EP1333105B1 - Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke sowie wärmebehandeltes Werkstück - Google Patents

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EP1333105B1
EP1333105B1 EP02002530A EP02002530A EP1333105B1 EP 1333105 B1 EP1333105 B1 EP 1333105B1 EP 02002530 A EP02002530 A EP 02002530A EP 02002530 A EP02002530 A EP 02002530A EP 1333105 B1 EP1333105 B1 EP 1333105B1
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EP
European Patent Office
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phase
workpieces
temperature
during
cooling
Prior art date
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EP02002530A
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EP1333105A1 (de
Inventor
Bernd Edenhofer
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Ipsen International GmbH
Original Assignee
Ipsen International GmbH
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Publication date
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Priority to EP02002530A priority patent/EP1333105B1/de
Priority to DE50212014T priority patent/DE50212014D1/de
Priority to US10/328,555 priority patent/US7559995B2/en
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Priority to US11/339,032 priority patent/US20060119021A1/en
Priority to US11/339,033 priority patent/US20060118209A1/en
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0062Heat-treating apparatus with a cooling or quenching zone
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/34Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases more than one element being applied in more than one step
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B5/00Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated
    • F27B5/04Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated adapted for treating the charge in vacuum or special atmosphere
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B5/00Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated
    • F27B5/06Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types
    • F27B5/12Arrangement of devices for charging
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27B5/00Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated
    • F27B5/06Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types
    • F27B5/13Arrangement of devices for discharging

Definitions

  • the invention relates to a method for heat treatment of metallic workpieces, in particular for the combined carburizing, boriding and hardening of ferrous materials. It also relates to a workpiece heat-treated by the method.
  • thermochemical heat treatment For producing defined workpiece properties, such as high hardness or wear resistance, metallic workpieces are usually subjected to a thermochemical heat treatment.
  • the purpose of this heat treatment is to first carburize the surface layer of the workpieces, that is to enrich them with carbon, in order to give the workpieces a comparatively high degree of hardness by subsequent hardening due to the resulting changed material composition.
  • Heat treatment methods are also known in which the surface of the workpieces are coated with a layer which produces the required mechanical properties. For example, when boriding by in-diffusion of boron, a hard boride layer is produced on the surface of the workpieces, which leads to a high resistance to wear and corrosion of the workpieces.
  • the invention has for its object to provide a method for heat treatment of metallic workpieces, by means of which can be achieved in an efficient manner comparatively high strength, in particular time and fatigue strength, at the same time high wear resistance of the workpieces.
  • Such a method is based on the finding that the boration phase can be used to diffuse the enriched in the peripheral layer of the workpieces during the enrichment phase carbon in the interior of the workpieces.
  • Under carburization in the above-mentioned meaning is also a carbonitriding to understand, if in addition nitrogen is added to the gas atmosphere.
  • an efficient process procedure contributes to the fact that the temperature difference to be bridged during the first cooling phase immediately following the enrichment phase is generally low.
  • the second temperature required for boriding is not or only slightly lower than the first temperature necessary for the enrichment phase for most low-carbon iron materials, such as case steel C 15.
  • the second temperature may also be greater than the first temperature, so that the workpieces are not cool in this case but to heat.
  • the wear-resistant boride layer formed on the surface of the workpieces during the boration phase becomes more resilient by the final quenching of the workpieces. This is because the carburized and hardened structure of the workpieces present below the boride layer has a sufficiently high hardness of usually approximately 800 HV, which in this way forms a load-bearing substructure for the boride layer, which as a rule has a Vickers hardness of approximately 2,000. In contrast to, for example, a CVD method or PVD (Physical Vapor Deposition) method, the risk of the hard Boride layer peeling off under high dynamic loading is thus ruled out.
  • the process parameters dependent on the material properties of the workpieces to be treated can be taken from generally accessible databases, such as Calphad (Calculation of Phase Diagrams), for a specific material. Depending on the application, it may then be necessary to heat the workpieces to the second or third temperature during the first and / or second cooling phase
  • the workpieces during the heating phase it is advantageous to heat the workpieces during the heating phase to a suitable for carburizing or carbonitriding common iron materials suitable first temperature between 800 ° C and 1100 ° C. It is also advantageous to cool the workpieces during the first cooling phase to a second temperature between 800 ° C. and 950 ° C. in order to obtain a temperature which can be used for boriding the workpieces. It is also advantageous to cool the workpieces during the second cooling phase to a third temperature between 800 ° C. and 900 ° C. in order to achieve a hardening temperature corresponding to the respective material. Preferably, the workpieces are cooled to room temperature during the quenching phase so that they can be further processed immediately afterwards.
  • a particularly advantageous method procedure also results if the first time duration is between 60 minutes and 360 minutes and the second time duration is between 30 minutes and 360 minutes.
  • the first and second time periods are suitably chosen depending on the respective prevailing temperatures so that a boride layer with a thickness of 10 .mu.m to 100 .mu.m is formed and the marginal carbon content directly below the boride layer is between 0.6% by weight and 0.9% by weight of an insert depth between 0.2 mm and 2.0 mm.
  • a plasma ie a high-current glow discharge.
  • a plasma-activated process is associated with boriding, for example from H.-J. Hunger et al. in the article "Plasma-activated gas boronation with boron trifluoride", HTM 52 (1997) 1 , describe.
  • the support of a plasma usually takes place at reduced pressure and offers the advantage of a lower consumption of carbon or boron-donating agents compared to a purely thermal activation.
  • the gas atmosphere expediently contains boron trichloride (BCl 3 ) and / or boron trifluoride (BF 3 ) and / or diborane (B 2 H 6 ) during the boration phase.
  • boron trifluoride as boron donating agent has been found to be advantageous for plasma activated boriding.
  • boron with boron trifluoride does not undergo thermal activation, so that the boriding process is restricted to the workpieces located in the region of the cathode case, and boriding, for example, of the inner walls of a boriding chamber is avoided.
  • boron trifluoride is already gaseous at room temperature, so that an evaporator can be dispensed with in an economical manner.
  • the workpieces are quenched during the quenching phase at a third pressure, preferably a high pressure of more than 1013.25 mbar, in a reducing or neutral gas atmosphere or in a liquid quenching medium in order to ensure a sufficient cooling rate.
  • a third pressure preferably a high pressure of more than 1013.25 mbar
  • workpieces can then - as known from case hardening - be tempered at a temperature between 150 ° C and 200 ° C in a separate oven.
