DE3922983A1

DE3922983A1 - Verfahren zur chemisch-thermischen bearbeitung von werkstuecken, nach diesem verfahren hergestellte diffusionsueberzuege und anlage zu seiner durchfuehrung

Info

Publication number: DE3922983A1
Application number: DE19893922983
Authority: DE
Inventors: Anatolij Grigorievic Bozkov; Viktor Konstantinovic Sedunov; Georgij Petrovic Dolotov; Vjaceslav Vasilevic Novikov; Boris Dmitrievic Pritomanov; Gennadij Borisovic Petrov; Jurij Konstantinovic Evseev; Vladimir Georgievic Grigoriev; Stanislav Avgustovic Jurasov
Original assignee: Mo Avtomobilnyj Zavod Im I A L
Current assignee: Mo Avtomobilnyj Zavod Im I A L
Priority date: 1989-07-18
Filing date: 1989-07-12
Publication date: 1991-01-17
Also published as: FR2649723B1; FR2649723A1; GB8916425D0; GB2234266A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Hüttenwesen und betrifft insbesondere ein Verfahren zur chemisch-ther mischen Bearbeitung von Werkstücken, nach diesem Verfahren hergestellte Diffusionsüberzüge und Anlagen zu seiner Durchführung.

Die Erfindung kann im Maschinenbau beim Auftragen von verschleiß- und korrosionsbeständigen Überzügen auf Werk stücke aus Eisen- oder Aluminiumlegierungen, und z.B. in der Automobilindustrie auf Teile von Motoren und Wechselge trieben von Kraftfahrzeugen, die unter Bedingungen der Zerstörung durch Verschleiß oder durch Verschleiß und Korrosion arbeiten, angewendet werden.

Besonders breite Anwendung finden zur Zeit die Aufkohlung und Aufstickung der Oberfläche von Gegenständen aus einer Gasatmosphäre, was im Vergleich zur Sättigung der Oberflä che der Werkstücke aus Cyanverbindungen enthaltenden Salz bädern ökonomisch zweckmäßiger ist. Diese Verfahren gewähr leisten die Ausbildung von Diffusionsüberzügen aus der Carbonitridphase, die durch eine hohe Verschleißbeständig keit gekennzeichnet sind, jedoch keine ausreichende Korro sionsbeständigkeit aufweisen.

Es ist ein Verfahren zur chemisch-thermischen Bearbeitung der Oberfläche von Gegenständen aus Eisenlegierungen be kannt, das die Wärmebehandlung in der Atmosphäre eines katalytischen Gases (exothermes oder endothermes Gas, Stickstoff) und Ammoniak bei einer Temperatur von 550 bis 800°C bis zur Bildung eines Gefüges der Carbonitrid phase auf der Oberfläche mit wiederholter kurzzeitiger Wärmebehandlung in W/Ö-Emulsion und in oxidierender Atmos phäre (bis zu 60 s) vorsieht (GB-A 21 38 028). Infolge einer wiederholten Schnellerwärmung und Abkühlung vollzie hen sich eine Dissoziation von Carbonitrid aus dem Carbo nitridgefüge mit einer Dicke bis zu 1µm und eine Oxida tion von Eisen zu Fe₃O₄. Zur Durchführung dieses Verfah rens wird eine Anlage beschrieben, die in der Reihenfolge der technologischen Vorgänge angeordnet und durch ein Transportsystem miteinander verbunden einen Ofen zur Wärme behandlung der Gegenstände, eine Oxidationskammer und eine Kühlkammer enthält. Auf der Oberfläche der auf diese Weise behandelten Gegenstände bildet sich ein Diffusionsüberzug, der zwei Gefügebestandteile aufweist, von denen der von der Oberfläche aus erste Gefügebestandteil ein porenfreies Gefüge aufweist und aus Fe₃O₄ besteht, während sich der zweite Gefügebestandteil aus Eisencarbonitrid vom Typ Fe_2-3(NC) bei einem Massenverhältnis von jeweils 1 : 24 zusammensetzt. Ein Überzug mit einer solchen Zusam mensetzung kann lediglich gewährleisten, daß den Werkstüc ken infolge der geringen Dicke des ersten Gefügebestandteils eine geringe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit verlie hen wird. Unter den Bedingungen dieses Verfahrens, das außerdem durch eine geringe Leistung gekennzeichnet ist, kann die Dicke dieses Bestandteils nicht geregelt werden.

