SE514833C2 - Förfarande och medium för behandling av ett stålverktyg med härdat ytskikt - Google Patents

Description

l0 15 20 25 30 35 š14~ass' att härda den yta som är i kontakt med aluminiet och som så- ledes är utsatt för ett stort slitage. Sådan härdning kan och/eller varvid det vanligen bildas ett ca 5-20 pm tjockt ytskikt, åstadkommas genom nitrering nitrokarburering, huvudsakligen bestående av s- och/eller y'-fas och ett in- ca 0,05-0,3 mm tjockt diffu- i vilket kvävet huvudsakligen är i lösning. nanför ytskiktet liggande, sionsskikt, Verktyg som är härdade på detta sätt uppvisar goda förslit- ningsegenskaper och lämpar sig således för extrudering av aluminium.

Under själva extruderingen har aluminiumarbetsstycket, det så kallade götet, en temperatur av ca 450-520°C och verkty- get uppnår en temperatur av ca GOOWI. I syfte att undvika att verktyget utsätts för alltför stora temperaturgradienter vilket är det under ett inledande skede av extruderingsprocessen, skulle kunna leda till olika typer av verktygsbrott, känt att förvärma verktyget innan extruderingen inleds, fö- reträdesvis till en temperatur av mellan 400 och 520°C. En sådan förvärmning kan ske i en förvärmningsugn. På grund av olika praktiska skäl, exempelvis det faktunl att ett stort antal olika verktyg utnyttjas i en extruderingsanläggning, kommer ett enskilt verktyg många gånger att bli liggande un- der en lång tid i förvärmningsugnen.

Sökanden har' gjort undersökningar soul visar att en sådan lång förvärmningstid resulterar i en negativ påverkan på det härdade ytskiktet hos verktyget. Därvid kommer två processer att äga rum. Den första är att vid förvärmningen av verkty- get blir temperaturen så hög att stålytan börjar att oxi- dera. Man får en högtemperaturkorrosion, varvid oxider bil- das i det nitrerade ytskiktet. det kväve, Den andra processen är att som finns i de härdade partierna av verktyget se- dan nitrering och/eller nitrokarbureringen, kommer att börja diffundera igen, varvid en del av kvävet tränger djupare in i verktyget och en annan del försvinner bort genom ytan från 10 _15 20 25 30 35 verktyget. Således kommer verktygets egenskaper att ändras och förslitningshållfastheten försämras.

I samband med sådan förvärmning av extruderingsverktyg är det vidare känt att under förvärmningen placera verktyget i en väsentligen inert eller neutral atmosfär i syfte att för- hindra en oxidering av det nitrerhärdade ytskiktet. En van- lig sådan atmosfär åstadkoms genom tillförsel av kvävgas.

SAMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att undanröja ovan nämnda problem och skapa förbättrade nßjligheter att upp- rätthålla hårdheten hos ett nitrerhärdat ytskikt hos ett verktyg.

Detta ändamål uppnås med det inledningsvis angivna förfaran- det tillsatskomponent, som kännetecknas av att mediet innefattar en aktiv innefattande ammoniak, i en sådan mängd och med sådana egenskaper att mängden kväve i nämnda ytskikt åtminstone hålles på en viss nivå under behandlingen för att upprätthålla hårdheten hos nämnda ytskikt.

Med en sådan huvudkomponent, som utgör den helt övervägande delen av mediet, förhindras på ett effektivt sätt en oxide- ring av ytskiktet. Med den aktiva tillsatskomponenten kan samtidigt utdiffusionen av kväveatomer i ytskiktet förhind- ras och koncentrationen av kväveatomer i ytskiktet kan hàl- las väsentligen konstant eller eventuellt öka. Tillsatskom- ponenten, som endast utgör en ringa del av nædiets totala mängd och som, när den vid en viss temperatur kommer i kontakt med en metallyta, spjälkas till kväveatomer och vätemolekyler. Sådant kväve i atomär form kan tas upp av verktygsstålet och genom att välja en korrekt mängd ammoniak i mediet kan en väsentligen konstant kvävenivå upprätthållas i ytskiktet. har det visat sådan Vidare sig att en 10 15 20 25 30 35 'I514 az: ammoniaktillsats minskar oxideringen av ytskiktet i jämförelse med förvärmning' i en ren kvävgasatmosfär. Den väsentligen neutrala eller inerta huvudkomponenten kan med fördel innefatta åtminstone en av gaserna kvävgas, argon och helium. Dessa tre gaser, som kan utnyttjas var för sig eller i blandning med varandra, har en effektiv förmåga att undantränga syrgas och på så vis förhindra en oxidering av ytskiktet samtidigt som gaserna ej påverkar kväveatomerna i ytskiktet.

