EP3060692A1 - Verfahren zur herstellung eines lokal borierten oder chromierten bauteils - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines lokal borierten oder chromierten bauteils

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EP3060692A1
EP3060692A1 EP14777331.1A EP14777331A EP3060692A1 EP 3060692 A1 EP3060692 A1 EP 3060692A1 EP 14777331 A EP14777331 A EP 14777331A EP 3060692 A1 EP3060692 A1 EP 3060692A1
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chromium
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Robert Bosch GmbH
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    • C23C8/68—Boronising
    • C23C8/70—Boronising of ferrous surfaces
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    • C23C8/80—After-treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component from a low-alloyed steel material which is subjected to pressure and wear at least in a locally limited area.
  • the components are made of an alloyed material.
  • the necessary geometric precision of these components is achieved by a machining hard machining, such as by grinding. If the set by the heat treatment material to stand against wear is not sufficient, the other
  • nitriding, carbon and electroplated layers are suitable for this purpose. These layers are usually applied after a microstructural heat treatment.
  • High-pressure resistance increases the toughness of the components during further heat treatment. However, at the same time the hardness is reduced.
  • the layer thickness produced is usually less than 25 ⁇ " ⁇ limited diffusion of the coating atoms into the base material.
  • these thin layers do not provide sufficient protection under local load, such as particle impact.
  • a soft basic structure there are dents in the base material.
  • the geometric precision must be prepared before the coating, since the
  • the component has areas with a relatively high hardness, wear and corrosion resistance as well as areas with a relatively high toughness and ductility.
  • the method comprises the following method steps.
  • a machining of the component takes place in a non-heat-treated state.
  • step b) the component is provided with a
  • the cooling of the component to room temperature and the removal of the powder from the surface of the body follows. Due to the powder properties and the coating process, the removal of the powder is particularly easy because it can be blown off, for example, with compressed air.
  • a renewed heat treatment of the body takes place for the adjustment of either a martensitic or a bainitic structure at a second temperature, which is lower than the first temperature.
  • the second temperature is lower than the first temperature, the generated boundary layer is not changed but only the basic structure.
  • a bainitic structure is set, since this compared to the martensitic structure a higher toughness and in the
  • a conversion treatment of the martensitic microstructure of at least one hour at a temperature of over 200 ° C is carried out.
  • the conversion treatment leads to a considerable increase in toughness.
  • a fine machining of the component for the final shaping takes place.
  • the grinding is suitable because the removal of very hard material is relatively low.
  • the first temperature is at least 850 ° C up to the highest 950 ° C. This temperature causes the boron atoms or the chromium atoms to diffuse into the surface layer of the body.
  • the second temperature is at least 840 ° C up to at most 870 ° C. The temperature difference between the first and the second temperature causes the heat treatment has no influence on the borated or chromed edge layer of the component.
  • a holding body for an injection system of an internal combustion engine in a first method step, a holding body for an injection system of an internal combustion engine
  • valve bodies In the valve bodies, it is in particular the valve seats and in the
  • valve body or the holding body are essentially exposed only to a compressive load, so that it is particularly advantageous here if stresses can be reduced by plastic deformation.
  • areas with a ductile and tough structure are suitable for this purpose.
  • an iron boride or iron chromium layer with a layer thickness of at least 30 ⁇ m up to at most 2 ⁇ m is preferably produced at the surface layer of the component. This, compared to the layer thickness of high-alloy steels, significantly thicker layer is due to a low content of alloying elements of the low alloyed
  • the boron atoms when entering the surface layer of the body, essentially form Fe 2 B iron boride with a hardness of 1500 to 2000HV.
  • 10006 is used as low-alloyed steel material.
  • Figure 1 is a simplified schematic sectional view of a
  • FIG. 2 shows a method produced according to the method according to FIG. 1
  • the method according to the invention begins with a first method step a, a machining of a valve body 1 made of the material 10006 in a non-heat-treated state.
  • the valve body 1 is covered locally with a powder 2 having essentially boron.
  • the local coverage with powder is limited to the valve seat. 3
  • a heat treatment of the locally covered with the powder 2 valve body 1 at a first temperature of 910 ° C is made. This results in the locally limited diffusion of boron atoms from the powder 2 having boron into the surface layer of the valve body 1, in particular into the surface layer of the surface of the valve seat 3 to be bored. This results in an iron boride layer 5 having a layer thickness of up to ⁇ ⁇ at the surface layer the valve seat 3 generated.