Es ist ein Verfahren zur chemisch-thermischen Bearbeitung von Gegenständen aus Eisenlegierungen bekannt, das ihre Wärmebehandlung in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von höchstens 680°C, vorzugsweise 600 bis 680°C, das Polieren und Halten der Gegenstände im Wasserdampfmedium bei einer Temperatur von 400 bis 680°C vorsieht, was eine unmittelbare Umwandlung des Stickstoffaustenits zu Bainit ermöglicht (DE-A 32 25 686). Als stickstoffhaltige Atmosphäre wird ein Gasgemisch ver wendet, das 40 bis 70 Masse-% Ammoniak enthält. Der auszu bildende Diffusionsüberzug besteht aus drei Gefügebestand teilen, wobei der von der Oberfläche aus erste Gefügebe standteil ein porenfreies Gefüge aus Fe₃O₄, der zweite ein Gefüge von einer Carbonitridphase vom Typ Fe_2-3(NC) und der dritte ein Bainitgefüge bilden. Das Polieren führt zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit des Überzugs, der jedoch infolge der geringen Dicke des ersten Gefüge bestandteils eine geringe Korrosionsbeständigkeit aufweist. Das mehrfache Erhitzen führt außerdem zu einer Verformung der Gegenstände und als Folge davon zu einer Verminderung der Ermüdungsfestigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur chemisch-thermischen Bearbeitung von Werkstücken durch Ausarbeitung einer entsprechenden Verfahrensführung zu entwickeln, das durch eine hohe Fertigungsgerechtigkeit bei minimalem Arbeits- und Energieaufwand gekennzeichnet ist. Dabei können nach diesem Verfahren hinsichtlich des Gefüges neue Diffusionsüberzüge auf Gegenständen aus Eisen- oder Aluminiumlegierungen hergestellt werden, wobei auf diese Weise den zu bearbeitenden Gegenständen ein hoher Komplex von physikalisch-mechanischen Eigenschaften ver liehen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Anlage zur Durch führung dieses Verfahrens durch einen entsprechenden Aufbau der Elemente der Anlage zu entwickeln, die eine hohe Leistung und eine gute Betriebszuverlässigkeit bei stabiler Qualität der Überzüge auf den zu bearbeitenden Gegenständen aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Verfahren zur chemisch-thermischen Bearbeitung von Werkstücken, die eine Wärmebehandlung der Werkstücke in einer stickstoffhal tigen Atmosphäre bei einer Temperatur von nicht mehr als 680°C, ihr Halten in einer oxidierenden Atmosphäre bei der genannten Temperatur und ihre Abkühlung umfaßt, vorge schlagen wird, bei dem erfindungsgemäß die Wärmebehandlung bis zur Bildung eines Gefüges der Carbonitrid- oder Oxini tridphase auf den Werkstücken durchgeführt wird, das eine Dicke von mindestens 5 µm aufweist, wonach vor dem Halten in der oxidierenden Atmosphäre auf den Teilen ein feinpori ges Gefüge ausgebildet wird, das nach dem Abkühlen mit Öl gefüllt wird, das 0,5 bis 10,0 Masse-% Schwefel enthält.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Diffusionsüber züge mit einem Gefüge hergestellt werden, das sich von den bekannten Gefügen unterscheidet und den Diffusions überzügen eine gute Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit und eine gute Ermüdungsfestigkeit verleiht. Außerdem weist dieses Verfahren eine hohe Fertigungsgerechtigkeit und einen geringen Energie- und Arbeitsaufwand auf, weil ein mehrfach wiederholtes Erhitzen der Werkstücke, das zu ihrer Verformung führt, sowie mechanische Zwischenarbeits gänge, wie Feinbearbeitung und Polieren, ausgeschlossen sind.

Es wird vorgeschlagen, die Ausbildung eines porigen Gefüges auf Gegenständen durch isothermes Halten bei 400 bis 500°C in einer Schutzgasatmosphäre, wie Stickstoff oder Stickstoff und Ammoniak, bei einem Masseverhältnis von 90,0-99,9 : 0,1- 10,0 durchzuführen. Unter diesen Bedingungen lassen sich Porosität und Dicke des herzustellenden porigen Gefüges leicht regeln.

Zur Herstellung eines Gefügebestandteils aus einer Carbo nitridphase mit optimaler Dicke ist die Wärmebehandlung zweckmäßigerweise 2 bis 5 Stunden bei 570 bis 680°C durch zuführen.

Zur Herstellung eines Gefügebestandteils aus einer Oxinitrid phase wird empfohlen, die Temperatur der Wärmebehandlung 2 bis 5 Stunden in einem Bereich von 450 bis 570°C auf rechtzuerhalten. Zur Gewährleistung einer maximalen Ge schwindigkeit der Ausbildung einer Carbonitrid- oder einer Oxinitridphase wird zweckmäßigerweise die Wärmebehandlung in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt, die aus Endogas und Ammoniak bei einem Masseverhältnis von je weils 30-50 : 50-70 besteht.

Zur Durchführung der Oxidation bei einer optimalen Verfahrens führung sind die Werkstücke vorzugsweise in einer oxidieren den Atmosphäre zu halten, die Sauerstoff, Stickstoff und Am niak bei folgendem Verhältnis in Masse-% enthält:
Sauerstoff 0,2 bis 22,0
Ammoniak 0,05 bis 3,0
Stickstoff bis auf 100.

