Beschreibung Titel: Description Title:
Verfahren zum Nitrieren eines Bauteils Process for nitriding a component
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nitrieren eines Bauteils aus einem metallischen Werkstoff. The present invention relates to a method for nitriding a component made of a metallic material.
Stand der Technik State of the art
Zur Erhöhung der Schwingfestigkeit metallischer Bauteile ist es bekannt, diese in oberflächennahen Bereichen zu nitrieren. Durch das Nitrieren entstehen To increase the fatigue strength of metallic components, it is known to nitride them in near-surface areas. By nitriding arise
Einschlüsse, die die oberflächennahen Bereiche mit einem Druck- Eigenspannungsprofil vorspannen und auf diese Weise insbesondere vor Kerb- und Schwingbelastungen schützen. Inclusions that pre-stress the near-surface areas with a compressive residual stress profile and in this way protect against notching and vibration loads in particular.
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. In addition to these inclusions, 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. In order to reduce this problem, it is known from DE 102005049534 AI to subsequently remove the compound layer electrochemically. For more complex part geometries this is not always possible.
Daher offenbart die DE 102009045878 AI, die Dicke der Verbindungsschicht bereits während der Nitrierung auf ein Optimum zu begrenzen, dass die Therefore, DE 102009045878 A1 discloses to limit the thickness of the bonding layer to an optimum already during the nitriding process
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 Part surface still sufficiently passivated against corrosion, but avoids the weakening of the fatigue strength by the bonding layer. (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), 1468-1474 (2012)) is a two-stage Process known in which by changing the
Stickstoffangebots eine zunächst dicke Verbindungsschicht nachträglich wieder reduziert werden kann. Als weiterer Stand der Technik ist die DE 102009002985 AI zu nennen. Nitrogen supply an initially thick compound layer can be subsequently reduced again. Another prior art is DE 102009002985 AI to call.
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. It has been found that in the case of components with complicated geometries, nitration with a reduced bonding layer thickness often does not bring about the desired effect. Instead of being permanently resistant to vibration, the components fail with a large dispersion of the number of sustainable cycles.
Aufgabe und Lösung Task and solution
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Nitrieren zur It is therefore the object of the invention to provide a method for nitriding
Verfügung zu stellen, mit dem Streuung der ertragbaren Lastspielzahl bei d Ausfällen reduziert wird. Is provided with the dispersion of the number of sustainable cycles at d failures is reduced.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus d darauf rückbezogenen Unteransprüchen. This object is achieved by a method according to the main claim. Further advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zum Nitrieren eines Bauteils einem metallischen Werkstoff, der Eisen als Basismetall enthält, entwickelt. Within the scope of the invention, a method for nitriding a component to a metallic material containing iron as a base metal has been developed.
Das Bauteil wird in einer ersten Nitrierphase auf mindestens 450 °C erwärmt, und es wird an seiner Oberfläche ein stickstoffabgebendes Prozessgas und/oderThe 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
Prozessgasgemisch vorgelegt. Dadurch diffundiert Stickstoff durch die Submitted process gas mixture. As a result, nitrogen diffuses through the
Oberfläche. In der ersten Nitrierphase wird eine eisennitridhaltige Surface. In the first nitration phase, an iron nitride-containing
Verbindungsschicht ausgebildet.
Erfindungsgemäß wird die Verbindungsschicht in einer ersten Abbauphase durch Wärmebehandlung aufgelöst. Connecting layer formed. According to the invention, the bonding layer is dissolved in a first degradation phase by heat treatment.
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. It was recognized that the nitration measures with reduced bond layer thickness as a disturbing side effect reduce the nitrogen supply during the entire nitration. For components with complex geometries, this results in nitration becoming more uneven.
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. 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.
Vorteilhaft enthält der metallische Werkstoff mindestens ein weiteres Advantageously, the metallic material contains at least one other
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. metallic element, and the nitrogen diffusing through the surface forms at least one special nitride with this further metallic element. The process then has the additional advantage that the formation of these special nitrides is made uniform.
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. The further metallic element may in particular be an alloying element of the metallic material. However, the invention expressly refers not only to higher alloyed materials, but also to low alloyed and unalloyed materials.
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. During the first nitriding phase, 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 μm, preferably between 2 μm and 6 μηη, 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.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließen sich an die erste Abbauphase eine zweite Nitrierphase und eine zweite Abbauphase an.In a particularly advantageous embodiment of the invention, a second nitration phase and a second degradation phase are connected to the first phase of degradation.