  • valve body 1 is cooled to room temperature and the powder is removed.
  • valve body 1 is heat treated again to adjust a bainitic structure 4.
  • a second temperature is 840 ° C and is thus lower than that required for boriding
  • a six hour conversion treatment is carried out at a temperature of 220 ° C to 260 ° C. This increases the toughness of the bainitic structure 4 to a greater degree than the hardness is lowered.
  • a fine machining is performed by grinding the valve body 1 for final shaping.
  • the valve body 1 produced by the process according to the invention has a tempered and thus tough bainitic basic structure 4.
  • the valve seat 3 of the valve body 1 is borated and has a
  • Iron boride layer 5 with a layer thickness of up to ⁇ ⁇ on.
  • the valve body 1 has a first region, in the valve seat 3, with a high hardness, resistance to wear and corrosion as well as a second region with a relatively high toughness and ductility on the other hand.
  • valve body 1 In particular, it is also possible, instead of a valve body 1, other components, in particular for an injection system of a
  • Iron chromium layer generated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) aus einem niedriglegierten Stahlwerkstoff, das zumindest in einem lokal begrenzten Bereich einem Druck und einem Verschleiß ausgesetzt wird, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Spanabhebende Fertigung des Bauteils (1) in einem nicht wärmebehandelten Zustand, b) lokales Bedecken des Bauteils (1) mit einem im Wesentlichen entweder Bor oder Chrom aufweisenden Pulver (2), c) Wärmebehandlung des lokal mit Pulver (2) bedeckten Bauteils (1) zur lokal begrenzten Diffusion entweder von Boratomen aus dem Bor aufweisenden Pulver oder von Chromatomen aus dem Chrom aufweisenden Pulver (2) in die Randschicht des Bauteils (1) bei einer ersten Temperatur, die größer als die Austenitisierungstemperatur des niedriglegierten Stahlwerkstoffs ist, d) Abkühlung des Bauteils (1) auf Raumtemperatur und Entfernung des Pulvers (2), und e) erneute Wärmebehandlung des Bauteils (1) zur Einstellung entweder eines martensitischen oder eines bainitischen Gefüges (4) bei einer zweiten Temperatur, die geringer ist als die erste Temperatur.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zur Herstellung eines lokal borierten oder chromierten Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem niedriglegierten Stahlwerkstoff, das zumindest in einem lokal begrenzten Bereich einem Druck und einem Verschleiß ausgesetzt wird.
Das Gebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf Bauteile eines
Einspritzsystems einer Verbrennungskraftmaschine.
Stand der Technik
Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik geht hervor, das Bauteile, die einem Druck und einem Verschleiß ausgesetzt sind zur Steigerung der
Hochdruckfestigkeit eine bainitische oder martensitische Wärmebehandlung erfahren. In der Regel werden die Bauteile aus einem legierten Werkstoff hergestellt. Die notwendige geometrische Präzision dieser Bauteile wird durch eine spanabhebende Hartbearbeitung, wie beispielsweise durch Schleifen erreicht. Sofern der durch die Wärmebehandlung eingestellte Werkstoff zu stand gegenüber Verschleiß nicht ausreicht, wird zur weiteren
Beanspruchbarkeitssteigerung gegen Verschleiß die Oberfläche der Bauteile beschichtet. Dazu eignen sich insbesondere Nitrier-, Kohlenstoff- und galvanische Schichten. Diese Schichten werden in der Regel nach einer Gefüge einstellenden Wärmebehandlung aufgetragen. Zur Verbesserung der
Hochdruckfestigkeit wird die Zähigkeit der Bauteile im Rahmen einer weiteren Wärmebehandlung erhöht. Jedoch wird dabei gleichzeitig die Härte reduziert.
Die Nachteile des zuvor beschriebenen Standes der Technik erwachsen insbesondere durch die hohen Temperaturen beim Beschichten, die die
Bauteilfestigkeit im Grundmaterial herabsetzen. Durch die hohen Temperaturen wird nämlich das zuvor durch die Wärmebehandlung eingestellte Gefüge verändert. Aufgrund der hoch legierten Stahlwerkstoffe beträgt die erzeugte Schichtdicke in der Regel weniger als 25μη"ΐ. Dies liegt insbesondere an der eingeschränkten Diffusion der Beschichtungsatome in den Grundwerkstoff.
