflächenrandschicht ohne Graphitausscheidung eine größere Tiefe, d.h. bis zu 1,5 mm, bezogen auf die Oberfläche, aufweisen kann.The molded article produced by the method according to the invention has the following Post-processing a surface edge layer with a depth, based on the surface, from at least about 20 to about 500 mm in which there is no precipitated graphite is present. This information relates to the end product. In this respect it is clear that, if none Post-processing of the molded body is required, in which part of the regularly Surface edge layer is removed by the machining process, the Surface edge layer without graphite precipitation a greater depth, i.e. up to 1.5 mm, based on the surface.

    Äußerst bevorzugt ist es, wenn der Formkörper in einer Oberflächenrandschicht in einer auf die Oberfläche bezogenen Tiefe von wenigstens bis zu etwa 20 mm nitriert ist.It is extremely preferred if the molded body is in a surface edge layer in one the surface-related depth of at least up to about 20 mm is nitrided.

    Diese Angaben beziehen sich auf das nachbearbeitete Endprodukt. Es kann aber auch eine Nitrierhärtetiefe von wenigstens bis zu 50 mm bzw. von wenigstens bis zu 100 mm erreicht werden. Unter Nitrierhärtetiefe wird im Sinne der Erfindung die Oberflächenrandschicht verstanden, in die der Stickstoff während der Nitrierung eindiffundiert und sich mit dem Gußmaterial zu Nitriden umsetzt.This information relates to the reworked end product. But it can also be one Nitriding hardness depth of at least up to 50 mm or at least up to 100 mm reached become. For the purposes of the invention, the surface edge layer is called the nitriding hardness depth understood, in which the nitrogen diffuses during the nitration and with the Casting material to nitrides.

    Besonders bevorzugt ist es, wenn der Formkörper ein Kolbenring ist. Über das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich einfach und kostengünstig paßgenaue Kolbenringe aus Eisen-Kohlenstoff-Gußmaterial mit einer gleichmäßigen Nitrierhärtetiefe herstellen.It is particularly preferred if the shaped body is a piston ring. About the The inventive method can be easily and inexpensively fit piston rings Manufacture from iron-carbon casting material with a uniform nitriding depth.

    Weiterhin ist es bevorzugt, die erfindungsgemäßen Formkörper bei der Herstellung von Werkzeugen, Maschinen, Motoren und/oder Automobilteilen zu verwenden.It is further preferred to use the moldings according to the invention in the production of Use tools, machines, motors and / or automotive parts.

    Der Fachmann weiß, daß die erfindungsgemäßen Formkörper vielseitig verwendet werden können und nicht auf die hier dargestellten Beispiele beschränkt sind. Die aus metastabil erstarrtem Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoff hergestellten Formteile können nach der Oberflächenhärtung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren überall dort eingesetzt werden, wo besondere Randschichteneigenschaften im Hinblick auf ein hervorragendes Verschleiß-, Korrosions- und Dauerschwingfestigkeitsverhalten von Bedeutung sind. Dies ist beispielsweise bei Stirnrädern für Getriebe, Zahnrädern, Kurbel- und Nockenwellen, Zylinderlaufbuchsen, etc. erforderlich. Die hier explizit genannten Formteile sind jedoch nur als beispielhafte Aufzählung zu verstehen. The person skilled in the art knows that the moldings according to the invention are used in a variety of ways can and are not limited to the examples shown here. The metastable solidified iron-carbon cast material can be produced according to the Surface hardening according to the method according to the invention can be used anywhere there, where special surface layer properties with regard to excellent wear, Corrosion and fatigue behavior are important. This is for example, for spur gears for gears, gears, crankshafts and camshafts, Cylinder liners, etc. required. However, the molded parts explicitly mentioned here are only to understand as an exemplary list.

    Dem Fachmann ist klar, daß das erfindungsgemäße Verfahren überall dort Verwendung finden kann, wo bislang schon Gußteile eingesetzt werden bzw. dort, wo die Verwendung von Gußteilen im Hinblick auf die mangelhaften Oberflächenrandeigenschaften bislang ausschied.It is clear to the person skilled in the art that the method according to the invention is used everywhere there can find where castings have been used so far or where the use of Castings with regard to the poor surface edge properties so far excluded.

    Das im folgenden dargestellte Ausführungsbeispiel ist für den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränkend, sondern lediglich beispielhaft zu verstehen.The embodiment shown below is for the scope of the invention not restrictive, but to be understood only as an example.