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 The parameters of the second nitriding phase do not have to match the parameters of the first nitriding phase. Likewise, 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
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. 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.
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 einerBy initially accepting the formation of a compound layer, higher temperature ranges are advantageously accessible for forming the special nitride. From the literature is known (for pure iron in the teacher diagram) that while maintaining the nitrogen supply tendency to form a
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 Bonding layer increases with increasing treatment temperature. The higher the temperature, the faster nitrogen diffuses to form the special nitride in the component surface. Advantageously, therefore, 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
überproportional zu fördern. to promote disproportionately.
Versuche der Erfinder haben ergeben, dass bereits sehr dünne Experiments of the inventors have shown that already very thin
Verbindungsschichten von etwa 100-200 nm Dicke, die etwa unter dem Compound layers of about 100-200 nm thickness, approximately below the
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. 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. Advantageously, it is so completely dissolved that their phase shares by X-ray diffractometry (XRD) are no longer detectable. By observing the phase components, the dissolution can be observed in-situ.
Für die letztendliche Schwing- und Kerbfestigkeit des Bauteils kommt es allein darauf an, dass die Verbindungsschicht vollständig aufgelöst wird. Das generelleFor the ultimate vibration and notch strength of the component, it is only important that the bonding layer is completely dissolved. The general
Funktionieren der Erfindung hängt nicht daran, wie dies im Einzelnen geschieht. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Operation of the invention does not depend on how this is done in detail. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the
Verbindungsschicht jedoch aufgelöst, indem die Konzentration von atomarem Stickstoff und/oder eines stickstoffabgebenden Prozessgases vermindert wird und/oder indem die Zusammensetzung eines Stickstoff abgebenden Compound layer, however, dissolved by the concentration of atomic nitrogen and / or a nitrogen-emitting process gas is reduced and / or by the composition of a nitrogen donating
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. 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.
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 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
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 Mixture composition, the nitrogen supply for the nitration be changed without the pressure in the treatment chamber must be changed. However, 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. If the gas composition is changed, then as an intermediate step, advantageously, the treatment chamber can be evacuated to the whole
Behandlungskammer definierte Bedingungen zu schaffen. Creating a treatment chamber defined conditions.
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 Advantageously, the component for dissolving the connecting layer to not more than 1000 ° C, preferably not more than 600 ° C, further heated. Above about 600 ° C is to be expected that 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. Furthermore, 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
temperaturbeständig sind. are temperature resistant.
Die Einschlüsse aus dem Sondernitrid, die für die vorteilhaften The inclusions from the special nitride, which are for the advantageous
Druckeigenspannungen verantwortlich sind, sind metastabil. Vorteilhaft wird daher die Bauteiltemperatur unterhalb der Temperatur gehalten, bei der sichCompressive stresses are metastable. Advantageously, therefore, the component temperature is kept below the temperature at which
Einschlüsse aus dem Sondernitrid spontan auflösen. Die Druckeigenspannungen bleiben dann gleichsam im Gefüge des Bauteils erhalten. Dissolve inclusions from the special nitride spontaneously. The compressive residual stresses then remain as it were in the structure of the component.
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 In particular, for dissolving the bonding layer, 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. However, there is a material-dependent optimum here: the combination of the concentration of the nitrogen and / or process gas or of the composition of the
Prozessgasgemisches einerseits und der Bauteiltemperatur andererseits wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung aus einem Process gas mixture on the one hand and the component temperature on the other hand is in a particularly advantageous embodiment of the invention from a
Kennfeldbereich ausgewählt, in dem eine Diffusion von in der Map area selected in which a diffusion of in the
Verbindungsschicht gebundenen Stickstoff aus der Oberfläche des Bauteils angetrieben wird. Bonding layer bound nitrogen is driven from the surface of the component.
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. For nitrided pure iron as the simplest material system, 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.
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 Advantageously, the combination of the concentration of the nitrogen and / or process gas or of the composition of the process gas mixture on the one hand and the component temperature on the other hand selected from a map area in which the iron nitride of the connecting layer thermodynamically is unstable. The process that led to the formation of the compound layer then preferably proceeds backwards. In a further particularly advantageous
Ausgestaltung ist in diesem Kennfeldbereich das Sondernitrid thermodynamisch stabil. Es bleibt dann in vollem Umfang erhalten. Embodiment is in this map area the Sonderitrid thermodynamically stable. It then remains in full.
