DE3225686C2

DE3225686C2 - Verfahren zur Wärmebehandlung der Oberfläche eines Bauteils

Info

Publication number: DE3225686C2
Application number: DE19823225686
Authority: DE
Inventors: Subhas Dr.-Ing. 3302 Cremlingen Pakrasi
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Pakrasi Subhas Dr 38162 Cremlingen De
Priority date: 1982-07-09
Filing date: 1982-07-09
Publication date: 1990-05-10
Also published as: DE3225686A1; JPS5923869A; JPH0568538B2

Abstract

In einer korrosionsgefährdenden Atmosphäre schwin gungsbeanspruchte Bauteile, wie Kolbenstangen von Schwin gungsdämpfern, werden einer zweistufigen Oberflächenbe hand lung unterzogen, bei der in der ersten Stufe eine Nitrocarburierung bei Temperaturen oberhalb des A ↓1-Punkts des Eisen-Stickstoff-Systems und in der zweiten Stufe eine Oxydierung bei einer Temperatur erfolgt, die eine Umwandlung des im ersten Verfahrensschritt gebildeten Stickstoff-Austenits in äußerst feinkörnigen Bainit zu Folge hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist insbesondere zur Erhöhung des Korrosionswiderstands unter Vermeiden eines Verzinkens für Scheibenwischergelenke aus niedrig kohlenstoffhaltigem Stahl aus »METAL PROGRESS«, Juni 1982, Seiten 11/12, bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt ein Nitrocarburieren, d. h. eine Wärmebehandlung in einer in erster Linie einen nitrierenden Bestandteil (Ammoniak), aber auch Kohlenstoff enthaltenden Atmosphäre bei Temperaturen unterhalb der /4|-Temperatur des Eisen-Stickstoff-Systems. Das Ergebnis ist unter anderem eine hohe Wechselfestigkeit und eine harte äußere Schicht des Bauteils,- die anschließend einem nicht näher beschriebenen Oxydierungsprozeß unterworfen wird.

Während bei einer Nitrocarburierung die Stickstoffanreicherung im Vordergrund steht, gilt dies bei einer Carbonitrierung, wie sie die GB-A 20 15 580 beschreibt, hinsichtlich der Kohlenstoffanreicherung (vgl. HTM 37 (1982), »Fauchausdrücke auf dem Gebiet der Wärmebehandlung, Teil VII«). Demgemäß ergibt sich beim Carbonitrieren eine Randschicht mit hohem Kohlenstoff-, aber nur mäßigem Stickstoffgehalt. Im einzelnen befaßt sich diese Druckschrift mit der Herstellung eines Bauteils aus einem zunächst kohlenstoffarmen Eisenwerkstoff, der eine leichte Formgebung ermöglicht, und dem danach durch Oxydieren und anschließendes Carburieren oder Carbonitrieren der erwünschte höhere Kohlenstoffgehalt verliehen wird. In Abweichung von dem gattungsgemäßen Verfahren bildet das Oxydieren hier also die erste Stufe des Verfahrens. Die Temperatur beim Carbonitrieren liegt bei diesem Stand der Technik zwischen 720 und 900⁰C, d. h. oberhalb der Ai-Temperatur des Eisen-Kohlenstoff-Systems.

In dem in der DD-PS 1 19 822 offenbarten Verfahren wird das Werkstück zunächst einer Gas-Nitrierung und

ίο dann bei Temperaturen zwischen 450 und 570⁰C einer Oxydation unterworfen. Für das Nitrieren werden Temperaturen von 510 und 530° angegeben, die wie bei dem in »METAL PROGRESS« beschriebene,! Verfahren unterhalb der ApTemperatur des Eisen-Stickstoff-Systems liegen.

Bei dem zur Erzielung einer hohen Verschleißfestigkeit dienenden Verfahren nach der DE-OS 29 30165 handelt es sich, da der Stickstoffgehalt im Gas den Kohlenstoffgehalt erheblich übertrifft, um eine Nitrocarburierung ohne anschließendes Oxydieren, die bei Temperaturen zwischen 500 und 650⁰C, bevorzugt zwischen 570 und 580⁰C und damit unterhalb der Ai-Temperatur des Eisen-Stickstoff-Systems, erfolgen soll. Im Gegensatz zu diesem einstufigen Verfahren betrifft die Erfindung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ein zweistufiges Verfahren.