Zur wirksamen Füllung der Poren des auf den Werkstücken gebildeten porigen Gefüges mit Öl, das 0,5 bis 10 Masse-% Schwefel enthält, wird das Anlassen der Werkstücke im genannten Öl 20 bis 40 Minuten bei 120 bis 140°C durchge führt. Zur Beschleunigung der Wärmebehandlung werden die Werkstücke vorzugsweise vorher bei 350 bis 400°C gehalten, wodurch eine teilweise Oberflächenoxidation gewährleistet wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch dadurch gelöst, daß zwei Diffusionsüberzüge ausgebildet werden. Der Diffusions überzug, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf Werkstücken aus Aluminiumlegierungen hergestellt wird, besteht aus kristallinen Gefügen von Al₂O₃ und einer Oxinitridphase vom Typ (AlMe)_2-3(NO), worin Me Metall bedeutet, und an der Phasengrenze die Gefüge dieser Phasen mit Öl gefüllt sind, das 0,5 bis 10,0 Masse-% Schwefel enthält. Der Diffusionsüberzug, der nach dem erfindungsgemä ßen Verfahren auf Werkstücken aus Eisenlegierungen herge stellt wird, besteht aus drei Gefügeschichten, von denen die von der Oberfläche des Überzuges aus zweite Gefüge schicht ein porenfreies Gefüge der Carbonitridphase vom Typ Fe_2-3(NC) und die dritte Gefügeschicht ein Bainit gefüge aufweisen. Erfindungsgemäß weist die von der Ober fläche aus erste Gefügeschicht ein feinporiges Gefüge, im wesentlichen aus Fe₃O₄, auf, dessen Poren mit einem Öl, das 0,5 bis 10 Masse-% Schwefel enthält, gefüllt sind, wobei das Verhältnis zwischen der Dicke der ersten und zweiten Gefügeschicht in einem Bereich von 1 : 2-10 liegt. Durch die Verwendung der Diffusionsüberzüge mit einem solchen Gefüge und einer solchen Zusammensetzung kann

- die Ermüdungsfestigkeit um 50% erhöht werden, wobei die Masse der Gegenstände vermindert und Eisenteile eingespart werden;
- die Kennziffer der Korrosionsbeständigkeit, die eine ähnliche Kennziffer von galvanischen Überzügen, der chemischen Vernickelung und der Hartverchromung über steigt, bedeutend erhöht werden, wobei die Herstellung einer Reihe von Werkstücken aus niedriggekohlten Stählen anstelle nichtrostender Stähle ermöglicht wird;
- die Kennziffer der Verschleißbeständigkeit erhöht werden, wodurch z.B. die Verwendung kostspieliger Bronze- und Messingbuchsen in Gleitlagern eliminiert wird.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird auch eine Anlage zur Durchführung des genannten Verfahrens vorgeschlagen, die in der Reihenfolge der technologischen Vorgänge angeord net und durch ein Transportsystem miteinander verbunden einen Ofen zur Wärmebehandlung der Werkstücke, eine Oxida tionskammer und eine Kühlkammer umfaßt, wobei erfindungsge mäß zwischen dem Ofen und der Oxidationskammer in Bewegungs richtung der Werkstücke eine mit diesen hermetisch verbun dene Kammer zum isothermen Halten angeordnet ist, während nach der Kühlkammer eine Kammer zum Anlassen der Werkstücke vorgesehen ist. Eine solche Anlage gewährleistet beim erfindungsgemäßen Verfahren einen geschlossenen technolo gischen Kreislauf und eine stabile Qualität der Diffusions überzüge auf den zu bearbeitenden Werkstücken, wobei die Wirksamkeit dieser Anlage 96% beträgt. Zu einer Erhöhung der Leistung ist vor dem Ofen zur Wärmebehandlung eine Kammer zum thermischen Halten der Formteile angeordnet.

Nachstehend wird ein konkretes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung angeführt, die eine schematische Darstellung der erfindungs gemäßen Anlage zur Durchführung des Verfahrens zur chemisch- thermischen Bearbeitung von Werkstücken in Draufsicht mit einem Ausbruch zeigt.

