NL9300901A

NL9300901A - Werkwijze voor het carbonitreren van staal.

Info

Publication number: NL9300901A
Application number: NL9300901A
Authority: NL
Original assignee: Skf Ind Trading & Dev
Priority date: 1993-05-26
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 1994-12-16
Also published as: US5456766A; JPH07173602A; DE69406357D1; EP0626468A1; EP0626468B1; DE69406357T2; JP3431999B2

Description

Werkwijze voor het carbonitreren van staal.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het carbonitreren van een staal omvattende: 0,75 - 1,1 gew.# C; tot 1,0 gew.# Si; minder dan 0,015 gew.# P; tot 0,5 gew.# Mo; tot 1,2 gew.# Mn; 0,5 ~ 2 gew.# Cr en overig Fe door het bij verhoogde temperatuur blootstellen aan een atmosfeer tenminste omvattende koolmonoxyde, waterstof en ammoniak. Een dergelijke staalsoort is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4.961.904. Dergelijke staalsoorten worden o.a. gebruikt voor ringen en wenteldelen van wentel-lagers. Voor algemene constructietoepassingen blijkt dit staal voor wen-tellagers bijzonder geschikt te zijn. Gebleken is echter dat voor bepaalde toepassingen, waarbij een hoge statische belasting ontstaat, zwaardere eisen aan het staal moeten worden gesteld. Voorbeelden daarvan zijn la-gerschalen toegepast in versnellingsbakken van voertuigen en wisselstroomdynamo ' s.

Het doel van de onderhavige uitvinding is om zonder het verder legeren van bovenstaande staal bij verhoudingsgewijs lage kosten, dit universeel toegepaste staal zodanig in structuur te wijzigen dat voor die bepaalde toepassingen betere eigenschappen worden verkregen.

Dit doel wordt bij een hierboven beschreven werkwijze verwezenlijkt doordat gedurende 1 tot 10 uren het staal bij een temperatuur tussen 780 en 900° C blootgesteld wordt aan die atmosfeer waarvan de samenstelling zodanig is, dat de koolstof activiteit (ac) tussen 0,90 en 1,10 ligt, en dat een met de atmosfeer gebalanceerde stikstofpotentiaal Npot optreedt, rechtstreeks gemeten aan het oppervlak van 0,1 - 0,6 gew.# N. Een dergelijke stikstofpotentiaal kan met folieanalyse gemeten worden. Door het met een dergelijk hoge koolstofactiviteit carbonitreren ontstaat aan het oppervlak van het staal hoog gelegeerd martensiet. Daardoor worden de statische belastbaarheid, taaiheid, vermoeiïngssterkte bij rollend contact, slijtweerstand verbeterd.

Deze werkwijze voor het verkrijgen van hoog gelegeerd martensiet verschilt van de tot nu toe bekende werkwijzen. In de stand der techniek werd voorgesteld voor het verkrijgen van hoog gelegeerde martensietsoor-ten hetzij een staalsoort met hoog koolstofgehalte te gebruiken hetzij hogere hardingstemperaturen te gebruiken hetzij een combinatie van deze twee toe te passen. Daarbij bestaat echter het nadeel, dat de structuur niet fijn-korrelig blijft, de taaiheid afneemt en de hoeveelheid rest-austeniet toeneemt waardoor de dimensionele stabiliteit afneemt.

Door de warmtebehandeling volgens de uitvinding ontstaat een verrijking van het oppervlak met koolstof en stikstof. Daarbij ontstaat geen cementiet op of bij het oppervlak van het staal hetgeen normaliter bij het carbonitreren van kogellagerstaal met de samenstelling 1 gew.# C -1,5 gew.# Cr, Fe (SAE 52100) waargenomen wordt. Door de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding blijft de korrelgrootte van het austeniet gering door precipitatie en groei van fijne restcarbiden. Door het na het carbonitreren afschrikken ontstaat een fijnkorrelige martensiet met hoge sterkte. Aangezien het oppervlak verrijkt is met austeniet versterkende elementen is de temperatuur waarbij de martensiet ontstaat aan het oppervlak tijdens het afschrikken lager dan in de stand der techniek. Door de oppervlakteverrijking neemt de afschuifsterkte van het austeniet toe, zodat een grotere hoeveelheid onderkoeling noodzakelijk is en daarom is de temperatuur waarbij de martensiet ontstaat lager. Bovendien wordt de drukspanning aan het oppervlak groter, waardoor de ondervonden spanningen afnemen en de levensduur vergroot. Daarbij vindt een gebruikelijke warmtebehandeling plaats. De lagere martensiet starttemperatuur geeft een aanzienlijke toename in restausteniet aan het oppervlak. Dit vindt echter uitsluitend plaats nabij het oppervlak zodat de dimensionele stabiliteit daaronder niet lijdt.

Volgens een voorkeursuitvoering van de uitvinding ligt de behande-lingstemperatuur tijdens het carbonitreren tussen 800 en 880°C, de behan-delingsduur tussen 3 en 5 uren en is de koolstofactiviteit ongeveer 1,0.