    AusführungsbeispielEmbodiment Herstellung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oberflächengehärteten KolbenringsProduction of a piston ring surface-hardened by the method according to the invention

    Zur Herstellung eines Kolbenringrohlings wurde ein Gußeisenwerkstoff mit der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung unter metastabiler Erstarrung in einer entsprechenden Form vergossen. Der erhaltene Kolbenringrohling hatte dabei einen Durchmesser von 84,4 mm und eine Ringdicke von 6,7 mm.To produce a piston ring blank, a cast iron material was used with the one in Table 1 specified composition under metastable solidification in a corresponding form shed. The piston ring blank obtained had a diameter of 84.4 mm and a ring thickness of 6.7 mm.

    Der Kolbenringrohling wurde unter Verwendung des Sandguß-Verfahrens hergestellt, wobei der Kolbenringrohling die in Tabelle 1 angegebene Zusammensetzung aufwies (Restgehalt Eisen). %C %Si %Mn %P %S %Cr %V %Mo %Ni %Cu 3,0 2,0 0,6 0,05 0,03 0,5 0,2 0,02 0,1 0,1 The piston ring blank was produced using the sand casting process, the piston ring blank having the composition given in Table 1 (residual iron content). % C % Si % Mn % P % S % Cr % V % Mon % Ni % Cu 3.0 2.0 0.6 0.05 0.03 0.5 0.2 0.02 0.1 0.1

    Der erhaltene Kolbenringrohling wurde für 8 Stunden bei 1050°C und in einer entkohlenden Atmosphäre mit einem Kohlenstoffpegel von 0,15 Vol.-% in einem Gasofen erhitzt. Dabei hatte die entkohlende Atmosphäre folgende Zusammensetzung: 22 Vol.-% CO, 42 Vol.-% H2 und 36 Vol.-% N2.The piston ring blank obtained was heated for 8 hours at 1050 ° C. and in a decarburizing atmosphere with a carbon level of 0.15% by volume in a gas furnace. The decarburizing atmosphere had the following composition: 22% by volume of CO, 42% by volume of H 2 and 36% by volume of N 2 .

    Im Anschluß an die achtstündige Erhitzung des Kolbenringrohlings bei 1050°C wurde die Temperatur über einen Zeitraum von 30 Minuten auf 920°C abgesenkt und dann für eine weitere Stunde bei einer Temperatur von 920°C gehalten. Der Kolbenringrohling wurde daraufhin abgeschreckt, indem der Kolbenringrohling in ein Ölbad überführt und auf etwa 60°C abgekühlt wurde.Following the eight-hour heating of the piston ring blank at 1050 ° C., the Temperature dropped to 920 ° C over 30 minutes and then for one kept at a temperature of 920 ° C for another hour. The piston ring blank was then quenched by transferring the piston ring blank into an oil bath and to about Was cooled to 60 ° C.

    Zur Sicherung der Vergütungshärte wurde der im Ölbad abgeschreckte Kolbenringrohling für eine Stunde bei 550°C angelassen. Nach dem Anlassen wurde der Kolbenringrohling an der Luft abgekühlt. Nachdem der Kolbenringrohling vollständig auf Umgebungstemperatur abgekühlt war, wurde dieser durch Formdrehen mechanisch nachbearbeitet. Dabei wurden ca. 800 mm von der Oberflächenrandschicht abgetragen. Die Oberfläche des so erhaltenen Kolbenrings war nach der Nachbearbeitung graphitfrei.The piston ring blank, quenched in an oil bath, was used to ensure the hardness of the temper annealed at 550 ° C for one hour. After starting the piston ring blank on the Air cooled. After the piston ring blank is completely at ambient temperature cooled, it was mechanically reworked by turning the mold. Approx. Removed 800 mm from the surface layer. The surface of the so obtained After the post-processing, the piston ring was free of graphite.

    Anschließend wurde der Kolbenring zur Oberflächenhärtung einer Pulsplasmanitrierung unterworfen. Die Pulsplasmanitrierung wurde bei einer Temperatur von etwa 500°C für sechs Stunden unter Verwendung eines Gasgemisches aus N2, H2 und CH4 durchgeführt. Dabei wurden die Kolbenringe aufeinandergestapelt, so daß die Nitrierung lediglich an den Laufflächen und an den Innendurchmessern erfolgte.The piston ring was then subjected to pulse plasma nitriding for surface hardening. The pulse plasma nitriding was carried out at a temperature of about 500 ° C. for six hours using a gas mixture of N 2 , H 2 and CH 4 . The piston rings were stacked on top of one another so that nitriding only took place on the running surfaces and on the inside diameters.

    Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kolbenringe wiesen eine graphitfreie Oberflächenrandschicht mit einer Tiefe, bezogen auf die Oberfläche, von wenigstens 50 mm auf sowie eine Nitrierhärtetiefe, d.h. eine nitrierte Oberflächenrandschicht, von wenigstens 50 mm auf. Im Kern des Kolbenrings lag ausgeschiedener Graphit in Form von Temperkohle vor.The piston rings produced by the method according to the invention had one graphite-free surface edge layer with a depth, based on the surface, of at least 50 mm and a nitriding depth, i.e. a nitrided surface layer, of at least 50 mm. In the core of the piston ring there was graphite in the form of tempered coal.

    FigurenbeschreibungFigure description

    In Fig. 1 ist zur weiteren Veranschaulichung die Temperaturführung bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel in einem Temperatur-Zeit-Diagramm wiedergegeben. Fig. 1 gibt eine schematische Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte I bis V gemäß dem Ausführungsbeispiel wieder. Die Zahlenwerte in dem Diagramm sind dabei nicht maßstabsgerecht aufgetragen. In dem Diagramm ist auf der x-Achse die Zeit t und auf der y-Achse die Temperatur T aufgetragen.

  • I: Durchführung der Randentkohlung und Carbidzerfallsglühung Der Kolbenringrohling wurde für 8 Stunden bei 1050°C in einer Atmosphäre mit einem Kohlenstoffpegel von 0,15 Vol.-% erhitzt. Daraufhin wurde der Kolbenringrohling auf eine Temperatur von 920°C abgkühlt und bei dieser Temperatur für 1 Stunde gehalten.
  • II: Abschreckung Der Kolbenringrohling wurde in einem Ölbad von 920°C auf 60°C rasch abgekühlt.
  • III. Anlassen Zur Sicherung der Vergütungshärte wurde der Kolbenringrohling für 1 Stunde bei einer Temperatur von 550°C angelassen.
  • IV: Mechanische Bearbeitung Nachdem der Kolbenringrohling auf Umgebungstemperatur abgekühlt war, wurde dieser mechanisch durch Formdrehen nachgearbeitet.
  • V: Nitrierung Der nachbearbeitete Kolbenring wurde für 6 Stunden bei 500°C einer Pulsplasmanitrierung in einer Atmosphäre aus N2, H2 und CH4 unterworfen.
    • For further illustration, the temperature control in the above exemplary embodiment is shown in a temperature-time diagram in FIG. 1. 1 shows a schematic representation of the individual method steps I to V according to the exemplary embodiment. The numerical values in the diagram are not drawn to scale. In the diagram, the time t is plotted on the x-axis and the temperature T on the y-axis.
  • I: Execution of edge decarburization and carbide decay annealing The piston ring blank was heated for 8 hours at 1050 ° C. in an atmosphere with a carbon level of 0.15% by volume. The piston ring blank was then cooled to a temperature of 920 ° C. and held at this temperature for 1 hour.
  • II: Quenching The piston ring blank was rapidly cooled in an oil bath from 920 ° C to 60 ° C.
  • III. Tempering To ensure the hardness of the temper, the piston ring blank was tempered for 1 hour at 550 ° C.
  • IV: Mechanical processing After the piston ring blank had cooled to ambient temperature, it was reworked mechanically by turning it.
  • V: Nitriding The post-processed piston ring was subjected to pulse plasma nitriding in an atmosphere of N 2 , H 2 and CH 4 for 6 hours at 500 ° C.

    • Claims (19)