  • a particularly advantageous process control is also given when the workpieces of a low-carbon iron material, preferably a case hardening steel according to DIN 17 210, exist.
  • the inventive method is not limited to iron materials that already have a relatively high content of carbon initially, such as conventional tempering steels Ck 45, Ck 60 or 42 CrMo 4. Rather, it is possible in the process according to the invention, low-carbon ferrous materials, such as common Case steels Ck 10, C 15 or 20 MoCr 4 boron.
  • the enrichment phase upstream of the boration phase makes it possible to enrich the boundary layer of the workpieces with carbon which, after completion of the boration phase and thus the diffusion phase, leaves a carbon content in the boundary layer which is sufficient with respect to the required carburization.
  • both the first pressure and the second pressure are between 0.1 mbar and 30 mbar.
  • the pressure depends primarily on the prevailing temperature and the respective composition of the gas atmosphere.
  • the first pressure should be adjusted so that, on the one hand, a comparatively rapid carburizing of the surface layer of the workpieces is achieved and, on the other hand, a generally undesirable carbide or soot formation on the surface of the workpieces is avoided.
  • the first pressure and the second pressure need not be the same during the enrichment phase and the boration phase, nor necessarily constant. Instead, they can be selectively varied, for example pulsed, according to the desired treatment result.
  • a device which has at least one treatment chamber in which the heating phase, the enrichment phase, the first cooling phase, the boration phase, the second cooling phase and the quenching phase can be carried out one after the other.
  • such a device may be a single-chamber vacuum oven in which the above-described process steps are carried out successively and without transporting the batch.
  • a first preferred embodiment of such a device provides for two treatment chambers, the heating phase, the enrichment phase, the first cooling phase, the boration phase and the second cooling phase being carried out in the first treatment chamber and the quenching phase being carried out in the second treatment chamber.
  • a second preferred embodiment of such a device provides three treatment chambers, wherein in the first treatment chamber, the heating phase and the enrichment phase are carried out, wherein in the second treatment chamber, the first cooling phase, the boration phase and the second cooling phase are performed and in the third treatment chamber, the quenching phase is performed.
  • a third preferred embodiment of such a device provides four successive or parallel treatment chambers, wherein in the first treatment chamber, the heating phase is performed, wherein in the second chamber, the enrichment phase or the enrichment phase and the first cooling phase are performed, wherein in the third treatment chamber, the first Cooling phase, the boration phase and the second cooling phase or the boration phase and the second cooling phase are performed and wherein in the fourth treatment chamber, the quenching phase is performed.
  • a fourth preferred embodiment of such a device provides six treatment chambers arranged sequentially or in parallel, the first treatment chamber serving as a heating chamber for performing the heating phase, the second treatment chamber as an enrichment chamber for performing the enrichment phase, the third treatment chamber as a cooling chamber for performing the first cooling phase , the fourth treatment chamber as a boration chamber for performing the boration phase, the fifth treatment chamber as a cooling chamber for Performing the second cooling phase and the sixth treatment chamber are formed as a quenching chamber for performing the quenching phase.
  • the first treatment chamber serving as a heating chamber for performing the heating phase
  • the second treatment chamber as an enrichment chamber for performing the enrichment phase
  • the third treatment chamber as a cooling chamber for performing the first cooling phase
  • the fourth treatment chamber as a boration chamber for performing the boration phase
  • the fifth treatment chamber as a cooling chamber for Performing the second cooling phase and the sixth treatment chamber are formed as a quenching chamber for performing the quenching phase.
  • a workpiece which is made of a metallic material and heat-treated by the method according to the invention, the workpiece having an outer iron boride layer of 10 .mu.m to 100 .mu.m thickness and a case hardening layer underlying the iron boride layer having a hardness according to Vickers between 600 and 900 and a case depth between 0.2 mm and 2.0 mm, is provided.
  • Fig. 1 the diagram shown are on the abscissa the time t and on the ordinate the temperature ⁇ and the pressure p removed.
  • the basis of Fig. 1 illustrated heat treatment method is a duplex method in the aforementioned sense and is used for the combined carburizing, boriding and hardening of workpieces, which consist of a low-carbon iron material, such as C 15 insert steel, (material number 1.0401). The entire procedure can be subdivided into six phases A to F.
  • the heating phase A the workpieces to be treated are heated to a first temperature ⁇ 1 of about 1000 ° C.
  • the apparatus used for this purpose such as a heat treatment plant according to Fig. 5 is first evacuated after introduction of the workpieces and then heated to the temperature ⁇ 1 .
  • the workpieces may also be heated to the temperature ⁇ 1 in an inert or reducing gas atmosphere, such as nitrogen (N 2 ).
  • the workpieces After heating to the temperature ⁇ 1 , the workpieces are transported to a second treatment chamber, where they during the second phase immediately following the first phase, the enrichment phase B, for a first time period .DELTA.t 1 , depending on the required carburizing depth between 60 min and 360 min, are exposed to a hydrocarbon-containing gas atmosphere.
  • the height of the pressure p 1 prevailing during the enrichment phase B basically depends on the desired treatment result and the type of hydrocarbon used and in the present case is about 10 mbar.
  • the enrichment phase B may be plasma activated as needed.
  • the workpieces are conveyed to a third treatment chamber, where they are cooled from the temperature ⁇ 1 to a second temperature ⁇ 2 of about 900 ° C under vacuum during a first cooling phase C directly following the enrichment phase B ,
  • the workpieces in a mainly Nitrogen-containing and thus inert gas atmosphere are cooled to the temperature ⁇ 2 .
  • the workpieces are transported into a fourth treatment chamber and borated at a temperature ⁇ 2 and a second pressure p 2 of approximately 0.1 mbar for a second time period ⁇ t 2 in a gas atmosphere containing boron.
  • the carbon enriched in the peripheral layer of the workpieces during the enrichment phase B diffuses into the interior of the workpieces so that the boriding phase D simultaneously forms a diffusion phase for the carburization process.
  • the period of time ⁇ t 2 for this directly following the cooling phase C subsequent boration phase D is depending on the required treatment result between 30 min and 360 min.
  • the gas atmosphere during boronation phase D boron trichloride, boron trifluoride, diborane or more of the aforementioned substances. If necessary, the boration phase D can be plasma-activated. In this case, the use of boron trifluoride as boron donating agent is particularly suitable.