Bekannt ist schließlich die — allerdings mäßige — Korrosionsschutzwirkung von Gasnitrierungsschichten, insbesondere i-Nitridschichten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß es zur weiteren Lebensdauererhöhung von schwingungsbeanspruchten Bauteilen in korrosionsgefährdender, insbesondere feuchter Atmosphäre Einsatz finden kann.

Derartigen Beanspruchungen unterliegen beispielsweise die Kolbenstangen von Stoß- bzw. Schwingungsdämpfern in Kraftfahrzeugen. Bisher erfolgt bei derartigen Bauteilen zur Lebensdauererhöhung eine galvanisehe Hartverchromung, an die sich eine Glühbehandlung zur Vermeidung einer Wasserstoffversprödung anschließen mußte; abschließend erfolgte ein Oberflächenfinishen mit anschließender Maskierung. Dieses bekannte Verfahren besitzt mithin eine Reihe von Nachteilen, denn Chrom ist teuer und trägt als Schwermetall zur Umweltverschmutzung bei; die Qualität der Maskierung ist zerstörungsfrei nicht kontrollierbar, und zwecks Vermeidung verzögerter Sprödbrüche durch Wasserstoffversprödung ist eine Glühbehandlung erforderlich.

Es ist auch bekannt, statt galvanischer Verchromungsverfahren Salzbadnitrierverfahren anzuwenden, die cyanidhaitige und damit giftige Salzbäder und eine zweimalige Behandlung der Bauteile in Salzbädern erfordern. Im zweiten Salzbad erfolgt dabei auch eine Oberflächenoxydierung. bei der die Behandlungstemperatur auf 400° C begrenzt ist. Angesichts der Umweltbelastung geht aber der Trend in Richtung Vermeidung von Salzbädern.

Die erfindungsgemäße Lösung der oben definierten Aufgabe verwendet daher die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen beiden Verfahrensschritte und besteht in der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Ausgestaltung dieses Verfahrens, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Ein Vorteil der Erfindung ist in der hohen Bruchsicherheit gegen Biege- und Schlagbeanspruchung der so

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behandelten Teile zu sehen.

Ein erstes wesentliches Merkmal der Erfindung besteht also in der Wahl einer Nitrocarburierungs-Temperatur oberhalb der Ai-Temperatur des Eisen-Stickstoff-Systems. Diese Temperatur soll aber nicht beliebig hoch liegen, sondern zweckmäßigerweise zwischen 600 und 675°C d.h. unterhalb der /^-Temperatur des Eisen-Kohlenstoff-Systems, da bereits bei Temperaturen um 700" C die Eigenschaften des so behandelten Bauteils hinsichtlich Verschleißwiderstand und Schwingbeiastbarkeit verschlechtert werden. Bei dieser Temperaturwahl bleibt das Kerngefüge des Bauteils umwandlungsfrei, so daß die Maßänderungen des Bauteils vernachlässigbar sind.

Infolge dieser oberhalb der Λ ι-Temperatur des Fe-N-Systems liegenden Temperatur während des ersten Behandlungsschritts in Verbindung mit einer in erster Linie nitrierenden Atmosphäre ergibt sich eine relativ dikke Nitridschicht mit einem hohen Stickstoffgehalt von 7—9%. Unterhalb dieser N'ilridsehicht, die eine verschleißfeste Verbindungsschicht mit wenigen Poren darstellt, zeigt das Schliffbild eine Stickstoff-Austenitschicht mit einem Stickstoffgehalt von etwa 2%. Durch in Wasserdampf bei Temperaturen zwischen 400 und 600° C, bevorzugt werden 500⁰C, erfolgendes Oxydieren bildet sich einerseits an der Oberfläche eine oxydische Korrosionsschutzschicht aus Fe3O.», und andererseits wandelt sich die Stickstoff-Austenitschicht in einen äußerst feinkörnigen Bainit um, woraus eine hohe Duktilität resultiert Verwendet man hierzu einen sauerstoffaffinen Auftragswerkstoff, z. B. mit Silizium, Mangan, Chrom, Bor, Titan, Niob ο. ä^ so ergibt sich durch das Erwärmen eine Schicht aus dem Oxyd dieses Materials.

