DE10118029C1

DE10118029C1 - Verfahren zur thermochemischen Vorbehandlung von metallischen Werkstücken und Anwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10118029C1
Application number: DE2001118029
Authority: DE
Inventors: Udo Bardelmeier; Volker Heuer; Peter Minarski
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH; Vacuheat GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH; Vacuheat GmbH
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2021-04-12

Abstract

Bei der thermochemischen Vorbehandlung von metallischen Werkstücken (1), insbesondere von Einsatzstählen, für eine nachfolgende thermochemische Behandlung aus der Gruppe Aufkohlen, Nitrieren, Nitrokarburieren, Borieren, erfolgt die Vorbehandlung der Werkstücke (1) in einer Atmosphäre mit Anteilen von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigen Gasen bei Temperaturen von mindestens 800 DEG C. Zur Beseitigung von störenden oder schädlichen Verunreinigungen, Einflüssen von mechanischen und/oder chemischen Herstellprozessen, insbesondere an schwer zugänglichen Flächen, wie an Hohlkörpern mit Bohrungen einschließlich Düsenkörpern und Hülsen, wird der Atmosphäre ein Gas aus der Gruppe Sauerstoff und Luft zugesetzt und die Vorbehandlung erfolgt bei einem Druck zwischen 0,04 und 0,2 MPa. Vorzugsweise wird die Vorbehandlung in einem Gemisch von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigen Gasen und 1 bis 50 Volumen-% Sauerstoff und bei Temperaturen von mindestens 800 DEG C zwischen 1 und 60 Minuten, vorzugsweise zwischen 8 und 12 Minuten, durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermochemischen Vorbehandlung von metallischen Werkstücken, insbesondere von Einsatzstählen, für eine nachfolgende thermochemische Behandlung aus der Gruppe Aufkohlen, Nitrieren, Nitrokarburieren, Borieren, wobei die Vorbehandlung der Werk stücke in einer Atmosphäre mit Anteilen von Wasserstoff oder wasser stoffhaltigen Gasen bei Temperaturen von mindestens 800°C erfolgt.

Das bekannte thermochemische Aufkohlen und/oder Aufsticken von Stählen bei hohen Temperaturen in Gasatmosphären mit Komponenten aus der Gruppe Kohlenstoff und Stickstoff stellt ein wirtschaftliches und umweltfreundliches Verfahren zur Einsatzhärtung von Werkstücken dar.

Auch ist es nur mit solchen Verfahren möglich, Bauteile ggf. partiell, d. h., nur in bestimmten Oberflächenbereichen, entsprechend zu behandeln. Insbesondere für sogenannte formkomplizierte Werkstücke, d. h. solche mit einer komplizierten Geometrie, kommen nur solche Verfahren infrage, ggf., aber nicht notwendigerweise, mit Unterstützung durch eine Plasma entladung.

Den genannten Verfahren gemeinsam ist eine Abhängigkeit des Behand lungsergebnisses vom Oberflächenzustand der Werkstücke, wobei störende Effekte insbesondere in Bohrungen und noch verstärkt in schlan ken Sacklochbohrungen mit ungünstigen Verhältnissen von Längen zu Durchmessern und bei Werkstücken mit unterschiedlichen Wandstärken auftreten.

Es ist bekannt, daß die Diffusionsvorgänge durch die Oberflächen stark vom Anlieferungszustand der Werkstücke abhängen. Etwaige Verunrei nigungen wie Waschmittelrückstände, Konservierungsmittel, Schneidöle etc. können das Behandlungsergebnis deutlich beeinflussen. Homogene und reproduzierbare Diffusionsvorgänge und Härteverläufe sind dadurch praktisch nicht möglich. Ursachen sind ungleichmäßige und unvollständige Reinigung, Rückstände aus der Fertigung oder andere Oberflächen veränderungen, beispielsweise durch Umformungsprozesse mit Gefüge veränderungen und/oder spanabhebende Bearbeitungen sowie Oxid schichten. Inhomogene Diffusionsvorgänge können beim nachfolgenden Härten außerdem zum Entstehenden von mechanischen Eigenspannungen führen, die die Festigkeit, insbesondere die Dauerwechselfestigkeit der Werkstücke nachteilig beeinflussen.