  • a second cooling phase E during which the workpieces are cooled in a fifth treatment chamber of the heat treatment plant from the temperature ⁇ 2 to a third temperature ⁇ 3 of about 800 ° C under vacuum or alternatively in an inert gas atmosphere .
  • the workpieces are held for about 15 minutes to 30 minutes at the third temperature ⁇ 3 , as in Fig. 1 can be seen.
  • the workpieces are quenched from the quenching temperature ⁇ 3 to a temperature of less than 150 ° C, for example room temperature.
  • the workpieces are transported for this purpose in a sixth treatment chamber and cooled at a high pressure p 3 of more than 1013.25 mbar in a reducing or neutral gas atmosphere.
  • the workpieces may also be quenched in a liquid quench medium.
  • FIG. 2 In the Fig. 2 to 6 different embodiments of a device are shown in which the method described above can be performed.
  • the device according to Fig. 2 is a single-chamber vacuum furnace 10, in which all process steps A to F are performed in one and the same treatment chamber 11.
  • the compiled to a batch 12 workpieces are quenched during the quenching phase F by gas.
  • FIG. 3 The device shown a two-chamber vacuum oven 20, which has a first treatment chamber 21 and a second treatment chamber 22. In the first treatment chamber 21, the process steps A to E are performed, whereas the second treatment chamber designed as a gas quenching chamber serves to quench the charge 12 during the quenching phase F. From the device according to Fig. 3 is different in Fig. 4 shown two-chamber vacuum oven 30 mainly characterized in that in a second treatment chamber 32 which is separated by a door 33 from the first treatment chamber 31, an oil bath 34 is provided in which the charge 12 is quenched during the quenching phase F.
  • the method steps A to E are analogous to the device according to Fig. 3 performed in the first treatment chamber 31.
  • a heat treatment plant 40 which is provided with six parallel treatment chambers 41 to 46.
  • the treatment chamber 41 serves as a flushing lock when the charge 12 enters the heat treatment system 40 and as a high pressure quenching chamber during the quenching phase F at the end of the treatment cycle.
  • the treatment chamber 42 is designed as a heating chamber, in which the charge 12 is heated to the first temperature ⁇ 1 during the heating phase A.
  • the charge 12 is carburized during the enrichment phase B.
  • the cooling of the charge 12 to the second temperature ⁇ 2 during the first cooling phase C takes place in the treatment chamber 44.
  • the boriding of the charge 12 during the boration phase D takes place in the treatment chamber 45, whereas for the cooling and equalization of the charge 12 to the third temperature ⁇ 3 during the second cooling phase E the treatment chamber 46 is provided.
  • a three-chamber vacuum oven 50 is in Fig. 6 to recognize.
  • the vacuum oven 50 has a rinsing lock 54, through which the charge 12 is introduced into the vacuum oven 50.
  • the treatment chamber 51 serves to heat to the first temperature ⁇ 1 during the heating phase A and to carburize the charge 12 during the enrichment phase B.
  • cooling to the second temperature ⁇ 2 during the first cooling phase C barks the charge 12 during the Bor michsphase D and the cooling and balancing of the charge 12 to the third temperature ⁇ 3 during the second cooling phase E instead.
  • the treatment chamber 53 is provided for a final gas quenching during the quenching phase F.
  • the workpieces treated by the method described above have an outer iron boride layer of 10 .mu.m to 100 .mu.m thickness and a case hardening layer below the iron boride layer having a Vickers hardness between 600 and 900 and a case hardening depth between 0.2 mm and 2.0 mm. They are characterized by a relatively high time and fatigue strength at the same time high wear resistance.
  • the reason for this is the combination of carburizing, boriding and hardening obtained by method steps A to F.
  • the directly sequential method steps A to F synergy effects, which take into account an efficient process management. Because the process can be carried out in a single cycle and in a single heat treatment plant without interruption, whereby significant economic advantages compared to the hitherto usual separate carburizing, cooling, boriding and curing are achieved.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zum kombinierten Aufkohlen, Borieren und Härten von Eisenwerkstoffen. Sie bezieht sich ferner auf ein durch das Verfahren wärmebehandeltes Werkstück.
  • Zum Erzeugen von definierten Werkstückeigenschaften, wie etwa einer hohen Härte oder Verschleißbeständigkeit, werden metallische Werkstücke üblicherweise einer thermochemischen Wärmebehandlung unterzogen. Das Ziel dieser Wärmebehandlung ist beispielsweise beim Einsatzhärten, die Randschicht der Werkstücke zunächst aufzukohlen, das heißt mit Kohlenstoff anzureichern, um aufgrund der sich daraus ergebenden veränderten Werkstoffzusammensetzung den Werkstücken durch ein anschließendes Härten eine verhältnismäßig hohe Härte zu verleihen. Bekannt sind ferner Wärmebehandlungsarten, bei denen die Oberfläche der Werkstücke mit einer die geforderten mechanischen Eigenschaften hervorrufenden Schicht überzogen werden. So werden beispielsweise beim Borieren durch Eindiffusion von Bor eine harte Boridschicht auf der Oberfläche der Werkstücke erzeugt, die zu einer hohen Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit der Werkstücke führt.
  • Eine Zusammenstellung der unterschiedlichsten Wärmebehandlungsarten findet sich zum Beispiel in DIN 8580. Im Stand der Technik sind außerdem Verfahren bekannt, welche einzelne Wärmebehandlungsarten miteinander kombinieren. Diese sogenannten Kombinations-, Hybrid- oder Duplex-Verfahren machen sich Synergieeffekte zu nutze, die bei einer Kombination der verschiedenen Wärmebehandlungsarten entstehen (vergleiche O. H. Kessler et al.: "Combinations of coating and heat treating processes: establishing a system for combined processes and examples", Surface and Coatings Technology 108 - 109 (1998) Seiten 211 bis 216; T. Bell et al.: "Realising the potential of duplex surface engineering", Tribology International Volume 31 Nummer 1 - 3 (1998) Seiten 127 bis 137). Auf diese Weise lassen sich den Werkstücken Eigenschaften verleihen, die durch die einzelnen Wärmebehandlungsarten allein nicht zu erreichen wären. Die Werkstücke können somit komplexen Beanspruchungen, die beispielsweise sowohl eine große Dauerfestigkeit als auch eine hohe Beständigkeit gegen Verschleiß und Korrosion erfordern, genügen.