Enligt en utföringsform av uppfinningen kan tillsatskompo- nenten dessutom innefatta en av gaserna vätgas, koloxid och koldioxid. Med dessa gaser kan ytterligare egenskaper hos ytskiktet påverkas och/eller upprätthållas.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen är mäng- den av tillsatskomponenten i mediet < 10% och > 0,05%, före- trädesvis > 0,2%. Enligt ett mer specifikt utförande av upp- finningen är mängden av tillsatskomponenten i mediet < 5%, Enligt ett speciellt fördelaktigt ut- förande av uppfinningen är mängden av tillsatskomponenten i företrädesvis < 2%. mediet ca 1%.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen innefat- tar behandlingen en förvärmning av verktyget, vilken följs av ett arbetssteg under vilket verktyget utnyttjas i den ar- betsoperation för vilken verktyget är avsett. Det skall här noteras att verktyget i enlighet med uppfinningen befinner sig i det ovan definierade mediet under 'väsentligen hela förvärmningen. Inom ramen för uppfinningen är det också möj- ligt att låta verktyget befinna sig i mediet även under det efterföljande arbetssteget.

Enligt en fördelaktig tillämpning av uppfinningen innefattar verktyget ett extruderingsverktyg och arbetsoperationen in- nefattar extrudering av aluminium. 10 15 20 25 Üs44-ass Enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen upprätt- hålls den förhöjda temperaturen under väsentligen hela be- handlingen och denna temperatur uppgår till mellan 350°C och 600°C, företrädesvis mellan 400°C och 550°C. Ändamålet uppnås också med det inledningsvis angivna mediet som kännetecknas av att mediet innefattar en gasformig tillsatskomponent, som innefattar ammoniak, varvid mängden av tillsatskomponenten i mediet är mindre än 10%. Ett sådant gasformigt medium kan utnyttjas i många olika sammanhang för att bilda en omgivande atmosfär för ett nitrerhärdat verktyg eller objekt sådant medium är som värms till en förhöjd temperatur. Ett lämpligt i samband med förvärmning av extruderingsverktyg och andra nitrerhärdade verktyg såsom smidesverktyg. Mediet är lämpligt även för andra ni- trerhärdade objekt, exempelvis härdade komponenter i maski- ner i vilka en förhöjd temperatur kan råda.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Föreliggande uppfinning skall nu förklaras närmare genom en beskrivning av olika utföringsformer och med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka Pig 1 visar en snittvy av ett nitrerhärdat extruderings- verktyg, 10 15 20 25 30 35 ä14tszz Fig 2 visar en schematisk vy av en anordning för behand- ling av ett verktyg i enlighet med en utförings- form av föreliggande uppfinning, Fig 3 visar en schematisk vy av en anordning för behand- ling av ett verktyg i enlighet med en andra utfö- ringsform av föreliggande uppfinning och Fig 4 visar ett diagræn över koncentrationen av kväve- atomer i ett ytskikt hos ett nitrerhärdat objekt.

DETALJERAD BESKRIVNING AV OLIKA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Fig l visar ett extruderingverktyg l som är avsett att an- vändas i en anläggning för extrudering av aluminiumprofiler (ej visad). Verktyget 1 innefattar en munstycksöppning 2 ge- nom vilken aluminiumämnet strömmar och erhåller sin tvär- snittsform. Munstycksöppningen 2 definieras av en yta hos verktyget l. Verktyget 1 är nitrerhärdat på i sig känt vis, varvid det bildas ett ytskikt 3 som huvudsakligen består av s- och y'-fas. Innanför ytskiktet 3 sträcker sig ett diffu- sionsskikt in i vilket kväveatomer har diffunderat under ni- trering och/eller nitrokarbureringsprocessen.

Innan verktyget J. skall användas i. den ej 'visade extrude- ringsanläggningen är det lämpligt att förvärma verktyget 1.

En sådan förvärmning kan göras med den anordning som visas i Fig 2. Denna anordning innefattar en förvärmningsugn eller kammare 4 som bildar ett slutet utrymme 5. Utrymmet 5 är in- rättat att mottaga ett föremål som skall behandlas och som i det visade exemplet utgörs av verktyget l. Anordningen inne- fattar vidare ett uppvärmningsorgan 6 som är inrättat att värma upp och hålla en förhöjd temperatur i förvärmningsug- nen 4 och det slutna utrymmet 5.