Durch die EP 0 545 069 B1 ist es bekannt, daß es beim Aufkohlen, Vergüten, Glühen, Carbonitrieren und Nitrocarburieren, bedingt durch die Verwendung sauerstoffhaltiger Prozeßgase, zu einer interkristallinen Randoxidation der Werkstücke kommt, die eine Herabsetzung der Dauerfestigkeit und eine Verringerung der Lebensdauer zur Folge hat. Zur Lösung dieses Problems wird ein zweistufiges Verfahren zum thermoche mischen Behandeln der Oberflächen von Werkstücken aus Stählen und Refraktärmetallen vorgeschlagen, bei dem in einem ersten Verfahrens schritt ein Einsatzhärten durch Gas oder Gasgemische durchgeführt und in einem zweiten Verfahrensschritt zur thermochemischen Entfernung der Randoxidation mindestens ein Gas aus der Gruppe N₂, H₂ oder NH₃ in eine Prozeßkammer eingelassen und ein Druck größer als 0,1 MPa und eine Temperatur zwischen 100°C und 1000°C eingestellt wird. Beispielhaft sind Drücke von 1 und 2 MPa und eine Temperatur von 580°C angegeben.

Dabei geht es vorrangig um die Beseitigung der oxidischen Passivschich ten, die ein späteres Eindiffundieren von Nichtmetallen wie N, C und B beim Nitrieren, Nitrokarburieren und Borieren behindern. Angestrebt wird also eine möglichst weitgehende Reduktion und Entfernung der Randoxide unter Vermeidung jeglichen Zusatzes von Sauerstoff oder einer sauerstoff haltigen Verbindung. Es hat sich aber gezeigt, daß dadurch nicht alle Folgen von unterschiedlichen Vorbehandlungen der Werkstücke für erfolg reiche Nachbehandlungen beseitigt werden können. Mit kompliziert geformten Werkstücken, die schwer zugängliche Hinterschneidungen, Innenbohrungen und Sacklöcher aufweisen oder Rohre, Kugelkäfige oder Düsenkörper mit zu härtenden Innenflächen sind, befaßt sich diese Schrift nicht.

Durch die DE 41 15 135 C1 ist es bekannt, Werkstücke aus Stahl mit schwer zugänglichen Flächen wie Hohlkörper mit Bohrungen einschließlich Düsenkörpern dadurch aufzukohlen und/oder aufzusticken, daß man die Werkstücke Temperaturen oberhalb von 450°C, Drücken oberhalb von 0,2 MPa bis 10 MPa und Reaktivgasen aussetzt, die Ammoniak, Stickstoff, und/oder Kohlenstoffverbindungen wie Methan, Kohlendioxid und Kohlen monoxid enthalten. Auch Zusätze von Luft sind angegeben. Für das Nitrie ren werden Temperaturen von 500°C, für das Karburieren Temperaturen zwischen 870 und 1000°C angegeben. Mit dem Beseitigen von Einflüssen von Vorbehandlungen der Werkstücke befaßt sich diese Schrift nicht.

Durch die DE 24 17 179 C3 ist es bekannt, bei hochlegierten Stählen mit einem Chromanteil von wenigstens 2% bei Temperaturen bis 1037°C in einer oxidierenden Atmosphäre während 30 Minuten bis 4 Stunden, auch während 6 bis 30 Stunden, zunächst eine Oxidschicht auf der Stahlober fläche zu erzeugen und anschließend den oxidierten Stahl zu karburieren. Dies wird damit erklärt, daß in den Lücken oder Poren durch die Verhin derung des direkten Zugangs von Kohlendioxid aufgrund einer dichten, durchgehenden äußeren Oxidschicht eine bessere Aufkohlung erfolgt. Aufgabengemäß sollen dadurch die Probleme beseitigt werden, die durch die Bildung einer passiven Oxidschicht bei niedriger Temperatur entstehen, damit es möglich wird, die Stähle während eines beträchtlichen Zeit raums zu lagern, bevor sie aufgekohlt werden. Die bei hohen Tempera turen erzeugte Oxidschicht soll einer Aufkohlung nicht im Wege stehen, sondern es gestatten, daß Kohlenstoff gleichförmig in die Stahloberfläche eindiffundiert. Es ist auch angegeben, daß kohlenstoffhaltiger Stahl bei der Hochtemperatur-Oxidation an Kohlenstoff verliert, der in der anschlie ßenden Kohlungsphase wieder zugeführt werden muß. Ferner ist angege ben, daß der durch Abschrecken gehärtete Rohling spanabhebend bear beitet werden muß, um die Oxidschicht wieder zu entfernen. Nicht ange geben ist die gleichzeitige Anwesenheit von Wasserstoff oder wasserstoff haltigen Gasen.