Die erfindungsgemäße Anlage zur Durchführung des Verfahrens (siehe Zeichnung) umfaßt in der Reihenfolge der technolo gischen Vorgänge angeordnet eine Vorrichtung 1 zum Legen der Werkstücke auf Untersätze 2, eine Vorrichtung 3 zum Waschen der Werkstücke, eine Kammer 4 zum vorangehenden thermischen Halten der Werkstücke, eine Übergabeschleuse 5, einen Ofen 6 zur Wärmebehandlung der Werkstücke mit einer Öffnung 7 zum Austragen derselben, die mit einem Schieber 8 versehen ist und an die an ihrem Eingang eine Kammer 9 zum isothermen Halten der Teile hermetisch angeschlossen ist. Hinter der Kammer 9 ist eine mit dieser in einem gemeinsa men Gehäuse 10 montierte und durch einen Schieber 11 ge trennte Oxidationskammer 12 angeordnet, die am Austritt einen Schieber 13 aufweist. Der Ofen 6 und die Kammern 4, 9 und 12 weisen eine Auskleidung 14 auf, sind mit Ausnahme der Kammer 4 hermetisch abgeschlossen und mit Erwärmungs einrichtungen (nicht dargestellt) versehen. Hinter der Kammer 12 ist eine Kühlkammer 15 angeordnet. Die Bewegung der Untersätze 2 wird mittels Verschiebevorrichtungen - Stoßvorrichtungen 16 und Bandförderer 17 - vorgenommen. Der Ofen 6 und die Kammern 9 und 12 sind mit Stutzen 18, 19 und 20 jeweils zum Zuführen von stickstoffhaltiger, von Schutz- und oxidierender Atmosphäre versehen. Hinter der Kammer 15 sind aufeinanderfolgend eine Kammer 21 zum Anlassen der Werkstücke und eine Vorrichtung 22 zur Entleerung der Untersätze 2 angeordnet. Die Anlage besitzt ein Steuersystem und erforderliche elektro-mechanische und Energieausrüstungen (in der Zeichnung nicht wiedergegeben). Nachstehend werden die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anlage sowie die Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Die Formteile, die einer chemisch-thermischen Bearbeitung ausgesetzt werden, werden mittels der Vorrichtung 1 auf die Untersätze 2 gelegt und mittels des Bandförderers 17 in die Vorrichtung 3 zum Waschen eingeführt. Dann werden die Formteile mittels des Bandförderers 17 in die Kammer 4 zum Vorwärmen und Oxidieren im Luftmedium bei 350 bis 400°C zwecks Vorbereitung der Oberfläche der Teile zur weiteren Sättigung eingeführt. Dieser Arbeitsgang ist nicht obligatorisch, da er lediglich eine Erhöhung der Leistung des technologischen Prozesses bezweckt. Aus der Kammer 4 werden die Untersätze 2 mit den Teilen mittels des Bandförderers 17 in die Schleuse 5 übertragen und von dort mittels einer Stoßvorrichtung 16 dem Ofen 6 zur Wärmebehandlung zugeführt, in den über den Stutzen 18 eine stickstoffhaltige Atmosphäre zugeleitet wird, die vorzugsweise aus endothermem Gas und Ammoniak bei einem Massenverhältnis von jeweils 30-50 : 50-70 besteht, obwohl auch ein exothermes Gas und Stickstoff verwendet werden können. Die Formteile aus Eisenlegierungen werden einer 2- bis 5stündigen Wärmebehandlung bei 570 bis 680°C unter zogen, wobei auf der Oberfläche zwei Gefügebestandteile, und zwar ein porenfreies Gefüge von Carbonitridphasen vom Typ Fe_2-3(NC) und ein Stickstoffaustenitgefüge ausgebildet werden. Das Verfahren wird bis zur Bildung einer mindestens 5 µm, vorzugsweise ab 10 µm dicken Gefü geschicht der Carbonitridphase durchgeführt. Die Formteile aus Aluminiumlegierungen werden einer 2- bis 5-stündigen Wärmebehandlung vorzugsweise bei 450 bis 570°C unter Bildung einer Gefügeschicht ausgesetzt, die vorzugsweise aus Oxinitridphasen besteht und eine Dicke von mindestens 5 µm aufweist. Aus dem Ofen 6 wird der Untersatz 2 mit den Teilen mittels der Stoßvorrichtung 16 und des Band förderers 17 über die Öffnung 7 bei geöffnetem Schieber 8 in die Kammer 9 zum isothermen Halten eingeführt. Bei geschlossenen Schiebern 8 und 11 wird die völlig hermetisch abgeschlossene Kammer 9 mit einer Schutzgasatmosphäre gefüllt, die vorzugsweise aus Stickstoff und Ammoniak bei einem Massenverhältnis von 90,0-99,9 : 0,1-10,0, oder aus Stickstoff besteht. Das isotherme Halten der Formteile erfolgt bei 400 bis 500°C bis zur Bildung eines feinpori gen Gefüges; die Ausbildung dieses Gefüges auf der Oberflä che der Werkstücke aus Eisenlegierungen unterscheidet sich jedoch von der Ausbildung des Gefüges aus Teilen aus Aluminiumlegierungen. Im ersten Fall erfolgt eine Dissoziation von Carbonitriden, die Bildung von Moleku larstickstoff und seine Entfernung aus der Phase. Es bildet sich die erste Gefügeschicht, die sich oberhalb der zwei ten Gefügeschicht aus Carbonitridphasen befindet und ein poriges Gefüge mit gleichmäßig über die Dicke verteilten Poren aufweist. Das Verhältnis zwischen der ersten und der zweiten Gefügeschicht beträgt 1 : 2-10. Durch Änderung der Zusammensetzung der Schutzgasatmosphäre kann die Poro sität der ersten Gefügeschicht geregelt werden. Der unter schiedliche Grad der Porosität dieses Gefügebestandteils ist zur Erzielung optimaler Eigenschaften der Oberfläche für verschiedene Betriebsbedingungen der Werkstücke not wendig (durch eine stärker entwickelte Porosität werden z.B. die tribologischen Eigenschaften der Oberfläche ver bessert, während eine weniger ausgeprägte Porosität die Korrosionsbeständigkeit vergrößert). Bei weniger als 10 Masse-% Ammoniak in der Schutzgasatmosphäre kann der Ausbildungsgrad der Porosität der ersten Gefügeschicht geregelt werden. Bei der Behandlung von Werkstücken aus Aluminiumlegierungen wird die Dicke des Oxinitridgefüges vergrößert und ein undichtes kristallines Gefüge vom Typ des Aluminiumoxids ausgebildet, wobei über die Phasengrenze im Gefüge dieser Phasen Fehler in Form kleiner Poren ent stehen. Nach der Beendigung des isothermen Haltens werden die Untersätze 2 mit den Teilen mittels der Stoßvorrich tung 16 und des Bandförderers 17 bei geöffnetem Schieber 11 in die Oxidationskammer 12 geführt. Die Schieber 11 und 13 sperren jeweils den Ein- und Ausgang der Kammer 12 ab. Über den Stutzen 20 wird eine oxidierende Atmosphäre in diese Kammer 12 geleitet, wobei als solche ein Gemisch aus Stickstoff, Sauerstoff und Ammoniak bei einem Verhält nis von 0,2 bis 22,0 Masse-% Sauerstoff, 0,05 bis 3,0 Masse-% Ammoniak und bis auf 100 Masse-% Stickstoff einge setzt wird.

