EP3322833A1 - Verfahren zum nitrieren eines bauteils - Google Patents

Verfahren zum nitrieren eines bauteils

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EP3322833A1
EP3322833A1 EP16733080.2A EP16733080A EP3322833A1 EP 3322833 A1 EP3322833 A1 EP 3322833A1 EP 16733080 A EP16733080 A EP 16733080A EP 3322833 A1 EP3322833 A1 EP 3322833A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
nitrogen
phase
process gas
nitriding
Prior art date
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Granted
Application number
EP16733080.2A
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English (en)
French (fr)
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EP3322833B1 (de
Inventor
Lothar Foerster
Thomas Krug
Jochen Schwarzer
Marcus Hansel
Thomas Waldenmaier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3322833A1 publication Critical patent/EP3322833A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3322833B1 publication Critical patent/EP3322833B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING 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
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING 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
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING 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
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/76—Adjusting the composition of the atmosphere
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING 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
    • C21D3/00—Diffusion processes for extraction of non-metals; Furnaces therefor
    • C21D3/02—Extraction of non-metals
    • C21D3/08—Extraction of nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to a method for nitriding a component made of a metallic material.
  • nitriding inevitably produces a hard, but brittle bonding layer in the areas closest to the surface, with a significantly higher nitrogen content. This layer can flake off in particular at notch loads, which can lead to failure of the component as well as consequential damage caused by released particles.
  • DE 102005049534 AI it is known from DE 102005049534 AI to subsequently remove the compound layer electrochemically. For more complex part geometries this is not always possible.
  • DE 102009045878 A1 discloses to limit the thickness of the bonding layer to an optimum already during the nitriding process
  • Nitrogen supply an initially thick compound layer can be subsequently reduced again.
  • Another prior art is DE 102009002985 AI to call.
  • the component is heated in a first Nitrierphase to at least 450 ° C, and it is on its surface a nitrogen-emitting process gas and / or
  • the bonding layer is dissolved in a first degradation phase by heat treatment.
  • Imperfectly nitrided areas in the component surface develop during operation to weak points at which the component preferably fails under repeated vibration load. Due to the formation of the bonding layer, first of all the disadvantage is accepted that it has a significantly lower vibration resistance. By the subsequent dissolution of the compound layer in the mining phase, this disadvantage disappears.
  • the metallic material contains at least one other
  • the further metallic element may in particular be an alloying element of the metallic material.
  • the invention expressly refers not only to higher alloyed materials, but also to low alloyed and unalloyed materials.
  • the duration of the first nitriding phase, the temperature of the component during the first nitriding phase and / or the supply of nitrogen on the surface of the component are advantageously selected such that the connecting layer has a thickness of at most 10 ⁇ m, preferably between 2 ⁇ m and 6 ⁇ , is formed. This range is preferred in the sense that the actual nitration is uniformed, but that no pore space is yet formed in the compound layer by the recombination of atomic to molecular nitrogen. These pores could not be removed by simply removing the iron nitride; they only could be removed by, for example mechanical or electrochemical, removal of the bonding layer.
  • a second nitration phase and a second degradation phase are connected to the first phase of degradation.
  • the parameters of the second nitriding phase do not have to match the parameters of the first nitriding phase.
  • the parameters of the second phase of dismantling do not have to match the parameters of the first stage of dismantling.
  • Two (or more) nitration phases with intermediate decomposition phase have the advantage that overall a higher nitration depth can be achieved without being too thick at any time
  • Connecting layer is formed and thereby forms, for example, a pore space.
  • the nitriding depth increases additively with each nitriding phase, while the thickness of the connecting layer always begins again at zero due to the preceding reduction phase.
  • Bonding layer increases with increasing treatment temperature.
  • the component is heated to temperatures of up to 580 ° C for the formation of the special nitride. According to the prior art had to be worked at significantly lower temperatures, so as not to form a bonding layer
  • X-ray microscope or by means of energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) are detectable, are correlated with early failures of the treated components.
  • the connecting layer initially formed is therefore advantageously completely dissolved so that it is no longer recognizable at least in a light microscope.
  • XRD X-ray diffractometry
  • Process gas mixture is changed so that less nitrogen is offered for nitriding. This measure can be carried out, for example, for a batch of a variety of different components, which are in disordered form as bulk material in a treatment chamber, in one operation.
  • the nitrogen-emitting process gas may in particular be ammonia. It is also possible to use a mixture of, for example, ammonia with nitrogen and / or hydrogen. Then, by changing the
  • the nitrogen supply for the nitration be changed without the pressure in the treatment chamber must be changed.
  • the nitrogen supply at the component surface can also be reduced without changing the gas composition solely by further heating of the component and / or the gas or gas mixture: the higher the temperature, the faster ammonia dissociates at the component surface and the faster atomic nitrogen diffuses from the component surface path.
  • the gas composition is changed, then as an intermediate step, advantageously, the treatment chamber can be evacuated to the whole
  • the component for dissolving the connecting layer to not more than 1000 ° C, preferably not more than 600 ° C, further heated.
  • the metallic material of the component is austenitic by the nitrogen introduced on its surface. This is not desirable in nitriding because the component warps, its core is too high annealed and / or its lattice structure could be changed at the edge.
  • many nitriding are limited to operating temperatures up to 700 ° C; at higher temperatures, the service life of the furnace materials can be greatly reduced, which can cause more distortion.
  • Niobium nitride and chromium nitride are examples of special nitrides, which are up to about 1000 ° C
  • the component temperature is kept below the temperature at which
  • the supply of atomic nitrogen at the component surface can not only be reduced but completely reduced to zero, for example by evacuating the treatment chamber or by introducing only an inert gas, such as, for example, molecular nitrogen or argon, onto the component surface.
  • an inert gas such as, for example, molecular nitrogen or argon
  • Bonding layer bound nitrogen is driven from the surface of the component.
  • the well-known teacher diagram exemplifies in which combinations of temperature, nitriding index and nitrogen supply an iron nitride layer forms or dissolves or whether the iron will transform into an austenitic structure.
  • the process that led to the formation of the compound layer then preferably proceeds backwards.
  • Embodiment is in this map area the Sonderitrid thermodynamically stable. It then remains in full.
  • the component temperature is selected from a characteristic field range in which the nitrogen, which is more strongly bound in the special nitrides, remains in the surface of the component. Then the decisive for the fatigue strength actual nitriding is fully retained, and it is only the
  • the degradation phase provided according to the invention in this embodiment is particularly advantageous with respect to the vibration resistance.
  • the process gases or process gas mixtures can, for example
  • the treatment chamber controlled by the coefficient of coal control. But you can also be supplied as a solid gas amount of the treatment chamber, for example.
  • the general functioning of the invention does not depend on the fact that the process gases or process gas mixtures are supplied regulated in a certain way.