Durch das Abstract der JP 060 57 400 A ist es ferner bekannt, unter Vermeidung einer vorhergehenden Entfettung die Gleichförmigkeit des Nitrierens von Stahlteilen dadurch zu steigern, daß man die Stahlteile an Luft auf Temperaturen von mindestens 200°C erwärmt, um auf den Stahl teilen eine Oxidschicht zu bilden. Anschließend soll entweder die Restluft entfernt und ein stickstoffhaltiges Gas zugeführt werden, oder die Stahlteile sollen in einer Inertgasatmosphäre auf Temperaturen von mindestens 200°C aufgeheizt werden, und anschließend soll wiederum Luft zugeführt werden, um die Oxidschicht zu erzeugen, und wiederum anschließend soll in bekannter Weise eine Nitrierbehandlung durchgeführt werden. Nicht angegeben ist die gleichzeitige Anwesenheit von Wasser stoff oder wasserstoffhaltigen Gasen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung zum Vorbehandeln von Werkstücken anzugeben, durch das für eine nachfolgende homogene und reproduzier bare Gasdiffusion störende oder schädliche Verunreinigungen, Einflüsse von mechanischen und/oder chemischen Herstellprozessen beseitigt werden, und zwar auch und insbesondere für Werkstücke aus Stahl mit schwer zugänglichen Flächen wie Hohlkörper mit Bohrungen einschließlich Düsenkörpern und Hülsen. Insbesondere sollen solche Werkstücke auch für die nachfolgende thermochemische Behandlung aktiviert werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß der Atmosphäre ein Gas aus der Gruppe Sauerstoff und Luft zugesetzt wird und daß die Vorbehand lung bei einem Druck zwischen 0,04 und 0,2 MPa erfolgt.

Durch die Erfindung wird die gestellte Aufgabe in vollem Umfange gelöst, insbesondere wurde überraschend festgestellt, daß gerade die Gegenwart von Sauerstoff zu positiveren Ergebnissen führt, nämlich:

1. Behandlung von komplizierten Werstückgeometrien,
2. von engen und langen Bohrungen, insbesondere von tiefen Sacklochbohrungen,
3. mit besserer Aktivierung für die Folgeprozesse,
4. mit homogenerer Stoffübertragung im Folgeprozess,
5. mit größerer Reproduzierbarkeit und Prozeßsicherheit,
6. mit besserer Reinigungswirkung,
7. mit Reduzierung von Oberflächenoxiden,
8. mit gleichzeitiger Verbrennung von organischen Rückständen,
9. mit einer "Heilungswirkung" der durch Reduktion zu stark aktivierten Werkstücke im Sinne einer schwachen Passivierung durch leichte Oxidation,
10. mit Abbau von Eigenspannungen und Gefüge- Beeinflussungen, die durch vorausgehende Fertigungsmaßnahmen (Zerspanung, Umformung) hervorgerufen wurden,
11. mit gleichmäßigeren Härteverläufen von der Oberfläche ins Innere der Werkstücke (siehe die Diagramme),
12. mit einer Stabilisierung der Oberflächeneigenschaften gegenüber nachfolgenden Lufteinflüssen.