  • Nicht jede beliebige Kombination verschiedener Wärmebehandlungsarten ruft allerdings ein synergistisches Resultat hervor, wie Bell et al. aufzeigen (a. a. O., Seite 128). Dagegen hat eine positive Wirkung in Hinsicht auf mit einer harten Oberfläche versehene Werkstücke zum Beispiel die Kombination von CVD (Chemical Vapor Deposition) und Abschreckhärten. Denn, wie Kessler et al. (a. a. O.) darlegen, verfügt die bei einem solchen Duplex-Verfahren durch den plasmaaktivierten Dampfabscheideprozeß erzeugte Oberflächenschicht über eine hohe Härte.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke zu schaffen, mittels dem sich auf effiziente Weise eine vergleichsweise große Festigkeit, insbesondere Zeit- und Dauerfestigkeit, bei zugleich hoher Verschleißbeständigkeit der Werkstücke erzielen läßt.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zum kombinierten Aufkohlen, Borieren und Härten von Eisenwerkstoffen, in Übereinstimmung mit Anspruch 1 folgende Verfahrensschritte auf:
    1. a) Erwärmen der Werkstücke auf eine erste Temperatur unter Vakuum oder in einer neutralen oder reduzierenden Gasatmosphäre während einer Aufheizphase;
    2. b) Aufkohlen der Werkstücke bei der am Ende der Aufheizphase erreichten ersten Temperatur und einem ersten Druck für eine erste Zeitdauer in einer Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Aufheizphase anschließenden Anreicherungsphase;
    3. c) Abkühlen der Werkstücke von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur unter Vakuum oder in einer hauptsächlich Stickstoff (N2) enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Anreicherungsphase anschließenden ersten Abkühlungsphase;
    4. d) Borieren der Werkstücke bei der am Ende der ersten Abkühlungsphase erreichten zweiten Temperatur und einem zweiten Druck für eine zweite Zeitdauer in einer Bor (B) enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die erste Abkühlungsphase anschließenden Borierungsphase;
    5. e) Abkühlen der Werkstücke von der zweiten Temperatur auf eine dritte Temperatur unter Vakuum oder in einer hauptsächlich Stickstoff (N2) enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Borierungsphase anschließenden zweiten Abkühlungsphase und
    6. f) Abschrecken der Werkstücke von der dritten Temperatur auf eine Temperatur unter 150 °C während einer sich an die zweite Abkühlungsphase anschließenden Abschreckphase.
  • Ein derartiges Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß die Borierungsphase genutzt werden kann, um den während der Anreicherungsphase in der Randschicht der Werkstücke angereicherten Kohlenstoff in das Innere der Werkstücke diffundieren zu lassen. Eine eigenständige Diffusionsphase zum Erzeugen des gewünschten Kohlenstoffgehalts in der Randschicht, wie sie beim herkömmlichen Aufkohlen üblich ist, wird folglich entbehrlich. Unter Aufkohlen im oben genannten Sinne ist auch ein Carbonitrieren zu verstehen, wenn zusätzlich Stickstoff der Gasatmosphäre beigegeben wird.
  • Zu einer effizienten Verfahrensführung trägt außerdem bei, daß die während der sich an die Anreicherungsphase unmittelbar anschließenden ersten Abkühlungsphase zu überbrückende Temperaturdifferenz im allgemeinen gering ist. Denn die zum Borieren erforderliche zweite Temperatur ist etwa für die meisten kohlenstoffarmen Eisenwerkstoffen, wie zum Beispiel Einsatzstahl C 15, nicht oder nur geringfügig geringer als die für die Anreicherungsphase notwendige erste Temperatur. Je nach Anwendungsfall kann die zweite Temperatur auch größer sein als die erste Temperatur, so daß die Werkstücke in diesem Fall nicht abzukühlen sondern zu erwärmen sind.
  • Das während der Anreicherungsphase und der als Diffusionsphase für den Kohlenstoff dienenden Borierungsphase erzeugte Kohlenstoffprofil in der Randschicht der Werkstücke führt zusammen mit dem abschließenden Abschrecken zu Druckeigenspannungen in der Randschicht der Werkstücke und damit zu einer Zeit- und Dauerfestigkeit, die verhältnismäßig hohen dynamischen Belastungen standhält. Darüber hinaus wird die während der Borierungsphase auf der Oberfläche der Werkstücke gebildete verschleißbeständige Boridschicht durch das abschließende Abschrecken der Werkstücke höher belastbar. Denn das unterhalb der Boridschicht vorhandene aufgekohlte und gehärtete Gefüge der Werkstücke besitzt eine ausreichend hohe Härte von üblicherweise ca. 800 HV, die auf diese Weise einen tragfähigen Unterbau für die in der Regel eine Härte nach Vickers von ca. 2000 aufweisende Boridschicht bildet. Im Unterschied zu etwa einem CVD-Verfahren oder PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) ist die Gefahr eines Abplatzens der harten Boridschicht bei hoher dynamischer Belastung somit ausgeschlossen.
  • Die erste Temperatur, auf welche die Werkstücke während der Aufheizphase erwärmt und bei der die Werkstücke während der Anreicherungsphase aufgekohlt oder carbonitriert werden, die zweite Temperatur, bei der die Werkstücke während der Borierungsphase ausgesetzt werden, die dritte Temperatur, von der aus die Werkstücke abgeschreckt werden, die Länge der ersten Zeitdauer, die Länge der zweiten Zeitdauer und die in der Anreicherungsphase und in der Borierungsphase jeweils zugeführten Mengen an Kohlenstoff und Bor spendenden Mitteln richten sich vor allem nach dem Werkstoff der zu behandelnden Werkstücke, der zum Erreichen des angestrebten Kohlenstoffgehalts in der Randschicht der Werkstücke erforderlichen spezifischen Zusammensetzung der Gasatmosphäre und dem angestrebten Behandlungserfolg, etwa der gewünschten Aufkohlungstiefe und Dicke der Boridschicht. Die von den Werkstoffeigenschaften der zu behandelnden Werkstücke abhängenden Prozeßparameter lassen sich für einen bestimmten Werkstoff aus allgemein zugänglichen Datenbanken, wie etwa Calphad (Calculation of Phase Diagrams), entnehmen. Je nach Anwendungsfall kann es danach erforderlich sein, die Werkstücke während der ersten und/oder zweiten Abkühlungsphase auf die zweite beziehungsweise dritte Temperatur zu erwärmen. Unter Abkühlen im oben genannten Sinne ist insofern auch ein Erwärmen zu verstehen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens stellen die Gegenstände der abhängigen Ansprüche dar.