Daher bieten diese dünnen Schichten keinen ausreichenden Schutz bei lokaler Belastung, wie beispielsweise bei einem Partikeleinschlag. Bei einem weichen Grundgefüge entstehen demnach Dellen im Grundmaterial. Ferner muss die geometrische Präzision vor der Beschichtung hergestellt werden, da die
Schichten sehr dünn sind und eine Nachbearbeitung daher nur sehr schwer möglich ist.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung eines Bauteils bereitzustellen, wodurch das Bauteil Bereiche mit einer relativ hohen Härte, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit als auch Bereiche mit einer demgegenüber relativ hohen Zähigkeit und Duktilität aufweist.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den nachfolgenden abhängigen Ansprüchen hervor.
Erfindungsgemäß weist das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst erfolgt gemäß Verfahrensschritt a) eine spanabhebende Fertigung des Bauteils in einem nicht wärmebehandelten Zustand. Zur spanabhebenden Fertigung eignet sich insbesondere das Fräsen oder bei rotationssymmetrischen
Bauteilen das Drehen. Dadurch das das Bauteil aus einem niedrig legierten Stahlwerkstoff, der nicht wärmebehandelt ist und somit im weichen Zustand vorliegt, besteht, ist die Fertigung besonders werkzeugschonend und
zeitsparend.
In einem weiteren Verfahrensschritt b) wird das Bauteil mit einem im
Wesentlichen entweder Bor oder Chrom aufweisenden Pulver lokal bedeckt.
Danach erfolgt nach Verfahrensschritt c) die Wärmebehandlung des lokal mit Pulver bedeckten Bauteils. Dadurch kommt es zur lokal begrenzten Diffusion an den mit Pulver bedeckten Bereichen, wobei entweder Boratome aus dem Bor aufweisenden Pulver oder Chromatome aus dem Chrom aufweisenden Pulver in die Randschicht des Bauteils diffundieren. Dies erfolgt bei einer ersten Temperatur, die größer ist als die Austenitisierungstemperatur des niedrig legierten Stahlwerkstoffs. Mit anderen Worten wird das Bauteil in einem lokal begrenzten Bereich entweder boriert oder chromiert. Dadurch wird an der Randschicht des Körpers eine Eisenborid- oder Eisenchromidschicht
ausgebildet.
Daraufhin folgt gemäß Verfahrensschritt d) die Abkühlung des Bauteils auf Raumtemperatur und die Entfernung des Pulvers von der Oberfläche des Körpers. Aufgrund der Pulvereigenschaften und dem Beschichtungsprozess ist die Entfernung des Pulvers besonders einfach, da es beispielsweise mit Druckluft weggeblasen werden kann.
Gemäß Verfahrensschritt e) erfolgt eine erneute Wärmebehandlung des Körpers zur Einstellung entweder eines martensitischen oder eines bainitischen Gefüges bei einer zweiten Temperatur, die geringer ist als die erste Temperatur. Dadurch, dass die zweite Temperatur geringer ist als die erste Temperatur wird die erzeugte Randschicht nicht verändert sondern lediglich das Grundgefüge.
Besonders bevorzugt wird ein bainitisches Gefüge eingestellt, da dieses im Vergleich zum martensitischen Gefüge eine höhere Zähigkeit und im
Randbereich, mit anderen Worten sowohl an den nicht borierten oder
chromierten Oberflächen, als auch unterhalb der Bor- oder Chromschicht, Druck- Eigenspannungen aufweist.
Vorzugsweise wird nach Verfahrensschritt e) eine Umwandlungsbehandlung des martensitischen Gefüges von mindestens einer Stunde bei einer Temperatur von über 200°C vorgenommen. Des weiteren bevorzugt wird nach Verfahrensschritt e) eine Umwandlungsbehandlung des bainitischen Gefüges von mindestens zwei bis zu höchstens sechs Stunden bei einer Temperatur von mindestens 220°C bis zu höchstens 260°C vorgenommen wird. Die Umwandlungsbehandlung führt zu einem beträchtlichen Anstieg der Zähigkeit.