Dabei führt die gleichzeitige Anwesenheit von reduzierendem Wasserstoff oder wasserstoffhaltigen Gasen und oxidierenden Gasen wie Sauerstoff oder Luft, die dem Ofenraum getrennt zugeführt werden, keineswegs zu einer Explosion, da dies durch die Ofentemperatur verhindert wird. Die Beherrschung solcher Gasgemische mit Sauerstoff und Wasserstoff ist von anderen Verfahren her bekannt.

Es ist im Zuge weiterer Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft, wenn - entweder einzeln, oder in Kombination -:

- die Vorbehandlung in einem Gemisch von Wasserstoff oder wasser stoffhaltigen Gasen und 1 bis 50 Volumens-% Sauerstoff durchgeführt wird,
- die Vorbehandlung in einem Gemisch von Erdgas und Luft mit einem Volumensverhältnis von (3 bis 1) : 1 durchgeführt wird,
- die Vorbehandlung in einem Gemisch von Erdgas und Luft mit einem Volumensverhältnis von (2,2 bis 1,8) : 1 durchgeführt wird,
- die Dauer der Vorbehandlung bei Temperaturen von mindestens 800°C zwischen 1 und 60 Minuten beträgt, insbesondere, wenn die Dauer der Vorbehandlung zwischen 8 und 12 Minuten beträgt.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Verfahrens auf die Vorbe handlung formkomplizierter Werkstücke mit Innenflächen aus der Gruppe Hinterschneidungen, Bohrungen und Sackbohrungen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Wirkungsweise werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein hülsenförmiges Werkstück,

Fig. 2 ein Diagramm der Härteverläufe von der Werkstückoberfläche in die Tiefe des Werkstücks an verschiedenen Meßpunkten ohne erfindungsgemäße Vorbehandlung und

Fig. 3 ein Diagramm der Härteverläufe von der Werkstückoberfläche in die Tiefe des Werkstücks an verschiedenen Meßpunkten nach erfindungsgemäßer Vorbehandlung.

In Fig. 1 ist ein hülsenförmiges Werkstück 1 mit einer Achse A-A und zylindrischen Außenflächen 2 und 3 dargestellt, zwischen denen sich eine Kreisringfläche 4 befindet. Das Werkstück 1 besitzt eine konzentrische Stufenbohrung 5 mit drei zylindrischen Innenflächen 5a, 5b und 5c, zwischen denen Kreisringflächen 5d und 5e angeordnet sind. Die Außen fläche 3 begrenzt einen Fortsatz 3a mit einer kreisringförmigen Stirnfläche 3b.

Die Zylinderflächen 5b und 5c, die Kreisringfläche 5e und die Stirnfläche 3b sollen durch eines der nachstehenden Verfahren in gasförmigen Atmosphären bei hohen Temperaturen nachbehandelt werden, um die Härte gegen Verschleiß zu erhöhen. Diese Flächen sind durch dicke Linien hervorgehoben. Besonders problematisch ist hierbei die Vor- und Nach behandlung der Innenfläche 5c, die einen engen Kanal bildet. Als Nach behandlungsverfahren sind möglich: Das Vakuumaufkohlen, das Schutz gasaufkohlen, das Salzbadnitrieren, das Gas- oder Plasmanitrieren und das Carbonitrieren.

Die übrigen Flächen, also die zylindrischen Außenflächen 2 und 3 und die Innenfläche 5a sollen nicht behandelt werden, weil beispielsweise auf der Außenfläche 3 und/oder in der Innenfläche 5a nachträglich Gewinde hergestellt werden sollen. Diese Flächen und auch die Kreisringflächen 4 und 6 sowie die Außenfläche 2 können zu diesem Zweck durch Formkörper abgedeckt werden, was jedoch nicht Gegenstand dieser Erfindung ist.

