DE102015207111B3

DE102015207111B3 - Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von kohlenstoffreduzierten Stählen

Info

Publication number: DE102015207111B3
Application number: DE102015207111.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Dinkel; Werner Trojahn; Georg Schlegelmilch
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2035-04-21
Also published as: EP3286344B1; EP3286344A1; WO2016169560A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von kohlenstoffreduzierten Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent, bei denen eine Randzone eines Werkstücks, insbesondere eines Wälzlagerteiles gegenüber einem Kern einsatzgehärtet ist, umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Carbonitrieren der Randzone des Werkstücks in einer festgelegten Einsatzhärtetiefe mit einem Kohlenstoffanteil zwischen 0,6 und 0,9 Gewichtsprozent und einem Stickstoffgehalt von zumindest 0,1 Gewichtsprozent und maximal 0,5 Gewichtsprozent Stickstoff bei einer Temperatur zwischen 850°C und 1000°C, b) Abkühlen und Durchführung eines Austenitisierungsschritts bei einer werkstoffabhängigen Austenitisierungstemperatur zwischen 800°C und 1000°C, c) Behandlung des Werkstücks auf der unteren Bainitstufe bei einer Bainitisierungstemperatur von 150°C bis 250°C bis zum Erreichen eines Volumengehalts an Bainit von zumindest 50 Gewichtsprozent, d) Abkühlen des Werkstücks auf Raumtemperatur nach Erreichen eines Volumengehalts an Bainit von zumindest 50 Gewichtsprozent, wobei nach dem Verfahrensschritt b) das Werkstück auf Temperaturen unterhalb der unteren Bainitstufe abgekühlt wird und vor Durchführung des Verfahrensschritts c) ein Zwischenglühschritt bei einer Temperatur zwischen 550°C und 650°C mit einem sich anschließenden Austenitisierungsschritt bei Austenitisierungstemperatur durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von kohlenstoffreduzierten Stählen, bei denen eine Randzone eines Werkstücks, insbesondere eines Wälzlagerteiles gegenüber einem Kern einsatzgehärtet ist. Kohlenstoffreduzierte Stähle wie Einsatzstähle, Vergütungsstähle und dergleichen kommen beispielsweise in Anwendungen, beispielsweise Wälzlagern zum Einsatz, bei denen eine hohe Oberflächenhärte mit einer Restelastizität des Werkstücks gefordert ist. Verfahren zur Einsatzhärtung der Oberfläche mittels einer Carbonitrierung sind beispielsweise aus der DE 43 27 440 A1 bekannt. Hierbei wird die Randhärte des Werkstücks angehoben, so dass eine gute Tragfähigkeit bei hoher Zähigkeit und Verschleißfestigkeit erfolgt.
Weiter beschreibt die DE 22 29 028 A ein Bauteil aus Stahl elastischer Natur, wobei dessen Kohlenstoffgehalt im inneren Bereich gering und außen höher ist und eine sorbitische oder bainitische Struktur aufweist, wobei die Dicke dieser Richtung wenigstens 10% des Stahls mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ausmacht.
Die DE 10 2007 044 950 B3 beschreibt ein Werkstück mit einer Kernzone mit einem Bainitgefüge und einer Randzone mit einem Mischgefüge aus Martensit und Bainit, wobei der Martensit einen Volumenanteil von wenigstens 20% aufweist.
Die DE 43 27 440 A1 beschreibt ein Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Stählen, bei denen eine Randzone eines Werkstücks mit Kohlenstoff und Stickstoff oder mit Kohlenstoff angereichert und anschließend einer martensitischen Härtung unterzogen wird.
Aufgabe der Erfindung ist die vorteilhafte Weiterbildung eines Verfahrens zur thermochemischen-thermischen Behandlung von kohlenstoffreduzierten Stählen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder. Das vorgeschlagene Verfahren betrifft die thermochemisch-thermische Behandlung von kohlenstoffreduzierten Stählen, beispielsweise Einsatzstählen, Vergütungsstählen und dergleichen mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent. Das vorgeschlagene Verfahren enthält zumindest folgende Verfahrensschritte:

a) Carbonitrieren der Randzone des Werkstücks in einer festgelegten Einsatzhärtetiefe mit einem Kohlenstoffanteil zwischen 0,6 und 1,2 Gewichtsprozent und einem Stickstoffgehalt von zumindest 0,1 Gewichtsprozent und maximal 0,5 Gewichtsprozent Stickstoff bei einer Temperatur zwischen 850°C und 1000°C,
b) Abkühlen und Durchführung eines Austenitisierungsschritts bei einer werkstoffabhängigen Austenitisierungstemperatur zwischen 800°C und 1000°C, beispielsweise im Ofen, mittels Laser, Induktion oder dergleichen
c) Behandlung des Werkstücks auf der unteren Bainitstufe bei einer Bainitisierungstemperatur von 150°C bis 250°C bis zum Erreichen eines Volumengehalts an Bainit von zumindest 50 Gewichtsprozent im Randbereich wie Randzone,
d) Abkühlen des Werkstücks auf Raumtemperatur nach Erreichen eines Volumengehalts an Bainit von zumindest 50 Gewichtsprozent. Optional erfolgt danach ein Anlassen zwischen 120°C und 300°C oder Tiefkühlen bei –40°C bis –80°C mit anschließendem Anlassen zwischen 120°C und 300°C

Das vorgeschlagene Verfahren wird anhand der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Diagramm der Verfahrenstemperatur über die Zeit eines ersten Verfahrens mit einem abschreckenden Abhärtprozess,
2 ein Diagramm der Verfahrenstemperatur über die Zeit eines zweiten Verfahrens mit einem Zwischenglühschritt und
3 ein Diagramm der Verfahrenstemperatur über die Zeit eines dritten, gegenüber dem Verfahren der 2 mit geändertem Zwischenglühschritt versehenen Verfahrens.
Die 1 bis 3 zeigen jeweils ein Diagramm 100, 200, 300 mit der Verfahrenstemperatur T gegen die Verfahrensdauer t zur Durchführung eines thermochemischen/thermischen Verfahrens zur Behandlung von Werkstücken aus kohlenstoffreduzierten Stählen. Hierbei bewegt sich die reale Verfahrenstemperatur T zwischen der mit durchgezogenen Linien dargestellten oberen Temperatur und der durch gestrichelte Linien dargestellten unteren Temperatur. Die 1 zeigt das Diagramm 100 mit einer Carbonitrierung des Werkstücks zwischen dem Zeitpunkt 0 und dem Zeitpunkt t1. Die Carbonitrierung erfolgt mittels eines C-Pegels zwischen 0,65 und 1,2% mit dem Ziel einer festgelegten Einsatzhärtetiefe. Zielgröße des Randkohlenstoffgehaltes am Fertigbauteil nach Abschliff ist hierbei ein Kohlenstoffgehalt von 0,5 bis 0,9 Gewichtsprozent, während im Kern des Werkstoffs 0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent je nach verwendetem Materialtyp vorgesehen sind. Gleichzeitig wird mittels eines vorgegebenen Ammoniakgehalts in der Gasphase Stickstoff in die Oberfläche eindiffundiert. Zielwert hier ist nach Abschliff ein Stickstoffgehalt von mindestens 0,1 Gewichtsprozent und an der Oberfläche von maximal 0,50 Gewichtsprozent. Die Ausführung dieser Aufkohlungs-/Aufstickungsphase erfolgt mit abgestuften Temperaturen/C-Pegeln und Ammoniakgehalten in der Gasphase. Beispielsweise wird mit einer Aufkohlung/Aufstickung bei Temperaturen größer 900°C und einem C-Pegel größer 0,9 sowie erhöhten Ammoniakgehalten begonnen. Diese Ofenatmosphäre wird konstant gehalten und nach Erreichen von ca. 90% der Einhärtetiefe erfolgt zwischen den Zeitpunkten t1, t2 ein Absenken der Ofentemperatur auf die typische Austenitisierungstemperatur zwischen 800°C und 860°C abhängig von der Zusammensetzung der verwendeten Werkstoffe. Gleichzeitig erfolgt das Absenken des C-Pegels auf 0,6 bis 0,9 und des Ammoniakgehaltes auf ca. 50% des Gehaltes des ersten Prozessschrittes. Diese Ofenatmosphäre wird bis zum Erreichen von 100% CHD (Case Hardened Depth) gehalten. Anschließend erfolgt zum Zeitpunkt t2 die Abschreckung des Werkstücks und zwischen den Zeitpunkten t2, t3 die Abhärtung in Form einer Bainitisierung im Salzwarmbad isotherm bei Temperaturen von 170°C bis 250°C. Alternativ kann auch mit ansteigender Temperatur im Umwandlungsprozess und