  • the component By carbon number controlled feed, the component can be simultaneously nitrided and carburized. This changes the structure of the connection layer. Alternatively or in combination with this, the nitration effect can be increased by means of oxidation-parameter-controlled feed.
  • the component consists of a highly alloyed with chromium steel.
  • the process is carried out under atmospheric pressure. Then the treatment chamber does not have to be pressure-resistant.
  • the method but also in low pressure, ie with a lower pressure than that
  • Pressure difference can be prevented, for example, escape process gases in case of a leak from the treatment chamber.
  • the mean free path for diffusion at a lower pressure is greater.
  • the method may also be performed under plasma nitriding conditions with or without active screen support. This will be the
  • Bonding layer has the side effect that tools with which this surface is subsequently machined mechanically, less quickly
  • simulation models can be used that calculate the diffusion of nitrogen and the formation of the special nitrides as a function of time, temperature and material composition. Otherwise, the process parameters can be fine tuned in a known manner by making a series of coupons and inspecting metallographic cuts.
  • Iron matrix is already greatly reduced during nitriding by effusion and diffusion in the edge region. How much nitrogen is allowed to
  • the originally formed, later dissolved compound layer is detectable metallographically by a modified Aniser .
  • Figure 1 Course of the temperature T over the time t in one embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 2 micrograph of a sample nitrated according to the prior art (a) and a sample (b) nitrided by the process according to the invention.
  • FIG. 3 GDOES depth profile analysis of the nitrogen concentration n over the edge distance d for the sample according to FIG. 2a (curve a) and the sample according to FIG. 2b (curve b).
  • Figure 4 Effect of nitration with bonding layer thicknesses of ⁇ 1 ⁇ and 5 ⁇ on the fatigue strength.
  • Figure 5 Effect of nitration according to an embodiment of the invention on the fatigue strength.
  • Figure 1 shows an example of the process control for an embodiment of the method according to the invention.
  • the continuous curve indicates the course of the temperature T over the time t.
  • sections AI to F are defined in which different activities take place.
  • the component 6 is first brought from room temperature to a temperature of 420 ° C.
  • the heating rate is constant.
  • the treatment chamber in which the process is carried out is filled with an inert gas, such as nitrogen or argon, with an overpressure of 20 to 100 mbar above atmospheric pressure.
  • Temperature equalization phase Bl the treatment temperature is kept constant at about 420 ° C. During the heating phase AI and the temperature equalization phase Bl is thereby no oxygen-containing
  • the temperature equalization phase Bl is followed by a
  • Preoxidation phase C with an oxygen-containing process gas is provided.
  • the treatment chamber for example, air, nitrous oxide, synthetic
  • an inert gas such as nitrogen or argon is fed isobarically to the treatment chamber to exchange the gas atmosphere.
  • an inert gas such as nitrogen or argon is fed isobarically to the treatment chamber to exchange the gas atmosphere.
  • Heating rate until a treatment temperature of about 540 ° C is reached is followed by the second
  • a nitrogen donor gas 7 for example, an ammonia-nitrogen mixture or an ammonia-nitrogen-hydrogen mixture. Due to a sufficiently high supply of ammonia, the metallic components 6 contained in the treatment chamber are nitrided, and a bonding layer V is formed.
  • the nitrogen supply is lowered by the treatment chamber isobaric an ammonia-nitrogen mixture or an ammonia-nitrogen-hydrogen mixture with a lower
  • the nitrogen supply is increased again to the level of the nitration phase Dl.
  • further Sonderitride form while again forms a connecting layer in its surface next to the surface. This is completely degraded in the subsequent mining phase E2, in which the nitrogen supply is lowered back to the level of the first degradation phase El.
  • an inert gas such as nitrogen or argon is supplied isobarically to the treatment chamber to exchange the gas atmosphere.
  • an inert gas such as nitrogen or argon is supplied isobarically to the treatment chamber to exchange the gas atmosphere.
  • the nitriding of the metallic components 6 is terminated.
  • the treatment chamber and the metallic components 6 are then cooled to room temperature.
  • Nitrogen supply Dl, D2 two degradation phases with lower nitrogen supply El, E2 and a cooling phase F is limited.
  • connection layer V does not reach a very great thickness, in which it forms pores P. These would not be removed in the degradation phase El.
  • FIG. 2 illustrates the comparison of a sample nitrided according to the prior art (FIG. 2 a) with a sample nitrided in accordance with the process procedure shown in FIG. 1 (FIG. 2 b) in a sectional drawing.
  • the nitrogen donor gas 7 was in each case on the surface 8 of the component 6 from the metallic
  • the normal structure is also in the area that is closest to the surface 8 of the component 6, continued without breakage.
  • the undesired pores P which extend in FIG. 2 a to a depth of approximately 4 ⁇ m are absent in the surface 8 of the component 6.
  • connection layer V shows a stronger Aniser compared to a connection layer-free nitration from the outset and therefore appears darker on microscope images of metallographic cuts.
  • the material of the samples sketched in FIG. 2 is X40CrMoV5-l, which in addition to iron as the base metal contains the following further alloying elements in the following percentages by mass: carbon 0.39, silicon 1.10, manganese 0.4, chromium 5.20, molybdenum 1.40 , Vanadium 0.95.
  • FIG. 3 shows a GDOES depth profile analysis of the components 6 shown in FIG. 2.
  • Curve a relates to the component 6 sketched in FIG. 2a.
  • Curve b relates to the component 6 sketched in FIG. 2b.
  • the nitrogen concentration n is plotted in mass percent M in each case % over the edge distance (depth) d in ⁇ .
  • depth depth
  • curve b in the case of the component 6 sketched in FIG. 2b, the entire surface 8 near its surface is nitrided very uniformly.
  • the nitrogen concentration n in the component 6 according to FIG. 2a also converges to the nitrogen concentration n in the component 6 according to FIG. 2b.
  • FIG. 4 shows results of a durability test of notched, cylindrical components 6 (tensile specimens) with respect to the fatigue strength. All components 6 were remunerated. A part of the components 6 was not further heat-treated while the rest of the components 6 were nitrided. Before the zugschwellenden claim all components 6 were reworked in the clamping area. The notches were not reworked. Non-nitrided components 6, components 6 with an approximately 5 ⁇ m thick bonding layer V and components 6 with a bonding layer V thicker than 1 ⁇ m were tested.
  • the amplitude q of the voltages applied to the components 6 is plotted in N / mm 2 over the number z of vibrations to which the components 6 were exposed.
  • the type of symbol indicates whether component 6 passed the test (hollow symbol) or failed (filled symbol).
  • the measurements refer.
  • a square lying on its edge indicates a measured value which was obtained on a non-nitrided component 6.
  • a square standing on a point indicates a measuring point which has been recorded on a component 6 with 5 ⁇ thick bonding layer V.