Gemäß einem abschließenden Verfahrensschritt erfolgt eine Feinbearbeitung des Bauteils zur finalen Formgebung. Dazu eignet sich insbesondere das Schleifen, da der Abtrag von sehr hartem Material relativ gering ist. Die
Feinbearbeitung stellt die Geometrie des Bauteils präzise ein und kompensiert den Verzug aufgrund der Wärmebehandlung. Besonders bevorzugt beträgt die erste Temperatur mindestens 850°C bis zu höchsten 950°C. Diese Temperatur führt dazu, dass die Boratome oder die Chromatome in die Randschicht des Körpers eindiffundieren können. Desweiteren bevorzugt beträgt die zweite Temperatur mindestens 840°C bis zu höchstens 870°C. Die Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Temperatur führt dazu, dass die Wärmebehandlung keinen Einfluss auf die borierte oder chromierte Randschicht des Bauteils nimmt. Besonders bevorzugt wird nach Verfahrensschritt f) eine Oberflächenveredelung der entweder borierten oder chromierten lokal begrenzten Bereiche zur Erhöhung der Rissbeständigkeit vorgenommen. Zur Oberflächenveredelung eignet sich insbesondere das mechanische polieren der borierten oder chromierten
Bereiche.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird in einem ersten
Verfahrensschritt ein Ventilkörper für ein Einspritzsystem einer
Verbrennungskraftmaschine spanabhebend gefertigt. Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Haltekörper für ein Einspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine
spanabhebend gefertigt.
Bei dem Ventilkörpern sind es insbesondere die Ventilsitze und bei den
Haltekörper insbesondere die Führungen, die einem hohen Druck und einem hohen Verschleiß sowie einem Partikeleinschlag ausgesetzt sind. Die restlichen
Bereiche des Ventilkörpers oder des Haltekörpers sind im Wesentlichen nur einer Druckbelastung ausgesetzt, so dass es hier besonders vorteilhaft ist wenn durch plastische Verformung Spannungen abgebaut werden können. Dazu eignen sich insbesondere Bereiche mit einem duktilen und zähen Gefüge.
Des Weiteren bevorzugt wird gemäß Verfahrensschritt c) eine Eisenborid- oder Eisenchromidschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 30μηι bis zu höchstens Ι ΟΟμηη an der Randschicht des Bauteils erzeugt. Diese, gegenüber der Schichtdicke von hochlegierten Stählen, erheblich dickere Schicht wird aufgrund eines geringen Gehalts von Legierungselementen der niedrig legierten
Stähle hervorgerufen. Die Boratome bilden beim Eintritt in die Randschicht des Körpers im Wesentlichen Eisenborid vom Typ Fe2B mit einer Härte von 1500 bis 2000HV. Vorzugsweise wird als niedrig legierter Stahlwerkstoff 10006 verwendet.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigen:
Figur 1 eine vereinfachte schematische Schnittansicht eines
Ventilkörpers, das die jeweiligen erfindungsgemäßen
Verfahrensschritte durchläuft, und
Figur 2 ein nach dem Verfahren gemäß Figur 1 hergestellten
Ventilkörper.
Nach Figur 1 beginnt das erfindungsgemäße Verfahren mit einem ersten Verfahrensschritt a, einer spanabhebenden Fertigung eines Ventilkörpers 1 aus dem Werkstoff 10006 in einem nicht wärmebehandelten Zustand.
Gemäß einem Verfahrensschritt b wird der Ventilkörper 1 lokal mit einem im Wesentlichen Bor aufweisenden Pulver 2 bedeckt. Die lokale Bedeckung mit Pulver beschränkt sich dabei auf den Ventilsitz 3.
In einem Verfahrensschritt c wird eine Wärmebehandlung des lokal mit dem Pulver 2 bedeckten Ventilkörpers 1 bei einer ersten Temperatur von 910°C vorgenommen. Dabei kommt es zur lokal begrenzten Diffusion von Boratomen aus dem Bor aufweisenden Pulver 2 in die Randschicht des Ventilkörpers 1 , insbesondere in die Randschicht der zu borierenden Fläche des Ventilsitzes 3. Dadurch wird eine Eisenboridschicht 5 mit einer Schichtdicke von bis zu Ι ΟΟμηη an der Randschicht des Ventilsitzes 3 erzeugt.
Gemäß eines nächsten Verfahrensschrittes d wird der Ventilkörper 1 auf Raumtemperatur abgekühlt und das Pulvers wird entfernt. Nach einem Verfahrensschritt e wird der Ventilkörper 1 zur Einstellung eines bainitischen Gefüges 4 erneut wärmebehandelt. Dabei beträgt eine zweite Temperatur 840°C und ist somit geringer als die zum Borieren benötigte
Temperatur.