Die Oxidation erfolgt bei einer Temperatur, die der Tempe ratur der Wärmebehandlung entspricht. Für Werkstücke aus Eisenlegierungen wird eine Temperatur von 570 bis 680°C aufrechterhalten, wobei das in der ersten feinporigen Ge fügeschicht enthaltene Eisen zu Fe₃O₄ oxidiert, d.h. es erfolgt eine Art Plattierung der Porenoberfläche mit einem Oxidfilm, der geringe innere Spannungen und keine Rißneigung aufweist. Dies trägt zu einer bedeutenden Vergrößerung der Korrosionsbeständigkeit bei.

Die Werkstücke aus Aluminiumlegierungen werden bei 450 bis 570°C oxidiert, wobei eine endgültige Ausbildung eines Diffusionsüberzuges erfolgt, der aus kristallinen Gefügen von Al₂O₃ und einer Oxinitridphase vom Typ (AlMe)_2-3(NO) besteht. Nach Beendigung der Oxidation wird der Schieber 13 geöffnet, die Untersätze 2 mit den Teilen werden mittels der Stoßvorrichtung 16 in die Kühl kammer 15 bewegt, wo eine rasche Abkühlung der Teile in Wasser oder in einem Wasser-Luft-Gemisch erfolgt. Auf Teilen aus Eisenlegierungen wird in der dritten Gefü geschicht das austenitische Gefüge zu Beinit umgewandelt. Anschließend werden die Teile über den Bandförderer 17 in die Kammer 21 zum Anlassen geführt, das vorzugsweise bei 120 bis 140°C innerhalb von 20 bis 40 Minuten in Öl erfolgt, das 0,5 bis 10 Masse-% Schwefel enthält.

In diesem Stadium erfolgt die endgültige Ausbildung der Diffusionsüberzüge auf den Teilen aus Eisen- oder Alumi niumlegierungen. Die Poren werden mit dem genannten Öl gefüllt, wobei der sich auf der Porenfläche absetzende Schwefel die Verschleißbeständigkeit der Werkstücke unter den Bedingungen der Trockenreibung und der Mischreibung (einer Kombination von Trocken- und Feststoffreibung) bedeutend erhöht. Aus der Kammer 21 werden die Untersätze 2 mit den Teilen über den Bandförderer 17 der Vorrichtung 22 zur Entnahme geführt. Der Zyklus der chemisch-thermi schen Bearbeitung wird dann wiederholt.

Die auf Formteilen aus Aluminiumlegierungen erhaltenen Diffusionsüberzüge bestehen aus kristallinen Gefügen aus Al₂O₃ und einer Oxinitridphase vom Typ (AlMe)_2-3(NO) , worin Me Metall bedeutet, wobei über die Phasengrenze die Gefüge dieser Phasen mit Öl gefüllt sind, das 0,5 bis 10 Masse-% Schwefel enthält.