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 In a further particularly advantageous embodiment, the combination of the concentration of nitrogen and / or process gas or from the composition of the process gas mixture on the one hand and the
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 On the other hand, 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
Verbindungsschicht zurückgebildet. Compound layer regressed.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die In a further advantageous embodiment of the invention, the
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. Part surface oxidized before at least one nitration phase and / or after at least one degradation phase in an additional oxidation phase. As a result, iron oxide is formed, whereby the nitriding effect is improved. However, since this also favors the formation of the bonding layer at the same time, the degradation phase provided according to the invention in this embodiment is particularly advantageous with respect to the vibration resistance.
Die Prozessgase oder Prozessgasgemische können beispielsweise The process gases or process gas mixtures can, for example
nitrierkennzahl- und/oder oxidationskennzahl- und/oder nitriding characteristic and / or oxidation index and / or
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. are supplied to 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. 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.
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 Furthermore, such a scheme is advantageous if the component consists of a highly alloyed with chromium steel. Advantageously, the process is carried out under atmospheric pressure. Then the treatment chamber does not have to be pressure-resistant. Advantageously, the method but also in low pressure, ie with a lower pressure than that
Atmosphärendruck, durchgeführt werden. Bereits bei einem geringen Atmospheric pressure, be performed. Already at a low
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. Pressure difference can be prevented, for example, escape process gases in case of a leak from the treatment chamber. In addition, the mean free path for diffusion at a lower pressure is greater.
Das Verfahren kann beispielsweise auch unter Plasmanitrierbedingungen mit oder ohne active screen-Unterstützung durchgeführt werden. Dadurch wird dieFor example, the method may also be performed under plasma nitriding conditions with or without active screen support. This will be the
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 eisennitridhaltigenNitration accelerates overall. At any time, an oxygen and / or carbon emitting process gas or gas mixture may be added to effect nitrocarburization. The freedom of the finished component surface from a hard iron nitride-containing
Verbindungsschicht hat den Nebeneffekt, dass Werkzeuge, mit denen diese Oberfläche nachträglich mechanisch bearbeitet wird, weniger schnell Bonding layer has the side effect that tools with which this surface is subsequently machined mechanically, less quickly
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. wear out. To model the overall process, 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.
Ob ein gegebenes Bauteil mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Whether a given component with the inventive method
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 has been heat treated, may show a denitration at the nitriding temperature. Compared to a component which, for example by a reduced supply of ammonia, nitriding bond layer-free from the outset, from a treated with the inventive method component less nitrogen
effundieren, da die Konzentration ungebundener Stickstoffatome in der as the concentration of unbound nitrogen atoms in the
Eisenmatrix bereits während des Nitrierens durch Effusion und Diffusion im Randbereich stark erniedrigt wird. Wie viel Stickstoff effundiert, kann Iron matrix is already greatly reduced during nitriding by effusion and diffusion in the edge region. How much nitrogen is allowed to
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. for example, by weighing the component, by analyzing the Determination of the composition of the exhaust gas or by measuring the pressure increase in a temperature-controlled measuring chamber. In addition, the originally formed, later dissolved compound layer is detectable metallographically by a modified Anätzverhalten.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt. Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to figures.
Ausführungsbeispiele embodiments
Es zeigt: It shows:
Figur 1: Verlauf der Temperatur T über der Zeit t bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figure 1: Course of the temperature T over the time t in one embodiment of the method according to the invention.
Figur 2: Gefügeaufnahme einer gemäß Stand der Technik nitrierten Probe (a) und einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nitrierten Probe (b). 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.
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). 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).
Figur 4: Auswirkung einer Nitrierung mit Verbindungsschichtdicken von < 1 μηη sowie von 5 μηη auf die Schwingfestigkeit. Figure 4: Effect of nitration with bonding layer thicknesses of <1 μηη and 5 μηη on the fatigue strength.
Figur 5: Auswirkung einer Nitrierung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf die Schwingfestigkeit. Figure 5: Effect of nitration according to an embodiment of the invention on the fatigue strength.
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. 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. Along the time axis sections AI to F are defined in which different activities take place. In the heating phase AI, 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.
In der an die Aufheizphase AI anschließenden In the subsequent to the heating phase AI
Temperaturvergleichmäßigungsphase Bl wird die Behandlungstemperatur konstant auf etwa 420 °C gehalten. Während der Aufheizphase AI und der Temperaturvergleichmäßigungsphase Bl wird dabei kein sauerstoffhaltiges 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
Prozessgas oder Stickstoffspendergas 7 zugeführt. Process gas or nitrogen donor gas 7 supplied.