I enlighet med föreliggande uppfinning finns en inrättning för tillförsel av ett gasformigt medium till det slutna ut- 10 15 20 25 30 35 stråk-nl: k sas 7 rymmet 5 för att skapa en önskad atmosfär i detta utrymme 5.

Denna inrättning innefattar ett blandningsorgan 7 med vilket ett antal gaskällor 8, 9, exemplet innefattar varje gaskälla en behållare, exempelvis 10 är förbundna. I det visade ett tryckkärl, varvid trycket i respektive tryckkärl är så högt att den ifrågavarande gasen kan. matas genom bland- ningsorganet 7 in i det slutna utrymet 5 på ett sådant sätt att ett högre tryck råder i det slutna utrymmet 5 än i den omgivande atmosfären. Gaskällorna 8, 9, 10 kan även utgöras av anläggningar för tillverkning av ifrågavarande gas på plats eller en rörledning för tillförsel av ifrågavarande gas från en avlägsen position. Det är även möjligt att an- ordna ett tillhandahålla ett önskat gastryck i det slutna utrymmet 5. eller flera pumporgan som är inrättade att Blandningsorganet 7 styrs med hjälp av en styrenhet 11 som är inrättad att styra mängden tillförd gas, blandningsför- hàllandet mellan olika komponenter hos den tillförda gasen, uppvärmningsorganet 6 för att upprätthålla en önskad tempe- ratur i det slutna utrymmet 5 samt en utloppsventil 12 för att möjliggöra utmatning av förhöjda mängder icke önskade gaser genom utbyte av atmosfären i utrymmet 5. Styrenheten 11 kan därvid vara ansluten till ett flertal olika typer av exempelvis en och en sensorer, temperatursensor 13 trycksensor 14.

I det visade exemplet innehåller den första gaskällan 8 kvävgas och den andra gaskällan 9 ammoniak. Styrenheten 11 är så inrättad att en blandning av kvävgas och ammoniak kan tillföras det slutna utrymmet 5 och upprätthålla en sådan atmosfär däri. Därvid är mängden ammoniak < 10% av den to- tala nängden kvävgas och ammoniak. Enligt ytterligare ut- föranden är den totala mängden ammoniak < 5% företrädesvis < % av den totala mängden kvävgas och ammoniak. Sökanden har genomfört försök, i vilka den totala mängden ammoniak var ca 1 % lighet med det föredragna utförandena skall således mängden av den totala gasmängden kvävgas och ammoniak. I en- 10 15 20 25 30 35 -š14:szs ammoniak vara > 0,l% och företrädesvis > 0,2% av den totala mängden kvävgas och ammoniak. Ett föredraget intervall skulle således kunna vara O,5%-l,5% ammoniak av den totala mängden kvävgas och ammoniak i den atmosfär som upprätthålls i det slutna utrymet 5. Styrenheten ll och uppvärmningsor- ganet 6 är inrättade att upprätthålla en temperatur i för- värmningsugnen 4 och det slutna utrymmet 5 som uppgår till mellan 350°C och 600°C, företrädesvis mellan 400°C och 550°C.

I enlighet med föreliggande uppfinning är det således möj- ligt att skapa en atmosfär som består av väsentligen enbart en huvudkomponent av kvävgas och en tillsatskomponent av am- Det är också möjligt att låta tillsatskomponenten koldioxid Den visade tredje gaskällan 10 kan inne- moniak. innefatta ytterligare gaser, exempelvis koloxid, och/eller vätgas. hålla en dessa ytterligare gaser är företrädesvis mindre än nàngden sådan ytterligare tillsatskomponent. Mängden av ammoniak i den totala gasmängden. Huvudkomponenten kan också bildas av andra neutrala eller inerta gaser, i första hand ädelgaser, såsom argon och/eller helium.

Fig 3 visar en ytterligare utföringsform av uppfinningen som skiljer sig från den i Fig 2 visade utföringsformen endast därigenom att anordningen utnyttjar ett färdigblandat gas- formigt medium som tillhandahålls med hjälp av en behållare 15 och en reglerventil 7. Behållaren 15 kan således inne- hålla ett trycksatt medium innefattande en huvudkomponent och en tillsatskomponent, exempelvis kvävgas och ammoniak. Även i detta fall är det möjligt att utnyttja ett pumporgan som ett komplement eller ett alternativ för tillförseln av det gasformiga mediet.