  • So ist es von Vorteil, die Werkstücke während der Aufheizphase auf eine für das Aufkohlen oder Carbonitrieren gängiger Eisenwerkstoffe geeignete erste Temperatur zwischen 800 °C und 1100 °C zu erwärmen. Von Vorteil ist ferner, die Werkstücke während der ersten Abkühlungsphase auf eine zweite Temperatur zwischen 800 °C und 950 °C abzukühlen, um eine für das Borieren der Werkstücke verwendbare Temperatur zu erhalten. Vorteilhaft ist zudem, die Werkstücke während der zweiten Abkühlungsphase auf eine dritte Temperatur zwischen 800 °C und 900 °C abzukühlen, um eine dem jeweiligen Werkstoff entsprechende Härtetemperatur zu erreichen. Bevorzugt werden die Werkstücke während der Abschreckphase auf Raumtemperatur abgekühlt, so daß sie sich im Anschluß unverzüglich weiterverarbeiten lassen.
  • Eine besonders vorteilhafte Verfahrensführung ergibt sich außerdem dann, wenn die erste Zeitdauer zwischen 60 min und 360 min und die zweite Zeitdauer zwischen 30 min und 360 min betragen. Die erste und zweite Zeitdauer werden in Abhängigkeit von den jeweils herrschenden Temperaturen zweckmäßigerweise so gewählt, daß eine Boridschicht mit einer Dicke von 10 µm bis 100 µm entsteht und der Rand-Kohlenstoffgehalt direkt unter der Boridschicht zwischen 0,6 Gew.-% und 0,9 Gew.-% ein einer Einsatztiefe zwischen 0,2 mm und 2,0 mm beträgt.
  • Einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend findet während der Anreicherungsphase und/oder während der Borierungsphase eine Unterstützung durch ein Plasma, das heißt einer stromstarken Glimmentladung, statt. Ein solcher plasmaaktivierter Prozeß ist im Zusammenhang mit Borieren beispielsweise von H.-J. Hunger et al. in dem Aufsatz "Plasmaaktiviertes Gasborieren mit Bortrifluorid", HTM 52 (1997) 1, beschreiben. Die Unterstützung durch ein Plasma findet in der Regel bei Unterdruck statt und bietet im Vergleich zu einer rein thermischen Aktivierung den Vorteil eines geringeren Verbrauchs an Kohlenstoff beziehungsweise Bor spendenden Mitteln. Zweckmäßigerweise enthält die Gasatmosphäre während der Borierungsphase Bortrichlorid (BCl3) und/oder Bortrifluorid (BF3) und/oder Diboran (B2H6). Vor allem die Verwendung von Bortrifluorid als Bor spendendes Mittel hat sich für ein plasmaaktiviertes Borieren als vorteilhaft erwiesen. Denn zum einen unterbleibt beim Borieren mit Bortrifluorid eine thermische Aktivierung, so daß der Borierprozeß auf die im Bereich des Kathodenfalls befindlichen Werkstücke beschränkt ist und ein Borieren etwa der Innenwandungen einer Borierungskammer vermieden wird. Zum anderen ist Bortrifluorid schon bei Raumtemperatur gasförmig, so daß in ökonomischer Weise auf einen Verdampfer verzichtet werden kann.
  • Zweckmäßig ist weiterhin, wenn die Werkstücke während der Abschreckphase bei einem dritten Druck, vorzugsweise einem Hochdruck von mehr als 1.013,25 mbar, in einer reduzierenden oder neutralen Gasatmosphäre oder in einem flüssigen Abschreckmedium abgeschreckt werden, um eine ausreichende Abkühlgeschwindigkeit sicherzustellen. Die auf diese Weise gehärteten Werkstücke können anschließend - wie vom Einsatzhärten bekannt - bei einer Temperatur zwischen 150 °C und 200 °C in einem separaten Ofen angelassen werden.
  • Eine besonders vorteilhafte Verfahrensführung ist ferner dann gegeben, wenn die Werkstücke aus einem kohlenstoffarmen Eisenwerkstoff, vorzugsweise einem Einsatzstahl nach DIN 17 210, bestehen. Im Unterschied zum Stand der Technik ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf Eisenwerkstoffe beschränkt, die anfänglich schon über einen relativ hohen Gehalt an Kohlenstoff verfügen, wie beispielsweise herkömmliche Vergütungsstähle Ck 45, Ck 60 oder 42 CrMo 4. Vielmehr ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren möglich, kohlenstoffarme Eisenwerkstoffe, wie zum Beispiel geläufige Einsatzstähle Ck 10, C 15 oder 20 MoCr 4, zu borieren. Grund hierfür ist, daß die der Borierungsphase vorgeschaltete Anreicherungsphase eine Anreicherung der Randschicht der Werkstücke mit Kohlenstoff ermöglicht, die nach Beendigung der Borierungsphase und damit der Diffusionsphase einen hinsichtlich der geforderten Aufkohlung ausreichenden Kohlenstoffgehalt in der Randschicht verbleiben läßt.
  • In bevorzugter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens betragen sowohl der erste Druck als auch der zweite Druck zwischen 0,1 mbar und 30 mbar. Der Druck hängt dabei in erster Linie von der jeweils herrschenden Temperatur und der jeweiligen Zusammensetzung der Gasatmosphäre ab. So sollte zum Beispiel während der Anreicherungsphase der erste Druck so eingestellt werden, daß einerseits ein vergleichsweise schnelles Aufkohlen der Randschicht der Werkstücke erreicht und andererseits eine im allgemeinen unerwünschte Carbid- oder Rußbildung auf der Oberfläche der Werkstücke vermieden wird. Der erste Druck und der zweite Druck müssen während der Anreicherungsphase und der Borierungsphase nicht gleich und auch nicht notwendigerweise konstant sein. Sie können vielmehr entsprechend dem gewünschten Behandlungsergebnisses gezielt variiert, beispielsweise gepulst, werden.
  • Zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens kann eine Vorrichtung dienen, die wenigstens eine Behandlungskammer aufweist, in der nacheinander die Aufheizphase, die Anreicherungsphase, die erste Abkühlungsphase, die Borierungsphase, die zweite Abkühlungsphase und die Abschreckphase durchführbar sind.