  • a circle indicates a measuring point which thickens on a component 6 with a diameter of less than 1 ⁇ m
  • a compensation curve (la, 2a, 3a) is set, indicating for which combinations of voltage amplitudes q and repetition numbers z each one
  • Compensation curve corresponding to 50% probability of failure The letter b indicates the curve corresponding to 90% failure probability.
  • the letter c indicates the curve corresponding to 10% failure probability.
  • the non-nitrided components 6 cut the worst from a failure probability of 50%.
  • the components 6 with a less than 1 ⁇ thick compound layer V show the highest sustainable voltage amplitude based on a failure probability of 50%.
  • Connection layer V are in a comparable range, is the
  • the material of the samples investigated in FIG. 4 is 50CrMo4, which, in addition to iron as the base metal, has the following further alloying elements in the following
  • Embodiment of the invention nitrided components 6 (circles as symbols, curves designated by number 4) and other non-nitrided components 6 (squares as symbols, curves designated by number 5) compared.
  • the inclination of the curves 4a, 4b and 4c in the time-strength range is comparable to the inclination of the curves 5a, 5b and 5c.
  • the curves 4a, 4b and 4c approach the curves 5a, 5b and 5c in the time-strength range. This can be spoken of a comparable time stability.
  • the voltage amplitude is increased by about 24% based on a failure probability of 50%.
  • the advantage of the method according to the invention manifests itself in particular in the fact that the scattering of the components 6 nitrided according to this method is similar in comparison with the non-nitrided components 6 and no early failures occur with small numbers z of load changes.
  • the material of the samples investigated in FIG. 5 is 8CrMol6, which, in addition to iron as the base metal, has the following further alloying elements in the following

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Abstract

Verfahren zum Nitrieren eines Bauteils (6) aus einem metallischen Werkstoff (W), der Eisen als Basismetall enthält, wobei das Bauteil (6) in einer ersten Nitrierphase (D1) auf mindestens 450 °C erwärmt und an seiner Oberfläche (8) ein Stickstoff abgebendes Prozessgas und/oder Prozessgasgemisch (7) vorgelegt wird,so dass Stickstoff durch die Oberfläche (8) diffundiert, wobei in der ersten Nitrierphase (D1) eine eisennitridhaltige Verbindungsschicht (V) ausgebildet wird, wobei die Verbindungsschicht (V) in einer ersten Abbauphase (E1) durch Wärmebehandlung aufgelöstwird.

Description

Beschreibung Titel:
Verfahren zum Nitrieren eines Bauteils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nitrieren eines Bauteils aus einem metallischen Werkstoff.
Stand der Technik
Zur Erhöhung der Schwingfestigkeit metallischer Bauteile ist es bekannt, diese in oberflächennahen Bereichen zu nitrieren. Durch das Nitrieren entstehen
Einschlüsse, die die oberflächennahen Bereiche mit einem Druck- Eigenspannungsprofil vorspannen und auf diese Weise insbesondere vor Kerb- und Schwingbelastungen schützen.
Neben diesen Einschlüssen entsteht beim Nitrieren zwangsläufig in den der Oberfläche am nächsten gelegenen Bereichen eine harte, dafür aber spröde Verbindungsschicht mit deutlich höherem Stickstoffgehalt. Diese Schicht kann insbesondere bei Kerbbelastungen abplatzen, was zu einem Versagen des Bauteils sowie zu Folgeschäden durch dabei freigesetzte Partikel führen kann. Um dieses Problem zu vermindern, ist es aus der DE 102005049534 AI bekannt, die Verbindungsschicht nachträglich elektrochemisch abzutragen. Bei komplexeren Bauteilgeometrien ist dies nicht immer möglich.
Daher offenbart die DE 102009045878 AI, die Dicke der Verbindungsschicht bereits während der Nitrierung auf ein Optimum zu begrenzen, dass die
Bauteiloberfläche noch hinreichend gegen Korrosion passiviert, jedoch die Schwächung der Schwingfestigkeit durch die Verbindungsschicht vermeidet. Aus (M. Sumida,„Surface hardening and Microstructural Features of Chromium- Molybdenum Steel via Two-Stage Gas Nitriding with a Short Isothermal Time in Stage One", Materials Transactions 53 (8), 1468 bis 1474 (2012)) ist ein zweistufiger Prozess bekannt, bei dem durch Veränderung des
Stickstoffangebots eine zunächst dicke Verbindungsschicht nachträglich wieder reduziert werden kann. Als weiterer Stand der Technik ist die DE 102009002985 AI zu nennen.
Es hat sich herausgestellt, dass bei Bauteilen mit komplizierten Geometrien eine Nitrierung mit verminderter Verbindungsschichtdicke vielfach nicht den gewünschten Effekt mit sich bringt. Statt dauerhaft schwingfest zu sein, fallen die Bauteile mit großer Streuung der ertragbaren Lastspielzahl aus.
Aufgabe und Lösung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Nitrieren zur
Verfügung zu stellen, mit dem Streuung der ertragbaren Lastspielzahl bei d Ausfällen reduziert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus d darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zum Nitrieren eines Bauteils einem metallischen Werkstoff, der Eisen als Basismetall enthält, entwickelt.
Das Bauteil wird in einer ersten Nitrierphase auf mindestens 450 °C erwärmt, und es wird an seiner Oberfläche ein stickstoffabgebendes Prozessgas und/oder
Prozessgasgemisch vorgelegt. Dadurch diffundiert Stickstoff durch die
Oberfläche. In der ersten Nitrierphase wird eine eisennitridhaltige
Verbindungsschicht ausgebildet. Erfindungsgemäß wird die Verbindungsschicht in einer ersten Abbauphase durch Wärmebehandlung aufgelöst.
Es wurde erkannt, dass die Maßnahmen zur Nitrierung mit verminderter Verbindungsschichtdicke als störende Nebenwirkung das Stickstoffangebot während der gesamten Nitrierung vermindern. Bei Bauteilen mit komplexen Geometrien hat dies zur Folge, dass die Nitrierung ungleichmäßiger wird.
Unvollständig nitrierte Bereiche in der Bauteiloberfläche entwickeln sich im Laufe des Betriebes zu Schwachpunkten, an denen das Bauteil unter wiederholter Schwingbelastung bevorzugt versagt. Durch die Bildung der Verbindungsschicht wird zunächst einmal der Nachteil in Kauf genommen, dass diese eine deutlich schlechtere Schwingfestigkeit aufweist. Durch das anschließende Auflösen der Verbindungsschicht in der Abbauphase verschwindet dieser Nachteil.
Vorteilhaft enthält der metallische Werkstoff mindestens ein weiteres
metallisches Element, und der durch die Oberfläche diffundierende Stickstoff bildet mit diesem weiteren metallischen Element mindestens ein Sondernitrid. Das Verfahren hat dann den zusätzlichen Vorteil, dass die Bildung dieser Sondernitride vergleichmäßigt wird.