Fig 4 visar ett diagram över kvävekoncentrationen N i prover som funktion av djupet D från ytan och som har uppmäts efter genomförda försök. Proverna har varit i en ugn under 30 tim- mar vid en temperatur av 450°C. Kurvan a visar kvävekoncent- 10 15 riáaiilz kass rationen i en atmosfär av kvävgas och 1% ammoniak. Kurvan b visar kvävgaskoncentrationen i en atmosfär av enbart kvävgas och kurvan c visar kvävekoncentrationen i en luftatmosfär.

Såsom framgår tydligt av' diagrammet kan kvävgaskon- centrationen upprätthållas på ett väsentligt mycket bättre sätt i en atmosfär av kvävgas och 1% ammoniak än i tidigare utnyttjade gasatmosfärer.

Uppfinningen är inte begränsad “till de ovan, visade utfö- ringsformerna. utan kan 'varieras och lnodifieras inonl ramen för de efterföljande patentkraven. Uppfinningen är även tillämplig på nitrerade extruderingsverktyg för extrudering än aluminium, av andra material exempelvis andra nætaller eller plaster.

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 r514 ss3 10

1. Förfarande för behandling av ett verktyg (1) som inne- fattar ett stål med ett ytskikt (3) som är härdat genom ni- trering och/eller nitrokarburering, varvid behandlingen innefattar en förvärmning avsedd att följas av ett arbetssteg under vilket verktyget utnyttjas i en arbetsoperation för vilken verktyget är avsett, varvid förvärmningen innefattar att verktyget (1) placeras i ett gasformigt medium och uppvärmes till en förhöjd tempera- tur på mellan 350°C och 600°C i detta medium och varvid mediet innefattar en huvudkomponent, som är väsentli- gen neutral med avseende på de ämnen som innefattas av verk- tyget, kännetegknat_ay att mediet innefattar en aktiv till- satskomponent, innefattande ammoniak, i en sådan mängd och med sådana egenskaper att mängden kväve i nämnda ytskikt (3) åtminstone hålles på en viss nivå under behandlingen för att upprätthålla hårdheten hos nämnda ytskikt.

2. Förfarande enligt krav 1, känn§L§§kn§L_§y att huvudkom- ponenten innefattar åtminstone en av gaserna kvävgas, argon och helium.

3. Förfarande enligt krav 2, kännetecknat_ay att tillsats- komponenten dessutom innefattar åtminstone en av gaserna vätgas, koloxid och koldioxid.

4. Förfarande enligt något av de föregående kraven, känna; tegknat_ay att mängden av tillsatskomponenten i nædiet är mindre än 10%.

5. Förfarande enligt krav 4, kànnetecknat_ay att mängden av tillsatskomponenten i mediet är större än 0,05%, företrä- desvis större än O,2%. 10 15 20 25 30 “ i sagts 11

6. Förfarande enligt något av kraven 4 och 5, kännetegknat av att mängden av tillsatskomponenten i mediet är mindre än %, företrädesvis mindre än 2%.

7. Förfarande enligt något av de föregående kraven, känns; Lgflgfifl;_ay att verktyget (1) verktyg. innefattar ett extruderings-

8. Förfarande enligt kraven 7, kännetegkna;_ay att arbets- operationen innefattar extrudering av aluminium.

9. Förfarande enligt något av de föregående kraven, känns; ;egkna;_gy att den förhöjda temperaturen upprätthålls under väsentligen hela behandlingen och uppgår till mellan 400%: Och 550°C.

10. Medium avsett att bilda en omgivande atmosfär i samband med förvärmning av ett verktyg i enlighet med förfarandet som anges i något av kraven 1-9, varvid verktyget innefattar ett stål med ett ytskikt som. är härdat genom nitrering och/eller nitrokarburering, varvid mediet innefattar en gas- formig Inwudkomponent, som består av en väsentligen inert kännetegknat__ay att mediet innefattar en gasformig tillsatskomponent, gas, san innefattar ammoniak, varvid mängden av tillsatskomponenten i mediet är mindre än 10%.

11. Medium enligt krav 10, kännetegknat_ay att huvudkompo- nenten innefattar åtminstone en av gaserna kvävgas, argon och helium.

12. Medium enligt något av kraven 10 och ll, kännetegknat av att mängden av tillsatskomponenten är större än 0,05%, företrädesvis större än 0,2%. 10 °s14 ss3 12

13. Medium enligt något av kraven 10 och 12, kännggggknat av att mängden av tillsatskomponenten är mindre än 5%, före- trädesvis mindre än 2%.

14. Medium enligt något av kraven 10 till 13, kånngtggknat av att tillsatskomponenten dessutom innefattar åtminstone en av gaserna koloxid, koldioxid och vätgas.