einer Umsetzung in einen Niedertemperaturofen gearbeitet werden. Nach der Umwandlung des größten Volumenanteils des Gefüges beispielsweise bainitischen Gehalten größer 75 Gewichtsprozent kann das Werkstück an Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Ein anschließendes Anlassen bei 150°C bis 250°C ist optional. Die 2 zeigt das gegenüber dem Verfahren der 1 abgeänderte Verfahren mit dem Diagramm 200. Die Ausführung der Aufkohlungs-/Aufstickungsphase kann entsprechend 1 zwischen den Zeitpunkten 0, t1 kontinuierlich mit gleichbleibender Temperatur/C-Pegel und Ammoniakgehalt in der Gasphase durchgeführt werden. Eine Abstufung/Absenkung des C-Pegels bzw. Temperatur und Ammoniakgehaltes im Sinne eines Boost/Diffuse-Prozesses ist ebenfalls möglich. Das Temperaturfeld der Verfahrenstemperatur T liegt zwischen 850°C und 960°C, typische C-Pegel sind 0,65 bis 1,2, abhängig von der verwendeten Legierung des Werkstücks. Die Stickstoffgehalte der Gasphase werden anhand der spezifischen Bauteiloberfläche der Ofenbeladung mit Werkstücken festgelegt. Anschließend an das Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten 0, t1 erfolgende Carbonitrierung schließt sich zwischen den Zeitpunkten t1, t2 die langsame Abkühlung im Salzwarmbad oder in der Ofenatmosphäre bis auf Raumtemperatur. Im nächsten Teilschritt erfolgt ein langsames, gegebenenfalls gestuftes Aufheizen auf eine Zwischenglühtemperatur, im Bereich von 550°C bis 650°C, abhängig vom verwendeten Material des Werkstücks. Die Zwischenglühtemperatur wird für mindestens 2 Stunden gehalten. Danach erfolgt zwischen den Zeitpunkten t3, t4 die weitere Erwärmung bis auf die für den verwendeten Werkstoff typische Austenitisierungstemperatur. Diese wird gehalten, bis querschnittsabhängig eine vollständige Durchwärmung des Werkstücks erzielt ist, plus weitere 5 bis 60 Minuten, vorzugsweise 30 Minuten. Die Abhärtung in Form der Bainitisierung erfolgt im Salzwarmbad isotherm bei Temperaturen von 170°C bis 250°C zwischen den Zeitpunkten t4, t5. Alternativ kann auch mit ansteigender Temperatur im Umwandlungsprozess und einer Umsetzung in einem Niedertemperaturofen gearbeitet werden. Nach der Umwandlung des größten Volumenanteils des Gefüges, beispielsweise größer 50 Gewichtsprozent kann das Bauteil an Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Die 3 zeigt im Unterschied zu dem Verfahren der 2 mit dem Diagramm 200 ein leicht abgeändertes Verfahren mit dem Diagramm 300. Zunächst erfolgt nach dem Carbonitieren und Abkühlen entsprechend dem Verfahren der 2 zunächst nach dem langsamen, gegebenenfalls gestuften Aufheizen auf eine Zwischenglühtemperatur im Bereich von 550°C und 650°C, abhängig von der Zusammensetzung des Werkstoffs des Werkstücks ein Halten dieser Temperatur zwischen den Zeitpunkten t2, t3 für mindestens 2 Stunden. Danach erfolgt im Unterschied zu dem Verfahren der 2 eine erneute Abkühlung des Werkstücks an Luft und Halten der Raumtemperatur zwischen den Zeitpunkten t3a, t3b. Anschließend erfolgt eine Erwärmung bis auf die für den verwendeten Werkstoff typische Austenitisierungstemperatur. Diese wird zwischen den Zeitpunkten t3b, t4 gehalten bis querschnittsabhängig eine vollständige Durchwärmung des Werkstücks erzielt ist, plus weitere 5 bis 60 Minuten. Die Abhärtung entsprechend dem Verfahren der 2 in Form der Bainitisierung erfolgt im Salzwarmbad isotherm bei Temperaturen von 170°C bis 250°C. Alternativ kann auch mit ansteigender Temperatur im Umwandlungsprozess und einer Umsetzung in einen Niedertemperaturofen gearbeitet werden. Nach der Umwandlung des größten Volumenanteils des Gefüges in Bainit mit einem Gehalt größer 50 Volumenprozent kann das Werkstück an Luft bis auf Raumtemperatur abkühlen. Bei den vorgeschlagenen Verfahren kann optional ein Anlassen bei 150°C bis 250°C erfolgen.