Das weitere metallische Element kann insbesondere ein Legierungselement des metallischen Werkstoffs sein. Die Erfindung bezieht sich aber ausdrücklich nicht nur auf höher legierte Werkstoffe, sondern auch auf niedrig legierte und unlegierte Werkstoffe.
Vorteilhaft werden die Dauer der ersten Nitrierphase, die Temperatur des Bauteils während der ersten Nitrierphase und/oder das Angebot an Stickstoff an der Oberfläche des Bauteils während der ersten Nitrierphase so gewählt, dass die Verbindungsschicht mit einer Dicke von höchstens 10 μηη, bevorzugt zwischen 2 μηη und 6 μηη, ausgebildet wird. Dieser Bereich ist in dem Sinne bevorzugt, dass die eigentliche Nitrierung vergleichmäßigt wird, sich in der Verbindungsschicht jedoch noch kein Porensaum durch das Rekombinieren von atomarem zu molekularem Stickstoff bildet. Diese Poren wären durch das bloße Entfernen des Eisennitrids nicht nachträglich zu beseitigen; sie könnten nur durch, beispielsweise mechanisches oder elektrochemisches, Abtragen der Verbindungsschicht entfernt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließen sich an die erste Abbauphase eine zweite Nitrierphase und eine zweite Abbauphase an.
Dabei müssen die Parameter der zweiten Nitrierphase nicht mit den Parametern der ersten Nitrierphase übereinstimmen. Ebenso müssen die Parameter der zweiten Abbauphase nicht mit den Parametern der ersten Abbauphase übereinstimmen. Zwei (oder mehr) Nitrierphasen mit zwischengeschalteter Abbauphase haben den Vorteil, dass insgesamt eine höhere Nitriertiefe erreicht werden kann, ohne dass dabei zu irgendeinem Zeitpunkt eine zu dicke
Verbindungsschicht entsteht und sich dadurch beispielsweise ein Porensaum bildet. Die Nitriertiefe wächst mit jeder Nitrierphase additiv, während die Dicke der Verbindungsschicht auf Grund der vorangegangenen Abbauphase jeweils wieder bei Null anfängt.
Indem die Bildung einer Verbindungsschicht zunächst in Kauf genommen wird, sind vorteilhaft zur Bildung des Sondernitrids höhere Temperaturbereiche zugänglich. Aus der Literatur ist bekannt (für Reineisen im Lehrer-Diagramm), dass bei gleichbleibendem Stickstoffangebot die Neigung zur Bildung einer
Verbindungsschicht mit steigender Behandlungstemperatur zunimmt. Je höher die Temperatur, desto schneller diffundiert der Stickstoff zwecks Bildung des Sondernitrids in die Bauteiloberfläche. Vorteilhaft wird daher das Bauteil zur Bildung des Sondernitrids auf Temperaturen bis zu 580 °C erwärmt. Nach dem bisherigen Stand der Technik musste mit deutlich geringeren Temperaturen gearbeitet werden, um nicht die Bildung einer Verbindungsschicht
überproportional zu fördern.
Versuche der Erfinder haben ergeben, dass bereits sehr dünne
Verbindungsschichten von etwa 100-200 nm Dicke, die etwa unter dem
Röntgenmikroskop oder mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) nachweisbar sind, mit Frühausfällen der behandelten Bauteile korreliert sind. Die zunächst gebildete Verbindungsschicht wird daher vorteilhaft so vollständig aufgelöst, dass sie mindestens im Lichtmikroskop nicht mehr zu erkennen ist. Vorteilhaft wird sie so vollständig aufgelöst, dass ihre Phasenanteile durch Röntgendiffraktometrie (XRD) nicht mehr nachweisbar sind. Durch Beobachtung der Phasenanteile kann das Auflösen in-situ beobachtet werden.
Für die letztendliche Schwing- und Kerbfestigkeit des Bauteils kommt es allein darauf an, dass die Verbindungsschicht vollständig aufgelöst wird. Das generelle
Funktionieren der Erfindung hängt nicht daran, wie dies im Einzelnen geschieht. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die
Verbindungsschicht jedoch aufgelöst, indem die Konzentration von atomarem Stickstoff und/oder eines stickstoffabgebenden Prozessgases vermindert wird und/oder indem die Zusammensetzung eines Stickstoff abgebenden
Prozessgasgemisches dahingehend verändert wird, dass weniger Stickstoff für die Nitrierung angeboten wird. Diese Maßnahme kann beispielsweise für eine Charge aus einer Vielzahl unterschiedlicher Bauteile, die sich in ungeordneter Form als Schüttgut in einer Behandlungskammer befinden, in einem Arbeitsgang durchgeführt werden.
Das Stickstoff abgebende Prozessgas kann insbesondere Ammoniak sein. Es kann auch ein Gemisch von beispielsweise Ammoniak mit Stickstoff und/oder Wasserstoff verwendet werden. Dann kann durch eine Änderung der
Gemischzusammensetzung das Stickstoffangebot für die Nitrierung verändert werden, ohne dass der Druck in der Behandlungskammer geändert werden muss. Das Stickstoffangebot an der Bauteiloberfläche kann aber auch ohne Änderung der Gaszusammensetzung allein durch eine weitere Erwärmung des Bauteils und/oder des Gases oder Gasgemisches vermindert werden: je höher die Temperatur, desto schneller dissoziiert Ammoniak an der Bauteiloberfläche und desto schneller diffundiert atomarer Stickstoff von der Bauteiloberfläche weg. Wird die Gaszusammensetzung geändert, so kann als Zwischenschritt vorteilhaft die Behandlungskammer evakuiert werden, um in der ganzen
Behandlungskammer definierte Bedingungen zu schaffen.
Vorteilhaft wird das Bauteil zum Auflösen der Verbindungsschicht auf nicht mehr als 1000 °C, bevorzugt auf nicht mehr als 600 °C, weiter erwärmt. Oberhalb von etwa 600 °C ist damit zu rechnen, dass der metallische Werkstoff des Bauteils durch den an seiner Oberfläche vorgelegten Stickstoff austenitisch wird. Dies ist beim Nitrieren nicht erwünscht, da das Bauteil sich verziehen, sein Kern zu hoch angelassen und/oder seine Gitterstruktur am Rand verändert werden könnte. Weiterhin sind viele Nitrieröfen auf Betriebstemperaturen bis ca. 700 °C begrenzt; bei höheren Temperaturen kann die Standzeit der Ofenmaterialien stark reduziert werden, was vermehrt Verzüge verursachen kann. Niobnitrid und Chromnitrid sind Beispiele für Sondernitride, die bis ca. 1000 °C
temperaturbeständig sind.