Aus dieser Beschreibung des erhndungsgemäßen Verfahrens und der Vorgänge im Randgefüge folgt, daß wesentlich für die Erfindung die nur durch die Kombination der beiden beschriebenen Verfahrensschritte mögliche Erzielung eines feinkörnigen Bainits nur in einer Schicht unterhalb der Verbindungszone ist, wobei der Kern des jeweiligen Bauteils keinen Umwandlungen unterworfen wird.

Demgegenüber erfolgt zwar auch bei dem in »METAL PROGRESS« beschriebenen Verfahren die Bildung einer Verbindungsschicht mit etwa 8% Stickstoffgehalt, aber keine bainitische Zwischenschicht, wie sie für die Schwingungsfestigkeit günstig ist.

Im »Handbuch der Sonderstahlkunde« von Houdremont, 3. Auflage, zweiter Band, Seite 1349, wird eine Oberflächenbehandlung im Salzbad mit Eisenzyankali bei 600 und 670⁰C angegeben, die als Carbonitrieren, also offenbar mit Betonung des Kohlenstoffgehalts, bezeichnet wird und am Rand des Bauteils Kohlenstoffgehalte von 1,2—1,4% sowie Stickstoffgehalte von 1,1 —1,3% (also erheblich niedriger als beim erfindungsgemäßen Verfahren) zur Folge hat. Hier wird jedoch im Randbereich nach anschließender Härtung Martensithärte erzielt, und auch im Kern soll eine Umwandlung erfolgen. Insbesondere bei höher legierten Stählen wird dort als Gefahr eine Erhöhung des Restaustenitgehalts angesehen. Über einen anschließenden Oxydierungsschritt ist in dieser Literaturstelle nichts gesagt.

Bevorzugt wird gemäß Patentanspruch 4 als Oxydierungsschritt ein Erwärmen im Wasserdampf, wie dies — als Anlassen — im Anschluß an das bei Temperaturen zwischen 530 und 570⁰C erfolgende Badnitrieren von spanenden, gehärteten Schnellarbeitsstahlwerkzeugen an sich aus TEW-Technische Bereichte, 1975, Heft 2, Seiten 136 ff., bekannt ist. Dies schließt jedoch nicht aus, gemäß Patentanspruch 5 zur Oxydierung die Oberfläche des jeweiligen Bauteils mit einer sauerstoffaffinen, beispielsweise pastenartigen Schicht zu bedecken.

Zwischen den beiden beschriebenen Verfahrensschritten kann es zwecks Glättens der Oberfläche vorteilhaft sein, gemäß Anspruch 7 einen Läppvorgang vorzusehen.

Beispiel

Eine Kolbenstange aus C45 wird nach mechanischer Bearbeitung 2 Stunden bei 630⁰C nitrocarburiert in einer je 50% Ammoniak und Endogas enthaltenden Atmosphäre; anschließend wird in Öl bei ca. 80° C abgelöscht. Nach dem Läppen (Rauhtiefe z. B. kleiner als 2 μηι) wird die Kolbenstange bei 500⁰C einer Wasserdampfbehandlung für eine Stunde unterzogen, danach Abkühlung an Luft

Das Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Ver-

mobiltechnik kann es beispielsweise auch für Teile von Auspuffanlagen von Brennkraftmaschinen, für Schraubenfedern oder für Außenteile Einsatz finden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Wärmebehandlung der Oberfläche eines Bauteils aus einem Eisenwerkstoff, bei dem nacheinander eine mit Kohlenstoffaufnahme verbundene Gasnitrierung (Nitrocarburierung) und eine Oberflächenoxydierung vorgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitrocarburierung bei einer Temperatur erfolgt, die oberhalb der Λ ι-Temperatur des Eisen-Stickstoff-Systems, aber unterhalb der Ai-Temperatur des Eisen-Kohlenstoff-Systems liegt, und daß die Oberflächenoxydierung salzbadfrei bei einer zur unmittelbaren Umwandlung von Stickstoff-Austenit in Bainit geeigneten Temperatur vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Temperaturen zwischen 600 und 675° C nitrocarburiert wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitrocarburierung in einem Gasgemisch mit 40—70% Ammoniak durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß in Wasserdampf oxydiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Oxydierung die Oberfläche mit einer sauerstoffaffinen Schicht bedeckt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Temperaturen zwischen 4CO und 600⁰C, vorzugsweise bei 500⁰C, oxydiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Nitrocarburierung und Oxydierung geglättet, vorzugsweise geläppt, wird.