Claims

Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von kohlenstoffreduzierten Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent, bei denen eine Randzone eines Werkstücks, gegenüber einem Kern einsatzgehärtet ist, umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Carbonitrieren der Randzone des Werkstücks in einer festgelegten Einsatzhärtetiefe mit einem Kohlenstoffanteil zwischen 0,6 und 1,2 Gewichtsprozent und einem Stickstoffgehalt von zumindest 0,1 Gewichtsprozent und maximal 0,5 Gewichtsprozent Stickstoff bei einer Temperatur zwischen 850°C und 1000°C, b) Abkühlen und Durchführung eines Austenitisierungsschritts bei einer werkstoffabhängigen Austenitisierungstemperatur zwischen 800°C und 1000°C, c) Behandlung des Werkstücks auf der unteren Bainitstufe bei einer Bainitisierungstemperatur von 150°C bis 250°C bis zum Erreichen eines Volumengehalts an Bainit von zumindest 50 Gewichtsprozent, d) Abkühlen des Werkstücks auf Raumtemperatur nach Erreichen eines Volumengehalts an Bainit von zumindest 50 Gewichtsprozent im aufgekohlten Bereich, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt b) das Werkstück auf Temperaturen unterhalb der unteren Bainitstufe abgekühlt wird und vor Durchführung des Verfahrensschritts c) ein Zwischenglühschritt bei einer Temperatur zwischen 550°C und 650°C mit einem sich anschließenden Austenitisierungsschritt bei Austenitisierungstemperatur durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Verfahrensschritt d) ein Anlassen des Werkstücks bei 150°C bis 250°C gegebenenfalls nach einer Tiefkühlung zwischen –40°C und –80°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Werkstücks gemäß Verfahrensschritt b) und/oder d) in einem Salzwärmebad oder in einer Ofenumgebung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verfahrensschritts a) abgestufte Temperaturschritte, C-Pegel und/oder Stickstoffgehalte in der Gasphase durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigung des Verfahrensschritts b) auf die untere Bainitstufe abgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zwischenglühschritt und dem Austenitisierungsschritt auf eine Temperatur unterhalb der unteren Bainitstufe abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenglühschritt zumindest 2 Stunden gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austenitisierungstemperatur zumindest bis zur kompletten Durchwärmung des Werkstücks und einem zeitlichen Sicherheitszuschlag aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bainitisierungstemperatur isotherm oder mit ansteigender Temperatur durchgeführt wird.