Die Einschlüsse aus dem Sondernitrid, die für die vorteilhaften
Druckeigenspannungen verantwortlich sind, sind metastabil. Vorteilhaft wird daher die Bauteiltemperatur unterhalb der Temperatur gehalten, bei der sich
Einschlüsse aus dem Sondernitrid spontan auflösen. Die Druckeigenspannungen bleiben dann gleichsam im Gefüge des Bauteils erhalten.
Zum Auflösen der Verbindungsschicht kann das Angebot an atomarem Stickstoff an der Bauteiloberfläche insbesondere nicht nur reduziert, sondern komplett auf null zurückgefahren werden, beispielsweise, indem die Behandlungskammer evakuiert oder an der Bauteiloberfläche lediglich ein Inertgas, wie beispielsweise molekularer Stickstoff oder Argon, vorgelegt wird. Allerdings gibt es hier ein materialabhängiges Optimum: die Kombination aus der Konzentration des Stickstoffs und/oder Prozessgases bzw. aus der Zusammensetzung des
Prozessgasgemisches einerseits und der Bauteiltemperatur andererseits wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung aus einem
Kennfeldbereich ausgewählt, in dem eine Diffusion von in der
Verbindungsschicht gebundenen Stickstoff aus der Oberfläche des Bauteils angetrieben wird.
Für nitriertes Reineisen als das einfachste Materialsystem gibt das bekannte Lehrer- Diagramm beispielhaft an, bei welchen Kombinationen aus Temperatur, Nitrierkennzahl und Stickstoffangebot sich eine Eisennitridschicht bildet oder auflöst oder ob sich das Eisen in eine austenitische Struktur umwandeln wird.
Vorteilhaft wird die Kombination aus der Konzentration des Stickstoffs und/oder Prozessgases bzw. aus der Zusammensetzung des Prozessgasgemisches einerseits und der Bauteiltemperatur andererseits aus einem Kennfeldbereich ausgewählt, in dem das Eisennitrid der Verbindungsschicht thermodynamisch instabil ist. Der Prozess, der zur Bildung der Verbindungsschicht geführt hat, läuft dann bevorzugt rückwärts ab. In einer weiteren besonders vorteilhaften
Ausgestaltung ist in diesem Kennfeldbereich das Sondernitrid thermodynamisch stabil. Es bleibt dann in vollem Umfang erhalten.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Kombination aus der Konzentration des Stickstoffs und/oder Prozessgases bzw. aus der Zusammensetzung des Prozessgasgemisches einerseits und der
Bauteiltemperatur andererseits aus einem Kennfeldbereich ausgewählt, in dem der in Sondernitriden stärker gebundene Stickstoff in der Oberfläche des Bauteils verbleibt. Dann bleibt die für die Schwingfestigkeit maßgebliche eigentliche Nitrierschicht in vollem Umfang erhalten, und es wird lediglich die
Verbindungsschicht zurückgebildet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die
Bauteiloberfläche vor mindestens einer Nitrierphase und/oder nach mindestens einer Abbauphase in einer zusätzlichen Oxidationsphase oxidiert. Hierdurch wird Eisenoxid gebildet, wodurch die Nitrierwirkung verbessert wird. Da hierdurch jedoch auch gleichzeitig die Bildung der Verbindungsschicht begünstigt wird, ist die erfindungsgemäß vorgesehene Abbauphase in dieser Ausgestaltung besonders vorteilhaft in Bezug auf die Schwingfestigkeit.
Die Prozessgase oder Prozessgasgemische können beispielsweise
nitrierkennzahl- und/oder oxidationskennzahl- und/oder
kohlungskennzahlgeregelt der Behandlungskammer zugeführt werden. Sie können aber beispielsweise auch als Festgasmenge der Behandlungskammer zugeführt werden. Das generelle Funktionieren der Erfindung hängt nicht daran, dass die Prozessgase oder Prozessgasgemische in bestimmter Weise geregelt zugeführt werden. Durch kohlungskennzahlgeregelte Zuführung kann das Bauteil gleichzeitig nitriert und carburiert werden. Hierbei verändert sich der Aufbau der Verbindungsschicht. Alternativ oder auch in Kombination hierzu kann durch oxidationskennzahlgeregelte Zuführung die Nitrierwirkung erhöht werden.
Weiterhin ist eine solche Regelung von Vorteil, wenn das Bauteil aus einem hoch mit Chrom legierten Stahl besteht. Vorteilhaft wird das Verfahren unter Atmosphärendruck durchgeführt. Dann muss die Behandlungskammer nicht druckfest sein. Vorteilhaft kann das Verfahren aber auch im Niederdruck, d.h. mit einem geringeren Druck als dem
Atmosphärendruck, durchgeführt werden. Bereits bei einem geringen
Druckunterschied kann beispielsweise verhindert werden, dass Prozessgase bei einem Leck aus der Behandlungskammer entweichen. Außerdem ist die mittlere freie Weglänge für die Diffusion bei einem geringeren Druck größer.
Das Verfahren kann beispielsweise auch unter Plasmanitrierbedingungen mit oder ohne active screen-Unterstützung durchgeführt werden. Dadurch wird die
Nitrierung insgesamt beschleunigt. Es kann zu jeder Zeit weiterhin ein Sauerstoff und/oder Kohlenstoff abgebendes Prozessgas oder Prozessgasgemisch zugegeben werden, um eine Nitrocarburierung vorzunehmen. Die Freiheit der fertigen Bauteiloberfläche von einer harten eisennitridhaltigen
Verbindungsschicht hat den Nebeneffekt, dass Werkzeuge, mit denen diese Oberfläche nachträglich mechanisch bearbeitet wird, weniger schnell
verschleißen. Zur Auslegung des Gesamtprozesses können Simulationsmodelle herangezogen werden, die die Diffusion von Stickstoff und die Bildung der Sondernitride in Abhängigkeit von Zeit, Temperatur und Werkstoffzusammensetzung berechnen. Ansonsten können die Prozessparameter in bekannter Weise durch Anfertigung einer Reihe von Probestücken und Begutachtung metallographischer Schliffe fein abgestimmt werden.
Ob ein gegebenes Bauteil mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
wärmebehandelt wurde, kann ein Denitrieren bei der Nitriertemperatur zeigen. Im Vergleich zu einem Bauteil, das, etwa durch ein vermindertes Ammoniakangebot, von vornherein verbindungsschichtfrei nitriert wurde, wird aus einem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Bauteil weniger Stickstoff
effundieren, da die Konzentration ungebundener Stickstoffatome in der
Eisenmatrix bereits während des Nitrierens durch Effusion und Diffusion im Randbereich stark erniedrigt wird. Wie viel Stickstoff effundiert, kann
beispielsweise durch Wiegen des Bauteils, durch eine Analyse der Zusammensetzung des Abgases oder durch Messung des Druckanstiegs in einer temperierbaren Messkammer festgestellt werden. Darüber hinaus ist die ursprünglich gebildete, später aufgelöste Verbindungsschicht metallographisch durch ein verändertes Anätzverhalten nachweisbar.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt:
Figur 1: Verlauf der Temperatur T über der Zeit t bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 2: Gefügeaufnahme einer gemäß Stand der Technik nitrierten Probe (a) und einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nitrierten Probe (b).