Meer in het bijzonder omvat de toegevoegde carbonitrerende atmosfeer 17-25 vol.# koolmonoxyde, 30-^5 vol.# waterstof, 1-10 vol.# ammoniak.

De hoeveelheid ammoniak die wordt toegepast is in aanzienlijke mate afhankelijk van de oven waarin het carbonitreren wordt uitgevoerd en van de overige procesparameters. Bij het uiteenvallen van ammoniak komt atomaire stikstof vrij die gedeeltelijk in het metaal wordt opgenomen. Tijdens het carbonitreren wordt de hoeveelheid stikstof die vrijkomt gemeten door het in de oven aanbrengen van metaalfolies en deze terstond te analyseren.

Een met de hierboven beschreven werkwijze verkregen staal omvat bij voorkeur nabij het oppervlak 10-30 vol.# austeniet, 3_10 vol.# carbide en overigens martensiet.

De uitvinding zal hieronder aan de hand van een voorbeeld nader worden verduidelijkt.

Staal 52IOO met de volgende samenstelling werd toegepast:

Tabel 1:

Chemische samenstelling;

Koolstof: 0,99 gew.#

Silicium: 0,24 gew.#

Mangaan: 0,29 gew.#

Fosfor: 0,018 gew.#

Zwavel: 0,023 gew.#

Chroom: 1,37 gew·%

Nikkel: 0,19 gew.2

Molybdeen: 0,06 gew.#

Koper: 0,20 gew.2

Aluminium: 0,042 gew.#.

Verschillende proefstukken uit het bovengenoemde staal werden onderworpen aan een carbonitreerbehandeling onder de volgende omstandigheden.

Tabel 2:

Proef Temp (°C) Tijd (hr) NH3(#) 1 820 ± 10eC 4 3 2 870 " 4 3 3 870 " 4 1 4 900 "43

De koolstofactiviteit van de atmosfeer werd zoveel mogelijk op 1 gehandhaafd, hetgeen wil zeggen dat juist geen roetvorming optrad. De proefstukken waren aanwezig in de vorm van kogellagerringen en werden alle direkt van de bovenstaande carbonitreertemperatuur in olie bij 50 °C afgeschrikt, gespoeld bij 60°C en gedurende 1,5 uur bij l60 C ontlaten-Zoals hierboven reeds aangegeven hangt de atmosfeer in de oven van het gebruikte soort oven af. Bij meting bleek deze atmosfeer de volgende samenstelling te hebben:

1) De gebruikte zuurstofsensor was het fabrikaat Process Electronics, Model Carbodiff-CE with een zuurstofmeetcel type CS-85.

2) De waarde voor de koolstofactiviteit wordt gegeven ten opzichte van de activiteit voor grafiet, d.w.z. grafiet gebruikt in de "standaardtoe- stand" voor koolstof.

3) De koolstofactiviteit en de koolstofpotentiaal worden berekend uit de gassamenstelling en de waarde gemeten met de zuurstofsensor.

4) De koolstofpotentiaal is een eigenschap van de atmosfeer en komt bij het opkolen met het koolstofaandeel van ijzerfolie aanwezig. Bij carboni-treren wordt een wisselwerking met stikstof verkregen, waardoor de aan het folie gemeten waarde lager is dan de theoretische koolstofpotentiaal.

Bij vergelijking van de tabellen 3 en 4 kan het verband tussen de koolstofpotentiaal en de waarde aan het folie bepaald worden.

Proefstuk 3 werd onder "armere" omstandigheden gecarbonitreerd wat betreft de hoeveelheid toegevoegd ammoniak. Proefstuk 4 werd gebruikt om de invloed van de carbonitreertemperatuur te bepalen.

De koolstof- en stikstofgehalten werden bepaald door het gelijktijdig met proefstukken in de oven brengen van ijzer-folie en dit dadelijk te analyseren op koolstof en stikstof. De resultaten daarvan zijn in tabel 4 weergegeven.

Tabel 4:

Folieanalyses

Proefstuk C {%) N {%) 1 0.79 0,46 0,79 0,49 2 0,95 0,28 0,95 0,26 3 0,95 0,15 0,97 0,14 4

Het blijkt dat het verhogen van de behandelingstemperatuur van 820°C (proef 1) tot 870°C (proef 2) het koolstofaandeel vergroot en het stikstof aandeel verkleint. Bij gelijkblijvende behandelingstemperatuur van 87Ο°C gaf vermindering van het ammoniakdeel van 3# (proef 2) naar 1% (proef 3) een vermindering van de stikstofhoeveelheid maar geen beïnvloeding van de hoeveelheid opgenomen koolstof niet. Na ontlaten werden de proefstukken aan opnieuw harden onderworpen. Na carbonitreren vond langzaam afkoelen of afschrikken in olie plaats. Daarna werd in enkele gevallen opnieuw gehard bij 820- 850°C gedurende ongeveer 5-20 minuten. Vervolgens werd afgeschrikt in olie of zout bij een temperatuur liggend tussen 50 en 110°C en bij l60°C ontlaten.