Die auf Formstücken aus Eisenlegierungen erhaltenen Diffu sionsüberzüge bestehen aus drei Gefügeschichten, von denen die von der Oberfläche des Diffusionsüberzuges aus erste Gefügeschicht ein feinporiges Gefüge im wesentlichen aus Fe₃O₄ aufweist, dessen Poren mit Öl gefüllt sind, das 0,5 bis 10 Masse-% Schwefel enthält. Die zweite Gefüge schicht ist ein porenfreies Gefüge einer Carbonitridphase, vorzugsweise vom Typ Fe_2-3(NC), und die dritte Gefüge schicht weist ein Bainitgefüge auf.

Die erhaltenen Diffusionsüberzüge wurden auf Verschleißbe ständigkeit, Ansprengbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit geprüft.

Die Prüfungen der Verschleißfestigkeit erfolgten nach der Methode der Bewertung der Abreibbarkeit der Oberfläche bei Gleitreibung mit einer Belastung von 5 kp.

Die Dauer einer Prüfung (Bildung einer Kugelkalotte) umfaßte die Zeit, in der die Scheibe 30 000 Umdrehungen ausführte. Die Scheibe hatte folgende Abmessungen: Durchmesser 30 mm, Dicke 2,5 mm. Die Drehzahl der Scheibe betrug bei der Prüfung 860 U/min. Die Abkühlung erfolgte mit einer 0,5%igen K₂CrO₃-Lösung in destilliertem Wasser. Die Zuführungsge schwindigkeit der Kühlflüssigkeit betrug 0,8 l/min. An jedem Probeteil verschlissen je 5 Kugelkalotten.

Die Prüfungen auf Korrosionsbeständigkeit wurden in einer Kammer mit Salznebel unter periodischer Zerstäubung der Salzlösung (3%) durchgeführt, die alle 14 Minuten eine Minute lang erfolgte.

Ein Strahl dieser Lösung wurde aus einem Zerstäuber unter einem 45°-Winkel zur Oberfläche der Teile geleitet, die im Abstand von 200 mm von der Düse angeordnet waren, wobei die Lösung nicht unmittelbar auf die zu prüfenden Teile gelangen konnte.

Die Prüfungen erfolgten bei 24 bis 26°C. Die Korrosionsbe ständigkeit wurde durch die Zeit der Entstehung von Korro sionsherden bei der Sichtprüfung der Teile mit bloßem Auge bei Tageslicht bestimmt.

Die Prüfungen der Ermüdungsfestigkeit und der Ansprengbar keit erfolgte nach bekannten Methoden.

Nachstehend werden konkrete Beispiele zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei unterschiedlichen Temperatur- und Zeitverhältnissen, sowie für Diffusions überzüge angeführt, die nach diesem Verfahren auf Teilen aus Aluminium- oder Eisenlegierungen erhalten werden.

Beispiel 1

Der Kolben eines V-Motors aus einer Aluminiumlegierung, der 10 Minuten in der Vorrichtung 3 mit einer Alkalilösung entfettet wurde, wird einer Wärmebehandlung in einem Ofen 4 unterzogen. Die Behandlung erfolgt 4,5 Stunden in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre, die aus 50 Masse-% Ammoniak und 50 Masse-% Endogas besteht, bei 570°C bis zur Bildung eines Gefüges der Oxinitridphase mit einer Dicke von 10 µm. Der bearbeitete Kolben wird in der Kammer 9 untergebracht und 0,5 Stunden isotherm in einer Schutzgasatmosphäre aus 0,1 Masse-% Ammoniak und 99,9 Masse-% Stickstoff bei 500°C gehalten. Dabei bildet sich ein undichtes kristallines Gefüge vom Typ von Aluminiumoxiden, und die Dicke des Oxinitridgefüges nimmt zu, wobei an der Phasengrenze in den Gefügen dieser Phasen Fehler in Form von kleinen Poren entstehen. Aus der Kammer 9 wird der Kolben in die Kammer 12 geführt und bei 570°C in einer oxidierenden Atmosphäre, die aus 10,5 Masse-% Sauerstoff, 1,0 Masse-% Ammoniak und 88,5 Masse-% Stickstoff besteht, gehalten. Anschließend wird der Kolben durch Zerstäuben von warmem Wasser von 95°C in der Kammer 15 rasch abgekühlt und in der Kammer 21 30 Minuten bei 120°C in Öl angelassen, das 2 Masse-% Schwefel enthält.

Der nach diesem Verfahren auf dem Kolben erhaltene Diffusions überzug besteht aus kristallinen Gefügen von Al₂O₃ und einer Oxinitridphase vom Typ (AlMe)_2-3(NO). Über die Phasengrenze sind die Gefüge dieser Phasen mit Öl gefüllt, das 2 Masse-% Schwefel enthält. Die Dicke des Überzugs beträgt 12 µm.
Verschleißbeständigkeit, 10^-3 mm 102
Ansprengbarkeit, h 0,25.