Figur 3: GDOES-Tiefenprofilanalyse der Stickstoffkonzentration n über dem Randabstand d für die Probe gemäß Figur 2a (Kurve a) sowie die Probe gemäß Figur 2b (Kurve b).
Figur 4: Auswirkung einer Nitrierung mit Verbindungsschichtdicken von < 1 μηη sowie von 5 μηη auf die Schwingfestigkeit.
Figur 5: Auswirkung einer Nitrierung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf die Schwingfestigkeit.
Figur 1 zeigt beispielhaft die Prozessführung für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die durchgehende Kurve bezeichnet den Verlauf der Temperatur T über der Zeit t. Entlang der Zeitachse sind Abschnitte AI bis F definiert, in denen unterschiedliche Aktivitäten stattfinden. In der Aufheizphase AI wird das Bauteil 6 zunächst von Raumtemperatur auf eine Temperatur von 420 °C gebracht. Die Aufheizrate ist dabei konstant. Die Behandlungskammer, in der das Verfahren durchgeführt wird, ist mit einem Inertgas, wie zum Beispiel Stickstoff oder Argon, mit einem Überdruck von 20 bis 100 mbar über dem Atmosphärendruck befüllt.
In der an die Aufheizphase AI anschließenden
Temperaturvergleichmäßigungsphase Bl wird die Behandlungstemperatur konstant auf etwa 420 °C gehalten. Während der Aufheizphase AI und der Temperaturvergleichmäßigungsphase Bl wird dabei kein sauerstoffhaltiges
Prozessgas oder Stickstoffspendergas 7 zugeführt.
An die Temperaturvergleichmäßigungsphase Bl schließt sich eine
Voroxidationsphase C mit einem sauerstoffhaltigen Prozessgas an. Zu diesem Zweck wird der Behandlungskammer zum Beispiel Luft, Lachgas, synthetische
Luft oder ein Stickstoff-Wasserdampf-Gemisch isobar zugeführt.
Nach der Voroxidationsphase C wird der Behandlungskammer zum Tausch der Gasatmosphäre isobar ein Inertgas, wie zum Beispiel Stickstoff oder Argon, zugeführt. Daran anschließend folgt die Aufheizphase A2 mit einer konstanten
Aufheizrate, bis eine Behandlungstemperatur von etwa 540 °C erreicht wird. An die Aufheizphase A2 schließt sich die zweite
Temperaturvergleichmäßigungsphase B2 an. In der darauffolgenden Nitrierphase Dl wird der Behandlungskammer zum
Tausch der Gasatmosphäre isobar ein Stickstoffspendergas 7, beispielsweise ein Ammoniak- Stickstoff-Gemisch oder ein Ammoniak-Stickstoff-Wasserstoff- Gemisch zugeführt. Durch ein ausreichend hohes Ammoniakangebot werden die in der Behandlungskammer enthaltenen metallischen Bauteile 6 nitriert, und es bildet sich eine Verbindungsschicht V aus.
In der anschließenden Abbauphase El wird das Stickstoffangebot abgesenkt, indem der Behandlungskammer isobar ein Ammoniak- Stickstoff-Gemisch oder ein Ammoniak- Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch mit einem niedrigeren
Ammoniakgehalt zugeführt wird. Dadurch wird die Bindung des Stickstoffs in der Verbindungsschicht V thermodynamisch instabil. Der Stickstoff diffundiert zum Einen tiefer in das Bauteil hinein und bildet dort Sondernitride N. Zum Anderen tritt er auch aus der Oberfläche der Verbindungsschicht in die Atmosphäre der Behandlungskammer über. Die Verbindungsschicht wird aufgelöst. Der oberflächennächste Bereich des Bauteils verliert ihren harten, spröden
Charakter.
In der anschließenden zweiten Nitrierphase D2 wird das Stickstoffangebot wieder auf das Niveau der Nitrierphase Dl erhöht. Im Inneren des Bauteils bilden sich weitere Sondernitride, während sich in seinem oberflächennächsten Bereich erneut eine Verbindungsschicht ausbildet. Diese wird in der anschließenden Abbauphase E2, in der das Stickstoffangebot wieder auf das Niveau der ersten Abbauphase El abgesenkt wird, vollständig abgebaut.
Am Ende der zweiten Abbauphase E2 wird der Behandlungskammer zum Tausch der Gasatmosphäre isobar ein Inertgas, wie zum Beispiel Stickstoff oder Argon, zugeführt. Hierdurch wird das Nitrieren der metallischen Bauteile 6 beendet. Die Behandlungskammer und die metallischen Bauteile 6 werden anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt.
Es versteht sich selbst, dass auf diese Weise zahlreiche Verfahren zum Nitrieren realisierbar sind und die Erfindung nicht auf die erläuterte Abfolge und Anzahl von zwei Aufheizphasen AI, A2, zwei Temperaturvergleichmäßigungsphasen Bl, B2 einer Voroxidationsphase C, zwei Nitrierphasen mit hohem
Stickstoffangebot Dl, D2, zwei Abbauphasen mit niedrigerem Stickstoffangebot El, E2 und einer Abkühlphase F beschränkt ist.
Die Aufteilung in zwei Nitrierphasen Dl und D2 mit zwischengeschalteter Abbauphase El hat den Vorteil, dass die Verbindungsschicht V keine allzu große Dicke erreicht, bei der sie Poren P ausbildet. Diese wären in der Abbauphase El nicht mehr zu entfernen.
Figur 2 verdeutlicht den Vergleich einer gemäß Stand der Technik nitrierten Probe (Figur 2a) mit einer gemäß der in Figur 1 gezeigten Prozessführung nitrierten Probe (Figur 2b) in Schnittzeichnung. Das Stickstoffspendergas 7 wurde jeweils an der Oberfläche 8 des Bauteils 6 aus dem metallischen
Werkstoff W vorgelegt.