An die Temperaturvergleichmäßigungsphase Bl schließt sich eine The temperature equalization phase Bl is followed by a
Voroxidationsphase C mit einem sauerstoffhaltigen Prozessgas an. Zu diesem Zweck wird der Behandlungskammer zum Beispiel Luft, Lachgas, synthetischePreoxidation phase C with an oxygen-containing process gas. For this purpose, the treatment chamber, for example, air, nitrous oxide, synthetic
Luft oder ein Stickstoff-Wasserdampf-Gemisch isobar zugeführt. Air or a nitrogen-steam mixture isobaric supplied.
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 konstantenAfter the pre-oxidation phase C, an inert gas such as nitrogen or argon is fed isobarically to the treatment chamber to exchange the gas atmosphere. This is followed by the heating phase A2 with a constant
Aufheizrate, bis eine Behandlungstemperatur von etwa 540 °C erreicht wird. An die Aufheizphase A2 schließt sich die zweite Heating rate until a treatment temperature of about 540 ° C is reached. The heating phase A2 is followed by the second
Temperaturvergleichmäßigungsphase B2 an. In der darauffolgenden Nitrierphase Dl wird der Behandlungskammer zumTemperature equalization phase B2 on. In the subsequent nitriding phase Dl the treatment chamber is the
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. Exchange of the gas atmosphere isobar supplied with 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.
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 In the subsequent degradation phase El, the nitrogen supply is lowered by the treatment chamber isobaric an ammonia-nitrogen mixture or an ammonia-nitrogen-hydrogen mixture with a lower
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 Ammonia content is supplied. As a result, the binding of nitrogen in the Compound layer V thermodynamically unstable. On the one hand, the nitrogen diffuses deeper into the component and forms special nitrides N. On the other hand, it also passes from the surface of the bonding layer into the atmosphere of the treatment chamber. The connection layer is dissolved. The surface area of the component loses its hard, brittle
Charakter. Character.
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. In the subsequent second nitration phase D2, the nitrogen supply is increased again to the level of the nitration phase Dl. In the interior of the component, 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.
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. At the end of the second phase of degradation E2, an inert gas such as nitrogen or argon is supplied isobarically to the treatment chamber to exchange the gas atmosphere. As a result, the nitriding of the metallic components 6 is terminated. The treatment chamber and the metallic components 6 are then cooled to room temperature.
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 It goes without saying that in this way numerous methods for nitriding can be realized and the invention is not limited to the illustrated sequence and number of two heating phases AI, A2, two temperature equalization phases B1, B2 of a preoxidation phase C, two high-nitration phases
Stickstoffangebot Dl, D2, zwei Abbauphasen mit niedrigerem Stickstoffangebot El, E2 und einer Abkühlphase F beschränkt ist. Nitrogen supply Dl, D2, two degradation phases with lower nitrogen supply El, E2 and a cooling phase F is limited.
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. The division into two nitration phases D 1 and D 2 with intermediate degradation phase E 1 has the advantage that the 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.
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 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
Werkstoff W vorgelegt. Material W submitted.
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 dargestelltenIn the production of the sample outlined in FIG. 2a, the degradation phases E1 and E2 had been omitted in comparison to the process control illustrated in FIG. As a result, an 8 μηη thick bonding layer V remained on the actual nitriding layer N, whose 4 μηη thicker upper region P was additionally penetrated by pores. The sample sketched in FIG. 2 b was made in accordance with FIG
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 Process management produced. The 8 μηη thick connecting layer was not about removed, but it was during the degradation phases El and E2 each incurred in the previous nitration Dl or D2 compound layer thickness of 4 μηη by removing the nitrogen from the iron nitride
Verbindungsschicht V zurückgebildet. Dabei blieb das Eisen jeweils an seinemCompound layer V regressed. The iron was always at his
Platz. Infolgedessen ist das normale Gefüge auch in den Bereich, der der Oberfläche 8 des Bauteils 6 am nächsten ist, ohne Bruch fortgesetzt. Im Space. As a result, the normal structure is also in the area that is closest to the surface 8 of the component 6, continued without breakage. in the
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. In comparison with FIG. 2 a, the undesired pores P which extend in FIG. 2 a to a depth of approximately 4 μm are absent in the surface 8 of the component 6.