Beispiel 2

Eine aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Dichtung für einen Motor, die in der Vorrichtung 3 mit einer Alkali lösung 10 Minuten entfettet wurde, wird einer Wärmebehand lung im Ofen 6 unterzogen. Die Behandlung erfolgt 2 Stunden in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre, die aus 70 Masse-% Ammoniak und 30 Masse-% Endogas besteht bei 450°C bis zur Bildung eines Gefüges der Oxinitridphase mit einer Dicke von 5 µm. Die bearbeitete Dichtung wird in der Kammer 9 untergebracht und 20 Minuten bei 400°C in einer Schutz gasatmosphäre, die aus 10 Masse-% Ammoniak und 90 Masse-% Stickstoff besteht, isotherm gehalten. Es bildet sich ein undichtes kristallines Gefüge vom Typ von Aluminium oxiden. Die Dicke des Oxinitridgefüges nimmt zu, wobei sich über die Phasengrenze in den Gefügen dieser Phasen Fehler in Form von kleineren Poren bilden. Die Dichtung wird aus der Kammer 9 in die Kammer 12 gebracht, wo sie in einer oxidierenden Atmosphäre, die aus 0,2 Masse-% Sauerstoff, 0,05 Masse-% Ammoniak und 99,75 Masse-% Stick stoff besteht, bei 450°C gehalten wird. Die Abkühlung erfolgt wie in Beispiel 1, während die Dichtung 20 Minuten bei 130°C in Öl angelassen wird, das 3 Masse-% Schwefel enthält.

Der auf der Dichtung erhaltene Diffusionsüberzug besteht aus kristallinen Gefügen von Al₂O₃ und einer Oxinitrid phase vom Typ (AlMe)_2-3(NO). Über die Phasengrenze sind die Gefüge dieser Phasen mit Öl gefüllt, das 3 Masse-% Schwefel enthält. Die Dicke dieses Überzugs beträgt 6 µm.
Verschleißbeständigkeit, 10^-3 mm 162
Ansprengbarkeit, h 0,2.

Beispiel 3

Das aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Gehäuse einer Wasserpumpe wird einer wie in Beispiel 2 beschrie benen chemisch-thermischen Bearbeitung unterzogen, mit der Ausnahme, daß die Wärmebehandlung 5 Stunden dauert, eine oxidierende Atmosphäre verwendet wird, die 2,0 Masse-% Sauerstoff, 2,0 Masse-% Ammoniak und 96 Masse-% Stickstoff enthält, und das Anlassen dieses Pumpengehäuses bei 140°C 40 Minuten lang in Öl erfolgt, das 8 Masse-% Schwefel enthält. Der auf dem Pumpengehäuse ausgebildete Diffusions überzug besteht aus kristallinen Gefügen von Al₂O₃ und einer Oxinitridphase vom Typ (AlMe)2-3(NO), wobei die Gefüge dieser Phasen über die Phasengrenze mit Öl gefüllt sind, das 8 Masse-% Schwefel enthält. Die Dicke des Überzugs beträgt 9,0 µm, die Dicke des sich bei der Wärmebehandlung bildenden Oxinitridgefüges beträgt 8,5 µm.
Verschleißbeständigkeit, 10^-3 mm 141
Ansprengbarkeit, h 0,2.

Beispiel 4

Aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Zerstäubernadeln, Stangen und Stifte werden einer wie in Beispiel 1 beschrie benen chemisch-thermischen Bearbeitung unterzogen, mit der Ausnahme, daß das isotherme Halten 40 Minuten bei 400°C und die Wärmebehandlung 2 Stunden unter Verwendung einer oxidierenden Atmosphäre erfolgt, die aus 0,75 Masse-% Sauerstoff, 0,5 Masse-% Ammoniak und 98,75 Masse-% Stick stoff besteht. Das Anlassen erfolgt 20 Minuten lang bei 130°C in Öl, das 5 Masse-% Schwefel enthält. Die Dicke des bei der Wärmebehandlung entstandenen Oxinitridgefüges beträgt 8,0µm. Der auf den Teilen ausgebildete Diffusions überzug besteht aus kristallinen Gefügen aus Al₂O₃ und einer Oxinitridphase vom Typ (AlMe)_2-3(NO). Über die Phasengrenze sind die Gefüge dieser Phasen mit Öl gefüllt, das 5 Masse-% Schwefel enthält. Die Dicke des Überzugs beträgt 9,5 µm.
Verschleißbeständigkeit, 10^-3 mm 127
Ansprengbarkeit, h 0,25.