Bei der Herstellung der in Figur 2a skizzierten Probe waren gegenüber der in Figur 1 verdeutlichten Prozessführung die Abbauphasen El und E2 fortgelassen worden. Infolgedessen verblieb auf der eigentlichen Nitrierschicht N eine 8 μηη dicke Verbindungsschicht V, deren 4 μηη dicker oberer Bereich P zusätzlich noch von Poren durchsetzt war. Die in Figur 2b skizzierte Probe wurde gemäß der in Figur 1 dargestellten
Prozessführung hergestellt. Die 8 μηη dicke Verbindungsschicht wurde nicht etwa abgetragen, sondern es wurde während der Abbauphasen El und E2 jeweils die in der vorherigen Nitrierphase Dl bzw. D2 angefallene Verbindungsschichtdicke von 4 μηη durch Entfernen des Stickstoffs aus dem Eisennitrid der
Verbindungsschicht V zurückgebildet. Dabei blieb das Eisen jeweils an seinem
Platz. Infolgedessen ist das normale Gefüge auch in den Bereich, der der Oberfläche 8 des Bauteils 6 am nächsten ist, ohne Bruch fortgesetzt. Im
Vergleich zu Figur 2a fehlen im der Oberfläche 8 des Bauteils 6 nächsten Bereich auch die unerwünschten Poren P, die sich in Figur 2a bis in eine Tiefe von etwa 4 μηη erstrecken.
Die zurückgebildete Verbindungsschicht V zeigt im Vergleich zu einer von vornherein verbindungsschichtfreien Nitrierung ein stärkeres Anätzverhalten und erscheint auf Mikroskopaufnahmen metallographischer Schliffe daher dunkler.
Der Werkstoff der in Figur 2 skizzierten Proben ist X40CrMoV5-l, der neben Eisen als Basismetall folgende weiteren Legierungselemente in folgenden Massenprozentanteilen enthält: Kohlenstoff 0,39, Silizium 1,10, Mangan 0,4, Chrom 5,20, Molybdän 1,40, Vanadium 0,95.
Figur 3 zeigt eine GDOES-Tiefenprofilanalyse der in Figur 2 dargestellten Bauteile 6. Kurve a bezieht sich auf das in Figur 2a skizzierte Bauteil 6. Kurve b bezieht sich auf das in Figur 2b skizzierte Bauteil 6. Aufgetragen ist jeweils die Stickstoffkonzentration n in Massenprozent M% über dem Randabstand (Tiefe) d in μηη. In Kurve a ist die etwa 8 μηη dicke Verbindungsschicht deutlich zu erkennen. Gemäß Kurve b ist bei dem in Figur 2b skizzierten Bauteil 6 der gesamte seiner Oberfläche 8 nahe Bereich sehr gleichmäßig nitriert. Mit zunehmender Tiefe d konvergiert auch die Stickstoffkonzentration n im Bauteil 6 gemäß Figur 2a gegen die Stickstoffkonzentration n in dem Bauteil 6 gemäß Figur 2b.
Figur 4 zeigt Ergebnisse einer Dauerprüfung von gekerbten, zylindrischen Bauteilen 6 (Zugproben) in Bezug auf die Schwingfestigkeit. Alle Bauteile 6 wurden vergütet. Ein Teil der Bauteile 6 wurde nicht weiter wärmebehandelt, während der Rest der Bauteile 6 nitriert wurde. Vor dem zugschwellenden Beanspruchen wurden alle Bauteile 6 im Einspannbereich nachbearbeitet. Die Kerben wurden nicht nachbearbeitet. Getestet wurden nicht nitrierte Bauteile 6, Bauteile 6 mit einer etwa 5 μηη dicken Verbindungsschicht V und Bauteile 6 mit einer weniger als 1 μηη dicken Verbindungsschicht V.
Aufgetragen ist jeweils die Amplitude q der Spannungen, mit denen die Bauteile 6 beaufschlagt wurden, in N/mm2 über der Anzahl z der Schwingungen, denen die Bauteile 6 ausgesetzt waren. An jedem Punkt ist durch die Symbolart angegeben, ob das Bauteil 6 den Test bestanden hat (hohles Symbol) oder ob es versagt hat (ausgefülltes Symbol). Mit den unterschiedlichen Symbolformen ist jeweils angegeben, auf weiche Probe sich die Messungen beziehen. Eine auf seiner Kante liegendes Quadrat kennzeichnet einen Messwert, der an einem nicht nitrierten Bauteil 6 gewonnen wurde. Ein auf einer Spitze stehendes Quadrat kennzeichnet einen Messpunkt, der an einem Bauteil 6 mit 5 μηη dicker Verbindungsschicht V aufgenommen wurde. Ein Kreis kennzeichnet einen Messpunkt, der an einem Bauteil 6 mit einer weniger als 1 μηη dicken
Verbindungsschicht gewonnen wurde. Durch die Messpunkte ist jeweils eine Ausgleichskurve (la, 2a, 3a) gelegt, die angibt, für welche Kombinationen aus Spannungsamplituden q und Wiederholungszahlen z jeweils eine
Ausfallwahrscheinlichkeit von 50 % zu erwarten ist. Diese Ausgleichskurven (la, 2a, 3a) sind jeweils von gestrichelten Kurven (lb, 2b, 3b) bzw. (lc, 2c, 3c) umgeben, die angeben, für welche Kombinationen aus Spannungsamplituden q und Anzahl z der Wiederholungen Ausfallraten von 10% bzw. 90% zu erwarten sind. Kurven, die mit der Zahl 1 bezeichnet sind, beziehen sich auf mit einer 5 μηη dicken Verbindungsschicht V nitrierte Bauteile 6. Kurven, die mit der Zahl 2 bezeichnet sind, beziehen sich auf nicht nitrierte Bauteile 6. Kurven, die mit der Zahl 3 bezeichnet sind, beziehen sich auf mit einer weniger als 1 μηη dicken Verbindungsschicht V nitrierte Bauteile 6. Der Buchstabe a bezeichnet jeweils die
Ausgleichskurve, die 50 % Ausfallwahrscheinlichkeit entspricht. Der Buchstabe b bezeichnet jeweils die Kurve, die 90 % Ausfallwahrscheinlichkeit entspricht. Der Buchstabe c bezeichnet jeweils die Kurve, die 10 % Ausfallwahrscheinlichkeit entspricht.