Gemäß einem Verfahrensschritt f wird eine Umwandlungsbehandlung von sechs Stunden bei einer Temperatur von 220°C bis 260°C vorgenommen. Dies erhöht die Zähigkeit des bainitischen Gefüges 4 in einem höherem Maße als die Härte abgesenkt wird.
In einem Verfahrensschritt g wird eine spanabhebende Feinbearbeitung durch Schleifen des Ventilkörpers 1 zur finalen Formgebung vorgenommen.
Abschließend wird nach Verfahrensschritt h eine Oberflächenveredelung der lokal begrenzten, borierten Bereiche vorgenommen. Dabei wird die
Oberflächenveredelung durch mechanische Bearbeitung erzeugt.
Gemäß Figur 2 weist der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Ventilkörper 1 ein angelassenes und somit zähes bainitisches Grundgefüge 4 auf. Der Ventilsitz 3 des Ventilkörpers 1 ist boriert und weist eine
Eisenboridschicht 5 mit einer Schichtdicke von bis zu Ι ΟΟμηη auf. Dadurch weist der Ventilkörper 1 einen ersten Bereich, im Ventilsitz 3, mit einer hohen Härte, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit als auch einen zweiten Bereich mit einer demgegenüber relativ hohen Zähigkeit und Duktilität auf.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, anstelle eines Ventilkörpers 1 auch andere Bauteile, insbesondere für ein Einspritzsystem einer
Verbrennungskraftmaschine, herzustellen. Denkbar ist beispielsweise auch die Herstellung eines Haltekörpers. Ferner ist es auch denkbar die Bauteile anstatt zu borieren, zu chromieren. Dazu wird ein Chrom aufweisendes Pulver verwendet, das während der Wärmebehandlung des Bauteils eine
Eisenchromidschicht erzeugt.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener
Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1 ) aus einem niedriglegierten Stahlwerkstoff, das zumindest in einem lokal begrenzten Bereich einem Druck und einem Verschleiß ausgesetzt wird, mit folgenden Verfahrensschritten:
a) Spanabhebende Fertigung des Bauteils (1 ) in einem nicht
wärmebehandelten Zustand,
gekennzeichnet durch:
b) lokales Bedecken des Bauteils (1 ) mit einem im Wesentlichen entweder Bor oder Chrom aufweisenden Pulver (2),
c) Wärmebehandlung des lokal mit Pulver (2) bedeckten Bauteils (1 ) zur lokal begrenzten Diffusion entweder von Boratomen aus dem Bor aufweisenden Pulver (2) oder von Chromatomen aus dem Chrom aufweisenden Pulver (2) in die Randschicht des Bauteils (1 ) bei einer ersten Temperatur, die größer als die Austenitisierungstemperatur des niedriglegierten Stahlwerkstoffs ist, d) Abkühlung des Bauteils (1 ) auf Raumtemperatur und Entfernung des Pulvers
(2), und
e) erneute Wärmebehandlung des Bauteils (1 ) zur Einstellung entweder eines martensitischen oder eines bainitischen Gefüges (4) bei einer zweiten Temperatur, die geringer ist als die erste Temperatur.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass nach Verfahrensschritt e) eine
Umwandlungsbehandlung des martensitischen Gefüges von mindestens einer Stunde bei einer Temperatur von über 200°C vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass nach Verfahrensschritt e) eine
Umwandlungsbehandlung des bainitischen Gefüges von mindestens zwei bis zu höchstens sechs Stunden bei einer Temperatur von mindestens 220°C bis zu höchstens 260°C vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach Verfahrensschritt e) zum Abschluss des Verfahrens eine Feinbearbeitung des Bauteils (1 ) zur finalen Formgebung vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur mindestens 890°C bis zu höchstens 950°C beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur mindestens 840°C bis zu höchstens 870°C beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt a) ein Ventilkörper (1 ) für ein Einspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine spanabhebend gefertigt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt a) ein Haltekörper (1 ) für ein Einspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine spanabhebend gefertigt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt c) eine Eisenborid- oder Eisenchromidschicht (5) mit einer Schichtdicke von mindestens 30μηι bis zu höchstens Ι ΟΟμηη an der Randschicht des Bauteils (1 ) erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass als niedriglegierte Stahlwerkstoff ein 10006 verwendet wird.
EP14777331.1A 2013-10-22 2014-09-30 Verfahren zur herstellung eines lokal borierten oder chromierten bauteils Active EP3060692B1 (de)

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