    Verfahren zur Oberflächenhärtung eines Formkörpers aus metastabil erstarrtem Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte umfaßt: (a) Erhitzen des Formkörpers in einer entkohlenden Atmosphäre; (b) Abkühlen des Formkörpers; (c) Erhitzen des Formkörpers in einem stickstoffabgebenden Medium. A process for the surface hardening of a shaped body made of metastable solidified iron-carbon casting material, characterized in that the process comprises the steps: (a) heating the molded body in a decarburizing atmosphere; (b) cooling the molded body; (c) heating the molded body in a nitrogen-donating medium. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schritt (b) und dem Schritt (c) ein weiterer Schritt (b1), bei dem ein Anlassen des Formkörpers erfolgt, vorgesehen ist.Method according to claim 1, characterized in that between step (b) and step (c) a further step (b1), in which the shaped body is tempered, is provided. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schritt (b1) und dem Schritt (c) ein weiterer Schritt, bei dem eine Bearbeitung des Formkörpers erfolgt, vorgesehen ist.Method according to claim 2, characterized in that between step (b1) and step (c) is a further step in which the shaped body is machined, is provided. Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der metastabil erstarrte Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoff Temperguß ist.Method according to claims 1 to 3, characterized in that the metastable solidifies Iron-carbon casting material is malleable cast iron. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper bei dem Schritt (a) eine Temperatur, die in einem Bereich von etwa 700°C bis etwa 1200°C liegt, aufweist.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the Shaped body in step (a) a temperature that is in a range of about 700 ° C to is about 1200 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper bei dem Schritt (a) in der entkohlenden Atmosphäre für etwa 2 bis etwa 15 Stunden erhitzt wird. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the Shaped body in step (a) in the decarburizing atmosphere for about 2 to about 15 Hours is heated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper bei dem Schritt (a) zunächst für etwa 2 bis etwa 12 Stunden eine Temperatur, die in einem Bereich von etwa 1000°C bis etwa 1100°C liegt, aufweist und nachfolgend für etwa 0,5 bis etwa 3 Stunden eine Temperatur, die in einem Bereich von etwa 850°C bis etwa 1000°C liegt, aufweist.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the Shaped body in step (a) initially for about 2 to about 12 hours a temperature that is in a range from about 1000 ° C to about 1100 ° C, and subsequently for about A temperature ranging from about 850 ° C to about 0.5 to about 3 hours 1000 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt (a) die entkohlende Atmosphäre einen Kohlenstoffpegel von etwa 0,15 Vol.-% aufweist.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the Step (a) the decarburizing atmosphere has a carbon level of about 0.15% by volume having. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper bei dem Schritt (b) auf eine Temperatur von etwa 30°C bis etwa 80°C abgekühlt wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the Molded body in step (b) cooled to a temperature of about 30 ° C to about 80 ° C. becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt (b1) der Formkörper eine Temperatur von etwa 400°C bis etwa 650°C aufweist.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the Step (b1) of the shaped body has a temperature of approximately 400 ° C. to approximately 650 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt (b1) das Anlassen des Formkörpers für einen Zeitraum von etwa 0,25 bis etwa 2,5 Stunden erfolgt.Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the Step (b1) tempering the molded body for a period from about 0.25 to about 2.5 Hours. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper bei dem Schritt (c) eine Temperatur von etwa 350°C bis etwa 650° aufweist.Method according to one of claims 1 to 11, characterized in that the Shaped body in step (c) has a temperature of about 350 ° C to about 650 °. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt (c) das Erhitzen des Formkörpers in dem stickstoffabgebenden Medium für einen Zeitraum von etwa 2 bis etwa 10 Stunden erfolgt.Method according to one of claims 1 to 12, characterized in that the Step (c) heating the shaped body in the nitrogen-donating medium for one Period of about 2 to about 10 hours. Formkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt ist. Shaped body, characterized in that the shaped body according to the method one of claims 1 to 13 is produced. Formkörper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper in einer sich von der Oberfläche des Formkörpers in den Formkörper hinein erstreckenden Oberflächenrandschicht graphitfrei und wenigstens teilweise nitriert ist.Shaped body according to claim 14, characterized in that the shaped body in a extending from the surface of the molded body into the molded body Surface layer is graphite free and at least partially nitrided. Formkörper nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die graphitfreie Oberflächenrandschicht nach dem Schritt (a) eine auf die Oberfläche bezogene Tiefe von wenigstens bis zu etwa 500 mm aufweist.Shaped body according to claim 14 or 15, characterized in that the graphite-free Surface boundary layer after step (a) a depth of has at least up to about 500 mm. Formkörper nach einem der Ansprüche 14 bis 16 , dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper in einer Oberflächenrandschicht in einer auf die Oberfläche bezogenen Tiefe von wenigstens bis zu etwa 20 mm nitriert ist.Shaped body according to one of claims 14 to 16, characterized in that the Shaped bodies in a surface edge layer at a depth of is nitrided at least up to about 20 mm. Formkörper nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper ein Kolbenring ist.Shaped body according to one of claims 14 to 17, characterized in that the Shaped body is a piston ring. Verwendung eines Formkörpers gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18 bei der Herstellung von Werkzeugen, Maschinen, Motoren und/oder Automobilteilen.Use of a shaped body according to one of claims 14 to 18 in the Manufacture of tools, machines, engines and / or automotive parts.
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