Die zurückgebildete Verbindungsschicht V zeigt im Vergleich zu einer von vornherein verbindungsschichtfreien Nitrierung ein stärkeres Anätzverhalten und erscheint auf Mikroskopaufnahmen metallographischer Schliffe daher dunkler. The re-formed connection layer V shows a stronger Anätzverhalten compared to a connection layer-free nitration from the outset and therefore appears darker on microscope images of metallographic cuts.
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. 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.
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. 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 μηη. In curve a, the approximately 8 μηη thick compound layer is clearly too detect. According to curve b, in the case of the component 6 sketched in FIG. 2b, the entire surface 8 near its surface is nitrided very uniformly. With increasing depth d, 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.
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. 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 μm thick bonding layer V and components 6 with a bonding layer V thicker than 1 μm were tested.
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 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. At each point, the type of symbol indicates whether component 6 passed the test (hollow symbol) or failed (filled symbol). With the different symbol shapes is indicated in each case, on soft sample, 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 μηη thick bonding layer V. A circle indicates a measuring point which thickens on a component 6 with a diameter of less than 1 μm
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 Connecting layer was recovered. By the measuring points in each case a compensation curve (la, 2a, 3a) is set, indicating for which combinations of voltage amplitudes q and repetition numbers z each one
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 dieDefault probability of 50% is expected. These compensation curves (1a, 2a, 3a) are respectively surrounded by dashed curves (1b, 2b, 3b) and (1c, 2c, 3c), which indicate for which combinations of voltage amplitudes q and number z of repetitions failure rates of 10% or 90% are expected. Curves denoted by the number 1 refer to components 5 nitrided with a 5 μm thick compound layer V. Curves denoted by the number 2 refer to non-nitrided components 6. Curves designated by the number 3 are referred to with a less than 1 μηη thick compound layer V nitrided components 6. The letter a denotes the respective
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. 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.
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 The non-nitrided components 6 cut the worst from a failure probability of 50%. The components 6 with a less than 1 μηη thick compound layer V show the highest sustainable voltage amplitude based on a failure probability of 50%. However, the negative effects of the thin compound layer V in the scattering 1 / T N of the repetition numbers z become clear: While non-nitrided components 6 have a dispersion of 1 / T N = 2.72 and the components 6 have a thickness of 5 μηη
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 derCompound layer V have a dispersion of 1 / T N = 1.44, the scattering in the components 6 with a less than 1 μηη thick compound layer V with 1 / T N = 16.2 is significantly higher. Remarkable are still differences in the
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 Eckschwingzahl, so the point on the axis of the repetition number z, where the compensation curve (la, 2a, 3a) for 50% probability of failure in a horizontal course kinkickt. While the Eckschwingzahlen the non-nitrided components 6 and the components 6 with a thickness of less than 1 μηη
Verbindungsschicht V in einem vergleichbaren Bereich liegen, ist die Connection layer V are in a comparable range, is the
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 Eckschwingzahl the components 6 with a 5 μηη thick compound layer V clearly shifted to the left to a low value of about 5000 load changes. This shows that with nitride-thick compound layer V nitrided components
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 6 at this stress based on 50% probability of failure can be very early, but with little variance. The nitrided with a less than 1 μηη thick bonding layer V components 6 show in this
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. Stress based on 50% probability of failure comparable to the non-nitrided components 6 corner vibrating number, but the dispersion is massive elevated. Due to the increasing scattering 6 higher security surcharges must be taken into account in the design of the components, whereby the benefits of the heat treatment significantly relativized.
Der Werkstoff der in Figur 4 untersuchten Proben ist 50CrMo4, der neben Eisen als Basismetall folgende weiteren Legierungselemente in folgenden 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
Massenprozentanteilen enthält: Kohlenstoff 0,50, Chrom 1,05, Molybdän 0,23. Contains percentages by mass: carbon 0.50, chromium 1.05, molybdenum 0.23.
In Figur 5 werden in analoger Weise mit einem Verfahren gemäß einem In Figure 5 are analogously with a method according to a
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. 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. Moreover, 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.
Der Werkstoff der in Figur 5 untersuchten Proben ist 8CrMol6, der neben Eisen als Basismetall folgende weiteren Legierungselemente in folgenden 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
Massenprozentanteilen enthält: Kohlenstoff 0,09, Chrom 3,90, Molybdän 0,50.
Contains percentages by mass: carbon 0.09, chromium 3.90, molybdenum 0.50.