Bij metallografisch onderzoek bleek dat de microstructuur van de proefstukken 1 en 2 verkregen met de bovenstaande werkwijze omvatten een laag martensiet met een groot aandeel restausteniet bij de oppervlaktebe-grenzing. Deze laag was vrij van carbiden. Direkt onder het grensopper-vlak bevond zich een band vergrote carbiden maar de diepte waar deze band werd aangetroffen varieerde enigszins. Bij de ring volgens proef 1 was de diepte 175 V™ en bij de ring volgens proef 2 de diepte 150 pm, dit alles gemeten in de loopbaan van het lager. De hoeveelheid restausteniet in de matrix om de vergrote carbiden was bij de ringen volgens proef 2 groter en deze carbiden bleken eveneens groter te zijn. Voor beide varianten was de totale beïnvloedingsdiepte 250 tot 500 pm, Bij onderzoek van de kern, de band met vergrote carbide en de oppervlaktelaag bleek dat de kernstructuur niet bijzonder grof was. De korrelgrootte van de austeniet was 8 pm bij de ring volgens proef 1 en 10 pm bij proef 2. De hardheid bij het grensvlak bleek lager te zijn dan in de kern. Bij een diepte van 0,3 mm was de hardheid ongeveer Hv 750 voor beide varianten. In de kern was de hardheid ongeveer Hv 840 bij een belasting van 0,5 kg. Bij belasting met 10 kg bleek de hardheid volgens Vickers 820 te zijn voor de ring volgens proef 1 en 840 voor de ring volgens proef 2. De hardheid bleek bij de ring volgens proef 2 het laagst te zijn bij 0,09 tot 0,17 mm vanaf het oppervlak.

De ring volgens proef 3 had een martensietlaag met een aanzienlijk aandeel restausteniet bij het grensoppervlak en een band grote carbiden bij een diepte van 100 pm. De hardheid van de kern was Hv 806 (bij een belasting van 10 kg) en de uitgangskorrelgrootte van het austeniet was 9 pm.

Bij de ring volgens proef 4 was eveneens een grote hoeveelheid restausteniet en martensiet aanwezig. De diepte van de carbidevrije laag was ongeveer 80 pm vanaf het grensvlak. Ondanks de hoge behandelingstemperatuur waren vergrote carbiden aanwezig in de matrix hoewel weinig restcar-biden in de kern werden aangetroffen. Bij een belasting van 10 kg, was de hardheid volgens Vickers slechts 775* hetgeen waarschijnlijk wordt veroorzaakt door de grote hoeveelheid restausteniet.

Gebleken is dat na een slijp- en/of hoonbehandeling van de proefstukken, die volgens de onderhavige uitvinding behandeld werden, de oppervlaktelaag bestaande uit carbidevrij martensiet en restausteniet volledig verwijderd werd. De nieuwe oppervlaktelaag bestond uit vergrote carbiden, martensiet en de restausteniet. Met name de carbiden hebben een positief effekt op de slijtageweerstand.

Hoewel de uitvinding hierboven beschreven is aan de hand van enkele voorbeelden moet begrepen worden dat deze daartoe niet is beperkt en dat de beschermingsomvang zich uitstrekt tot hetgeen gedefinieerd is in de bijgevoegde conclusies.

Claims

1. Werkwijze voor het carbonitreren van een staal omvattende: 0,75 - 1,1 gew.# C; tot 1,0 gew.# Si; minder dan 0,015 gew.# P; tot 0,5 gew.# Mo; tot 1,2 gew.# Mn; 0,5 " 2 gew.# Cr en overig Fe. door het bij verhoogde temperatuur blootstellen aan een atmosfeer tenminste omvattende koolmonoxyde, waterstof en ammoniak, met het, kenmerk, dat gedurende 1 tot 10 uren het staal bij een temperatuur tussen 780 en 900“C blootgesteld wordt aan die atmosfeer waarvan de samenstelling zodanig is, dat de koolstof activiteit (aC) tussen 0,90 en 1,10 ligt en dat een met de atmosfeer gebalanceerde stikstofpotentiaal Npot optreedt, rechtstreeks gemeten aan het oppervlak van 0,1 - 0,5 gew.# N.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de stikstofpotentiaal gemeten aan het oppervlak ongeveer 0,4 gew.# N is.

3· Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de behandelingstemperatuur ligt tussen 800 en 870°C, de behandelingsduur tussen drie en vijf uur en de koolstofactiviteit (aC) ongeveer 1,00 is.

4. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die toegevoegde atmosfeer omvat: 17 - 25 vol.# koolmonoxyde, 30 - 45 vol.# waterstof, 1-10 vol.# ammoniak.

5· Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het staal omvat: 0,85 - 0,95 gew.# C tot 0,1 gew. Si 0,2 - 0,3 gew.# Mo 0,25 - 0,45 gew.# Mn 1,30 - 1,65 gew.# Cr.

6. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het staal na het carbonitreren afgeschrikt wordt.

7. Staal vervaardigd met de werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, omvattende nabij het oppervlak 10 - 30 vol.# restausteniet, 3 - 10 vol.# carbiden en overigens martensiet.

8. Wentellager, omvattende tenminste een deel bestaande uit een staal volgens conclusie 7 of vervaardigd met de werkwijze volgens een van de conclusies 1-5·