  • Eine solche Vorrichtung kann im einfachsten Fall ein Ein-Kammer-Vakuumofen sein, in dem die oben beschriebenen Verfahrensschritte nacheinander und ohne Transport der Charge durchgeführt werden.
  • Eine erste bevorzugte Ausgestaltung einer solchen Vorrichtung sieht zwei Behandlungskammer vor, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase, die Anreicherungsphase, die erste Abkühlungsphase, die Borierungsphase und die zweite Abkühlungsphase durchgeführt werden und wobei in der zweiten Behandlungskammer die Abschreckphase durchgeführt wird. Indem für die Abschreckphase eine separate Behandlungskammer vorhanden ist, läßt sich auf einfache Weise eine Hochdruckgasabschreckung durchführen, mittels der verhältnismäßig hohe Abschreckraten erreicht werden.
  • In Hinsicht auf einen höheren Durchsatz sieht eine zweite bevorzugte Ausgestaltung einer solchen Vorrichtung drei Behandlungskammern vor, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase und die Anreicherungsphase durchgeführt werden, wobei in der zweiten Behandlungskammer die erste Abkühlungsphase, die Borierungsphase und die zweite Abkühlungsphase durchgeführt werden und wobei in der dritten Behandlungskammer die Abschreckphase durchgeführt wird.
  • Eine dritte bevorzugte Ausgestaltung einer solchen Vorrichtung sieht vier aufeinanderfolgend oder parallel angeordnete Behandlungskammern vor, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase durchgeführt wird, wobei in der zweiten Kammer die Anreicherungsphase oder die Anreicherungsphase und die erste Abkühlungsphase durchgeführt werden, wobei in der dritten Behandlungskammer die erste Abkühlungsphase, die Borierungsphase und die zweite Abkühlungsphase oder die Borierungsphase und die zweite Abkühlungsphase durchgeführt werden und wobei in der vierten Behandlungskammer die Abschreckphase durchgeführt wird.
  • Eine vierte bevorzugte Ausgestaltung einer solchen Vorrichtung sieht sechs Behandlungskammern vor, die aufeinanderfolgend oder parallel angeordnet sind, wobei die erste Behandlungskammer als Erwärmungskammer zum Durchführen der Aufheizphase, die zweite Behandlungskammer als Anreicherungskammer zum Durchführen der Anreicherungsphase, die dritte Behandlungskammer als Abkühlungskammer zum Durchführen der ersten Abkühlungsphase, die vierte Behandlungskammer als - Borierungskammer zum Durchführen der Borierungsphase, die fünfte Behandlungskammer als Abkühlungskammer zum Durchführen der zweiten Abkühlungsphase und die sechste Behandlungskammer als Abschreckkammer zum Durchführen der Abschreckphase ausgebildet sind. Indem für jeden Verfahrensschritt eine eigene Behandlungskammer vorhanden ist, zeichnet sich eine derartige Wärmebehandlungsanlage bei einem besonderes hohen Durchsatz durch eine vergleichsweise einfach zu steuernde Verfahrensführung aus.
  • Schließlich wird im Einklang mit Anspruch 14 ein Werkstück vorgeschlagen, das aus einem metallenen Werkstoff besteht und durch das erfindungsgemäße Verfahren wärmebehandelt ist, wobei das Werkstück mit einer äußeren Eisenboridschicht von 10 µm bis 100 µm Dicke und einer unter der Eisenboridschicht liegende Einsatzhärteschicht, die eine Härte nach Vickers zwischen 600 und 900 und eine Einsatzhärtetiefe zwischen 0,2 mm und 2,0 mm aufweist, versehen ist.
  • Einzelheiten und weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen im einzelnen:
  • Fig. 1
    ein den Temperatur- und Druckverlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens über der Zeit veranschaulichendes Diagramm;
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines Ein-Kammer-Vakuumofens mit Gasabschreckung;
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung eines Zwei-Kammer-Vakuumofens mit Gasabschreckung;
    Fig. 4
    eine schematische Darstellung eines Zwei-Kammer-Vakuumofens mit Ölabschreckung;
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung einer Wärmebehandlungsanlage mit sechs Behandlungskammern und
    Fig. 6
    eine schematische Darstellung eines Drei-Kammer-Vakuumofens mit Gasabschreckung und Spülschleuse.
  • Bei dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm sind auf der Abszisse die Zeit t sowie auf der Ordinate die Temperatur ϑ und der Druck p abgetragen. Das anhand von Fig. 1 veranschaulichte Wärmebehandlungsverfahren ist ein Duplex-Verfahren im eingangs genannten Sinne und dient zum kombinierten Aufkohlen, Borieren und Härten von Werkstücken, die aus einem kohlenstoffarmen Eisenwerkstoff, beispielsweise Einsatzstahl C 15, (Werkstoffnummer 1.0401) bestehen. Der gesamte Verfahrensablauf läßt sich in sechs Phasen A bis F untergliedern.
  • Während der ersten Phase, der Aufheizphase A, werden die zu behandelnden Werkstücke auf eine erste Temperatur ϑ1 von ca. 1000 °C erwärmt. Die zu diesem Zweck verwendete Vorrichtung, etwa eine Wärmebehandlungsanlage gemäß Fig. 5, wird nach Einbringen der Werkstücke zunächst evakuiert und anschließend auf die Temperatur ϑ1 erwärmt. Alternativ können die Werkstücke auch in einer inerten oder reduzierenden Gasatmosphäre, etwa aus Stickstoff (N2), auf die Temperatur ϑ1 erwärmt werden.
  • Nach dem Erwärmen auf die Temperatur ϑ1 werden die Werkstücke in eine zweite Behandlungskammer transportiert, wo sie während der sich an die erste Phase unmittelbar anschließenden zweiten Phase, der Anreicherungsphase B, für eine erste Zeitdauer Δt1, die je nach geforderter Aufkohlungstiefe zwischen 60 min und 360 min beträgt, einer Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre ausgesetzt sind. Die Höhe des während der Anreicherungsphase B herrschenden Drucks p1 richtet sich grundsätzlich nach dem gewünschten Behandlungsergebnis sowie der Art des verwendeten Kohlenwasserstoffs und beträgt im vorliegenden Fall ca. 10 mbar. Die Anreicherungsphase B kann im Bedarfsfall plasmaaktiviert sein.