Die nicht nitrierten Bauteile 6 schneiden am schlechtesten ab bezogen auf eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 50 %. Die Bauteile 6 mit einer weniger als 1 μηη dicken Verbindungsschicht V zeigen die höchste ertragbare Spannungsamplitude bezogen auf eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 50 %. Allerdings werden die negativen Auswirkungen der dünnen Verbindungsschicht V bei der Streuung 1/TN der Wiederholungszahlen z deutlich: Während nicht nitrierte Bauteile 6 eine Streuung von 1/TN=2,72 und die Bauteile 6 mit einer 5 μηη dicken
Verbindungsschicht V eine Streuung von 1/TN=1,44 aufweisen, ist die Streuung bei den Bauteilen 6 mit einer weniger als 1 μηη dicken Verbindungsschicht V mit 1/TN=16,2 gravierend höher. Auffällig sind weiterhin Unterschiede bezüglich der
Eckschwingzahl, also der Stelle auf der Achse der Wiederholungszahl z, an der die Ausgleichskurve (la, 2a, 3a) für 50 % Ausfallwahrscheinlichkeit in einen waagerechten Verlauf abknickt. Während die Eckschwingzahlen der nicht nitrierten Bauteile 6 und der Bauteile 6 mit einer weniger als 1 μηη dicken
Verbindungsschicht V in einem vergleichbaren Bereich liegen, ist die
Eckschwingzahl der Bauteile 6 mit einer 5 μηη dicken Verbindungsschicht V deutlich nach links zu einem niedrigen Wert von ca. 5000 Lastwechseln verschoben. Dies zeigt, dass bei mit einer 5 μηη dicken Verbindungsschicht V nitrierte Bauteile
6 bei dieser Beanspruchung bezogen auf 50 % Ausfallwahrscheinlichkeit sehr früh, aber mit kleiner Streuung ausfallen können. Die mit einer weniger als 1 μηη dicken Verbindungsschicht V nitrierten Bauteile 6 zeigen bei dieser
Beanspruchung bezogen auf 50 % Ausfallwahrscheinlichkeit eine mit den nicht nitrierten Bauteilen 6 vergleichbare Eckschwingzahl, aber die Streuung ist massiv erhöht. Durch die zunehmende Streuung müssen bei der Auslegung der Bauteile 6 höhere Sicherheitszuschläge berücksichtigt werden, wodurch sich der Nutzen der Wärmebehandlung deutlich relativiert.
Der Werkstoff der in Figur 4 untersuchten Proben ist 50CrMo4, der neben Eisen als Basismetall folgende weiteren Legierungselemente in folgenden
Massenprozentanteilen enthält: Kohlenstoff 0,50, Chrom 1,05, Molybdän 0,23.
In Figur 5 werden in analoger Weise mit einem Verfahren gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung nitrierte Bauteile 6 (Kreise als Symbole, mit Zahl 4 bezeichnete Kurven) und weitere nicht nitrierte Bauteile 6 (Quadrate als Symbole, mit Zahl 5 bezeichnete Kurven) miteinander verglichen. Die Neigung der Kurven 4a, 4b und 4c im Zeitfestigkeitsbereich ist mit der Neigung der Kurven 5a, 5b und 5c vergleichbar. Darüber hinaus nähern sich die Kurven 4a, 4b und 4c im Zeitfestigkeitsbereich den Kurven 5a, 5b und 5c an. Damit kann von einer vergleichbaren Zeitfestigkeit gesprochen werden. Die Spannungsamplitude ist bezogen auf eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 50 % um etwa 24 % erhöht. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens manifestiert sich besonders darin, dass die Streuung der gemäß diesem Verfahren nitrierten Bauteile 6 im Vergleich mit den nicht nitrierten Bauteilen 6 ähnlich ist und keine Frühausfälle bei geringen Anzahlen z von Lastwechseln stattfinden.
Der Werkstoff der in Figur 5 untersuchten Proben ist 8CrMol6, der neben Eisen als Basismetall folgende weiteren Legierungselemente in folgenden
Massenprozentanteilen enthält: Kohlenstoff 0,09, Chrom 3,90, Molybdän 0,50.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Nitrieren eines Bauteils (6) aus einem metallischen Werkstoff (W), der Eisen als Basismetall enthält, wobei das Bauteil (6) in einer ersten Nitrierphase (Dl) auf mindestens 450 °C erwärmt und an seiner
Oberfläche (8) ein Stickstoff abgebendes Prozessgas und/oder
Prozessgasgemisch (7) vorgelegt wird, so dass Stickstoff durch die Oberfläche (8) diffundiert, wobei in der ersten Nitrierphase (Dl) eine eisennitridhaltige Verbindungsschicht (V) ausgebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbindungsschicht (V) in einer ersten Abbauphase (El) durch
Wärmebehandlung aufgelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff (W) mindestens ein weiteres metallisches Element enthält und dass der durch die Oberfläche (8) diffundierende Stickstoff mit diesem weiteren metallischen Element mindestens ein Sondernitrid (N) bildet.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Dauer der ersten Nitrierphase (Dl), die Temperatur des Bauteils (6) während der ersten Nitrierphase (Dl) und/oder das Angebot an Stickstoff an der Oberfläche (8) des Bauteils während der ersten Nitrierphase (Dl) so gewählt werden, dass die Verbindungsschicht (V) mit einer Dicke von höchstens 10 μηη, bevorzugt mit einer Dicke von 2 μηη bis 6 μηη, ausgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass sich an die erste Abbauphase (El) eine zweite
Nitrierphase (D2) und eine zweite Abbauphase (E2) anschließen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass das Bauteil (6) zur Bildung des Sondernitrids (N) auf Temperaturen bis zu 580 °C erwärmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (V) aufgelöst wird, indem die Konzentration von atomarem Stickstoff und/oder eines Stickstoff abgebenden Prozessgases (7) vermindert und/oder die Zusammensetzung eines Stickstoff abgebenden Prozessgasgemisches (7) verändert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass das Bauteil (6) zum Auflösen der Verbindungsschicht (V) weiter erwärmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das
Bauteil (6) auf nicht mehr als 1000 °C, bevorzugt auf nicht mehr als 600 °C, weiter erwärmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Temperatur des Bauteils (6) unterhalb der
Temperatur gehalten wird, bei der sich Einschlüsse aus dem Sondernitrid (N) spontan auflösen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kombination aus der Konzentration des Stickstoffs und/oder Prozessgases (7) bzw. aus der Zusammensetzung des
Prozessgasgemisches (7) einerseits und der Temperatur des Bauteils (6) andererseits aus einem Kennfeldbereich ausgewählt wird, in dem eine Diffusion von in der Verbindungsschicht (V) gebundenem Stickstoff aus der Oberfläche des Bauteils (6) angetrieben wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kombination aus der Konzentration des Stickstoffs und/oder Prozessgases (7) bzw. aus der Zusammensetzung des
Prozessgasgemisches (7) einerseits und der Temperatur des Bauteils (6) andererseits aus einem Kennfeldbereich ausgewählt wird, in dem das Eisennitrid der Verbindungsschicht (V) thermodynamisch instabil ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kombination aus der Konzentration des Stickstoffs und/oder Prozessgases (7) bzw. aus der Zusammensetzung des
Prozessgasgemisches (7) einerseits und der Temperatur des Bauteils (6) andererseits aus einem Kennfeldbereich ausgewählt wird, in dem der in
Sondernitriden (N) stärker gebundene Stickstoff in der Oberfläche des Bauteils (6) verbleibt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Oberfläche (8) des Bauteils (6) vor mindestens einer Nitrierphase (Dl, D2) und/oder nach mindestens einer Abbauphase (El, E2) in einer zusätzlichen Oxidationsphase (C) oxidiert wird.
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