In den Fig. 2 und 3 sind auf den Abszissen die Eindringtiefen von Nachbehandlungen durch Aufkohlen in mm angegeben und auf den Ordinaten die Vickers-Härten in [HV0,5]. Aus der Gegenüberstellung dieser Figuren ergibt sich, daß bei einer nicht erfindungsmäßen Vorbehandlung die späteren Härtewerte in den Bohrungen (Flächen 5b und 5c) durch Aufkohlen, Abschrecken und Anlassen, insbesondere an den Oberflächen, beträchtlichen Streuungen unterliegen (Fig. 2) und daß bei einer erfindungsgemäßen Vorbehandlung diese Härtewerte innerhalb enger Grenzen liegen und daß die Härtewerte an den einzelnen Meßpunk ten nahezu identisch sind und innerhalb vorgegebener Bereiche liegen (Fig. 3).

Beispiel

Bei Werkstücken aus einem nickelhaltigen Einsatzstahl nach Fig. 1 betrug das Durchmesser/Längenverhältnis der Bohrung 5, bezogen auf den engsten Abschnitt (Fläche 5c), etwa 1 : 40, wobei für eine nachfolgende Aufkohlung eine Einsatzhärtetiefe von 0,4 ± 0,2 mm einzuhalten war. Die Werkstücke stammten aus einer Fertigung mit einer mechanischen und chemischen Behandlung, z. B. durch elektrochemisches Entgraten, und waren dadurch an ihren Oberflächen entsprechend durch Schmutzpartikel, organische Substanzen und Oxide verunreinigt.

Die Werkstücke wurden zur Vorbehandlung in einem Schutzgas-Durchlauf ofen, wie er z. B. zum Hartlöten verwendet wird, auf einem Transportband abgelegt und auf eine Temperatur von mehr als 800°C ggf. bis auf 1000°C aufgeheizt. Die Bandgeschwindigkeit wurde dabei so eingestellt, daß die Verweilzeit bei dieser Temperatur ca. 10 Minuten betrug. Die Ofenatmosphäre bestand dabei aus einem Gemisch aus Erdgas und Luft im Verhältnis 2 : 1 bei Atmosphärendruck. Anschließend wurden die Werk stücke in dieser Atmosphäre auf einer Auslaufstrecke auf Raumtemperatur abgekühlt. Messungen zeigten überraschen, daß auch ein Kontakt mit Luft nicht wieder zu unkontrollierten Oberflächenveränderungen führte. Anschließend wurden die Werkstücke im Vakuum aufgekohlt, nachfolgend abgeschreckt und angelassen. Die Meßergebnisse sind Fig. 3 zu entneh men.

Bezugszeichenliste

1

Werkstück

2

Außenfläche

3

Außenfläche

3

a Fortsatz

3

b Stirnfläche

4

Kreisringfläche

5

Stufenbohrung

5

a Innenfläche

5

b Innenfläche

5

c Innenfläche

5

d Kreisringfläche

5

e Kreisringfläche

6

Kreisringfläche
A-A Achse

Claims

1. Verfahren zur thermochemischen Vorbehandlung von metallischen Werkstücken (1), insbesondere von Einsatzstählen, für eine nach folgende thermochemische Behandlung aus der Gruppe Aufkohlen, Nitrieren, Nitrokarburieren, Borieren, wobei die Vorbehandlung der Werkstücke (1) in einer Atmosphäre mit Anteilen von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigen Gasen bei Temperaturen von mindestens 800°C erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Atmosphäre ein Gas aus der Gruppe Sauerstoff und Luft zugesetzt wird und daß die Vorbehandlung bei einem Druck zwischen 0,04 und 0,2 MPa erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung in einem Gemisch von Wasserstoff oder wasser stoffhaltigen Gasen und 1 bis 50 Volumens-% Sauerstoff durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung in einem Gemisch von Erdgas und Luft mit einem Volumensverhältnis von (3 bis 1) : 1 durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung in einem Gemisch von Erdgas und Luft mit einem Volumensverhältnis von (2,2 bis 1,8) : 1 durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Vorbehandlung bei Temperaturen von mindestens 800°C zwischen 1 und 60 Minuten beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Vorbehandlung zwischen 8 und 12 Minuten beträgt.

7. Anwendung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 auf die Vorbehandlung formkomplizierter Werkstücke (1) mit Innenflächen (5a, 5b, 5c) aus der Gruppe Hinterschneidungen, Bohrungen und Sackbohrungen.