  • Im Anschluß an die Anreicherungsphase B werden die Werkstücke in eine dritte Behandlungskammer befördert, wo sie während einer sich unmittelbar an die Anreicherungsphase B anschließenden ersten Abkühlungsphase C von der Temperatur ϑ1 auf eine zweite Temperatur ϑ2 von ca. 900 °C unter Vakuum abgekühlt werden. Alternativ können die Werkstücke in einer hauptsächlich Stickstoff enthaltenden und damit inerten Gasatmosphäre auf die Temperatur ϑ2 abgekühlt werden.
  • Am Ende der Abkühlungsphase C werden die Werkstücke in eine vierte Behandlungskammer verfrachtet und bei der Temperatur ϑ2 und einem zweiten Druck p2 von ca. 0,1 mbar für eine zweite Zeitdauer Δt2 in einer Bor enthaltenden Gasatmosphäre boriert. Während des Borierens diffundiert der während der Anreicherungsphase B in der Randschicht der Werkstücke angereicherte Kohlenstoff in das Innere der Werkstücke, so daß die Borierungsphase D zugleich eine Diffusionsphase für den Aufkohlungsprozeß darstellt. Die Zeitdauer Δt2 für diese sich unmittelbar an die Abkühlungsphase C anschließende Borierungsphase D beträgt je nach gefordertem Behandlungsergebnis zwischen 30 min und 360 min. Als Bor spendendes Mittel enthält die Gasatmosphäre während der Borierungsphase D Bortrichlorid, Bortrifluorid, Diboran oder mehrere der vorgenannten Stoffe. Im Bedarfsfall kann die Borierungsphase D plasmaaktiviert sein. Für diesen Fall eignet sich besonders die Verwendung von Bortrifluorid als Bor spendendes Mittel.
  • Unmittelbar an die Borierungsphase D schließt sich eine zweite Abkühlungsphase E an, während der die Werkstücke in einer fünften Behandlungskammer der Wärmebehandlungsanlage von der Temperatur ϑ2 auf eine dritte Temperatur ϑ3 von ca. 800 °C unter Vakuum oder alternativ in einer inerten Gasatmosphäre abgekühlt werden. Zum Ausgleich der Temperatur innerhalb der Charge werden die Werkstücke für ca. 15 min bis 30 min bei der dritten Temperatur ϑ3 gehalten, wie in Fig. 1 zu erkennen ist.
  • Zum Schluß werden die Werkstücke während einer sich unmittelbar an die zweite Abkühlungsphase E anschließenden Abschreckphase F von der Abschrecktemperatur ϑ3 auf eine Temperatur von weniger als 150 °C, beispielsweise Raumtemperatur, abgeschreckt. Die Werkstücke werden hierfür in eine sechste Behandlungskammer transportiert und bei einem Hochdruck p3 von mehr als 1.013,25 mbar in einer reduzierenden oder neutralen Gasatmosphäre abgekühlt. Alternativ können die Werkstücke auch in einem flüssigen Abschreckmedium abgeschreckt werden.
  • In den Fig. 2 bis 6 sind verschiedene Ausführungsformen einer Vorrichtung gezeigt, in denen das zuvor beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 ist ein Ein-Kammer-Vakuumofen 10, bei dem sämtliche Verfahrensschritte A bis F in ein und derselben Behandlungskammer 11 durchgeführt werden. Die zu einer Charge 12 zusammengestellten Werkstücke werden dabei während der Abschreckphase F durch Gas abgeschreckt.
  • Dagegen ist die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung ein Zwei-Kammer-Vakuumofen 20, der über eine erste Behandlungskammer 21 und eine zweite Behandlungskammer 22 verfügt. In der ersten Behandlungskammer 21 werden die Verfahrensschritte A bis E durchgeführt, wohingegen die als Gasabschreckkammer ausgebildete zweite Behandlungskammer zum Abschrecken der Charge 12 während der Abschreckphase F dient. Von der Vorrichtung gemäß Fig. 3 unterscheidet sich ein in Fig. 4 gezeigter Zwei-Kammer-Vakuumofen 30 hauptsächlich dadurch, daß in einer zweiten Behandlungskammer 32, die durch eine Tür 33 von der ersten Behandlungskammer 31 getrennt ist, ein Ölbad 34 vorhanden ist, in dem die Charge 12 während der Abschreckphase F abgeschreckt wird. Die Verfahrensschritte A bis E werden analog zu der Vorrichtung gemäß Fig. 3 in der ersten Behandlungskammer 31 durchgeführt.
  • In Fig. 5 ist eine Wärmebehandlungsanlage 40 gezeigt, die mit sechs parallel angeordneten Behandlungskammern 41 bis 46 versehen ist. Die Behandlungskammer 41 dient als Spülschleuse beim Eintritt der Charge 12 in die Wärmebehandlungsanlage 40 und als Hockdruckabschreckkammer während der Abschreckphase F am Ende des Behandlungszykluses. Die Behandlungskammer 42 ist als Erwärmungskammer ausgebildet, in der die Charge 12 während der Aufheizphase A auf die erste Temperatur ϑ1 erwärmt wird. In der Behandlungskammer 43 wird die Charge 12 während der Anreicherungsphase B aufgekohlt. Das Abkühlen der Charge 12 auf die zweite Temperatur ϑ2 während der ersten Abkühlungsphase C findet in der Behandlungskammer 44 statt. Das Borieren der Charge 12 während der Borierungsphase D erfolgt in der Behandlungskammer 45, wohingegen für das Abkühlen und Ausgleichen der Charge 12 auf die dritte Temperatur ϑ3 während der zweiten Abkühlungsphase E die Behandlungskammer 46 vorgesehen ist.
  • Ein Drei-Kammer-Vakuumofen 50 ist in Fig. 6 zu erkennen. Neben drei hintereinander angeordneten Behandlungskammern 51 bis 53 weist der Vakuumofen 50 eine Spülschleuse 54 auf, durch welche die Charge 12 in den Vakuumofen 50 eingeführt wird. Die Behandlungskammer 51 dient zum Erwärmen auf die erste Temperatur ϑ1 während der Aufheizphase A und zum Aufkohlen der Charge 12 während der Anreicherungsphase B. In der Behandlungskammer 52 findet das Abkühlen auf die zweite Temperatur ϑ2 während der ersten Abkühlungsphase C, das Borieren der Charge 12 während der Borierungsphase D und das Abkühlen und Ausgleichen der Charge 12 auf die dritte Temperatur ϑ3 während der zweiten Abkühlungsphase E statt. Für ein abschließendes Gasabschrecken während der Abschreckphase F ist die Behandlungskammer 53 vorgesehen.
  • Die durch das oben beschriebene Verfahren behandelten Werkstücke weisen eine äußere Eisenboridschicht von 10 µm bis 100 µm Dicke und eine unter der Eisenboridschicht liegende Einsatzhärteschicht mit einer Härte nach Vickers zwischen 600 und 900 und einer Einsatzhärtetiefe zwischen 0,2 mm und 2,0 mm auf. Sie zeichnen sich durch eine vergleichsweise große Zeit- und Dauerfestigkeit bei zugleich hoher Verschleißbeständigkeit aus. Grund hierfür ist die durch die Verfahrensschritte A bis F erhaltene Kombination von Aufkohlen, Borieren und Härten. So ergeben sich durch die unmittelbar aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte A bis F Synergieeffekte, die einer effizienten Verfahrensführung Rechnung tragen. Denn das Verfahren läßt sich in einem einzigen Zyklus und in einer einzigen Wärmebehandlungsanlage ohne Unterbrechung durchführen, wodurch signifikante wirtschaftliche Vorteile im Vergleich zu dem bislang üblichen getrennten Aufkohlen, Abkühlen, Borieren und Härten erreicht werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Ein-Kammer-Vakuumofen
    11
    Behandlungskammer
    12
    Charge
    20
    Zwei-Kammer-Vakuumofen
    21
    Behandlungskammer
    22
    Behandlungskammer
    30
    Zwei-Kammer-Vakuumofen
    31
    Behandlungskammer
    32
    Behandlungskammer
    33
    Tür
    34
    Ölbad
    40
    Wärmebehandlungsanlage
    41
    Behandlungskammer
    42
    Behandlungskammer
    43
    Behandlungskammer
    44
    Behandlungskammer
    45
    Behandlungskammer
    46
    Behandlungskammer
    50
    Drei-Kammer-Vakuumofen
    51
    Behandlungskammer
    52
    Behandlungskammer
    53
    Behandlungskammer
    54
    Spülschleuse
    A
    Aufheizphase
    B
    Anreicherungsphase
    C
    erste Abkühlungsphase
    D
    Borierungsphase
    E
    zweite Abkühlungsphase
    F
    Abschreckphase
    t
    Zeit
    Δt1
    erste Zeitdauer
    Δt2
    zweite Zeitdauer
    ϑ
    Temperatur
    ϑ1
    erste Temperatur
    ϑ2
    zweite Temperatur
    ϑ3
    dritte Temperatur
    p
    Druck
    p1
    erster Druck
    p2
    zweiter Druck

Claims (14)

  1. Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zum kombinierten Aufkohlen, Borieren und Härten von Eisenwerkstoffen, mit folgenden Verfahrensschritten:
    a) Erwärmen der Werkstücke auf eine erste Temperatur (ϑ1) unter Vakuum oder in einer neutralen oder reduzierenden Gasatmosphäre während einer Aufheizphase (A);
    b) Aufkohlen der Werkstücke bei der am Ende der Aufheizphase (A) erreichten ersten Temperatur (ϑ1) und einem ersten Druck (p1) für eine erste Zeitdauer (Δt1) in einer Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Aufheizphase (A) anschließenden Anreicherungsphase (B);
    c) Abkühlen der Werkstücke von der ersten Temperatur (ϑ1) auf eine zweite Temperatur (ϑ2) unter Vakuum oder in einer hauptsächlich Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Anreicherungsphase (B) anschließenden ersten Abkühlungsphase (C);
    d) Borieren der Werkstücke bei der am Ende der ersten Abkühlungsphase (C) erreichten zweiten Temperatur (ϑ2) und einem zweiten Druck (p2) für eine zweite Zeitdauer (Δt2) in einer Bor enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die erste Abkühlungsphase (C) anschließenden Borierungsphase (D);
    e) Abkühlen der Werkstücke von der zweiten Temperatur (ϑ2) auf eine dritte Temperatur (ϑ3) unter Vakuum oder in einer hauptsächlich Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Borierungsphase (D) anschließenden zweiten Abkühlungsphase (E) und
    f) Abschrecken der Werkstücke von der dritten Temperatur (ϑ3) auf eine Temperatur unter 150 °C während einer sich an die zweite Abkühlungsphase (E) anschließenden Abschreckphase (F).
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der Aufheizphase (A) auf eine erste Temperatur (ϑ1) zwischen 800 °C und 1100 °C erwärmt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der ersten Abkühlungsphase (C) auf eine zweite Temperatur (ϑ2) zwischen 800 °C und 950 °C abgekühlt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der zweiten Abkühlungsphase (D) auf eine dritte Temperatur (ϑ3) zwischen 800 °C und 900 °C abgekühlt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der Abschreckphase (F) auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    gekennzeichnet durch eine erste Zeitdauer (Δt1) zwischen 60 min und 360 min.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    gekennzeichnet durch eine zweite Zeitdauer (Δt2) zwischen 30 min und 360 min.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    gekennzeichnet durch eine Unterstützung durch ein Plasma während der Anreicherungsphase (B) und/oder während der Borierungsphase (D).
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    gekennzeichnet durch eine Gasatmosphäre während der Borierungsphase (D), die Bortrichlorid und/oder Bortrifluorid und/oder Diboran enthält.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der Abschreckphase (F) bei einem dritten Druck (p3), vorzugsweise einem Hochdruck von mehr als 1.013,25 mbar, in einer reduzierenden oder neutralen Gasatmosphäre oder in einem flüssigen Abschreckmedium abgeschreckt werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    gekennzeichnet durch Werkstücke, die aus einem kohlenstoffarmen Eisenwerkstoff, vorzugsweise einem Einsatzstahl nach DIN 17 210, bestehen.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    gekennzeichnet durch einen ersten Druck (p1) zwischen 0,1 mbar und 30 mbar.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    gekennzeichnet durch einen zweiten Druck (p2) zwischen 0,1 mbar und 30 mbar.
  14. Werkstück, das aus einem metallenen Werkstoff besteht und durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 wärmebehandelt ist,
    gekennzeichnet durch eine äußere Eisenboridschicht von 10 µm bis 100 µm Dicke und eine unter der Eisenboridschicht liegende Einsatzhärteschicht, die eine Härte nach Vickers zwischen 600 und 900 und eine Einsatzhärtetiefe zwischen 0,2 mm und 2,0 mm aufweist.
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