Beispiel 5

Aus niedriggekohltem Stahl hergestellte Bremszylinder und Dichtungsringe, die 15 Minuten in der Vorrichtung 3 mit einer Alkalilösung entfettet wurden, werden zur Vorwär mung und zur Oxidation im Luftmedium bei 350°C in die Kammer 4 eingebracht. Anschließend werden die Teile dem Ofen 6 zugeführt, wo ihre Wärmebehandlung in einer stick stoffhaltigen Atmosphäre, die aus 50 Masse-% Ammoniak und 50 Masse-% Endogas besteht, innerhalb von 5 Stunden bei 650°C bis zur Bildung einer Carbonitridphase von 25 µm Dicke und eines Stickstoff-Austenit-Gefüges erfolgt. Die Teile werden wie in Beispiel 1 in Kammer 9 isotherm gehalten. Als Ergebnis bildet sich ein feinporiges Gefüge aus, das sich oberhalb der Carbonitridphase befindet. Weiter wird wie in Beispiel 1 verfahren. Ein Unterschied liegt dabei darin, daß die Teile bei 650°C in oxidieren der Atmosphäre gehalten werden. Nach der Oxidation besteht das feinporige Gefüge vorwiegend aus Fe₃O₄. Die Teile werden wie in Beispiel 1 in Kammer 15 abgekühlt und in Kammer 21 angelassen.

Der auf den genannten Teilen ausgebildete Diffusionsüber zug besteht aus drei Gefügeschichten, aus einem ersten, porigen Gefüge, das im wesentlichen aus Fe₃O₄ besteht und dessen Poren mit Öl gefüllt sind, das 2 Masse-% Schwefel enthält, aus einem zweiten porenfreien Gefüge der Carboni tridphase vom Typ Fe_2-3(NC) und einem dritten Bainitgefüge, das aus einer austenitischen Phase besteht. Die Dicke des Diffusionsüberzugs beträgt 400 µm, wobei die Dicke der ersten Gefügeschicht 5 µm und die der zweiten Gefügeschicht 20 µm betragen.
Verschleißbeständigkeit, 10^-3 mm 52
Korrosionsbeständigkeit, h 108
Ansprengbarkeit, h 0,60
Ermüdungsfestigkeit, MPa 1110.

Beispiel 6

Aus Stahl hergestellte und 10 Minuten in der Vorrichtung 3 mit einer Alkalilösung entfettete Leitspindeln und Werkzeug schlitten werden zur Vorwärmung und zur Oxidation im Luft medium bei 400°C in die Kammer 4 eingebracht. Anschließend werden die Teile in den Ofen 6 eingebracht, in dem die Wärmebehandlung in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre, die aus 70 Masse-% Ammoniak und 30 Masse-% Endogas besteht, bei 570°C innerhalb von 2 Stunden bis zur Bildung einer 6 µm dicken Carbonitridphase und eines Stickstoffaustenit gefüges erfolgt. Die weitere Bearbeitung der Teile erfolgt wie in Beispiel 2 beschrieben, mit der Ausnahme, daß die Teile bei 570°C in einer oxidierenden Atmosphäre gehalten werden. Als Ergebnis des isothermen Haltens bildet sich ein poriges Gefüge, das sich oberhalb der Carbonitridgefüge schicht befindet; nach der Oxidation besteht dieses Gefüge vorwiegend aus Fe₃O₄. Der auf den Teilen ausgebildete Diffusionsüberzug weist ein wie in Beispiel 5 beschriebe nes Gefüge auf, mit der Ausnahme, daß die Poren der ersten Gefügeschicht mit Öl gefüllt sind, das 3 Masse-% Schwefel enthält. Die Dicke des Diffusionsüberzugs beträgt 60 µm, wobei die Dicke der ersten Gefügeschicht 2 µm und die der zweiten Gefügeschicht 6 µm betragen.
Verschleißbeständigkeit, 10^-3 mm 87
Korrosionsbeständigkeit, h 72
Ansprengbarkeit, h 0,5
Ermüdungsfestigkeit, MPa 915.

Beispiel 7

Aus Stahl hergestellte und 10 Minuten in der Vorrichtung 3 mit einer Alkalilösung entfettete Ventilhebel und Stoßdämp ferstangen werden in den Ofen 6 eingebracht, wo sie 5 Stunden bei 600°C in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre, die aus 60 Masse-% Ammoniak und 40 Masse-% Endogas besteht, bis zur Bildung einer Carbonitridphase von 28 µm Dicke und eines Stickstoffaustenitgefüges wärmebehandelt werden. Die weitere Bearbeitung erfolgt wie in den Beispielen 1 und 3 beschrieben, mit der Ausnahme, daß die Teile in einer oxidierenden Atmosphäre bei 600°C gehalten werden. Als Ergebnis des isothermen Haltens bildet sich ein pori ges Gefüge, das sich oberhalb des Carbonitridgefüges befindet. Nach der Oxidation besteht dieses Gefüge vorwiegend aus Fe₃O₄. Der auf den Teilen ausgebildete Diffusionsüberzug besitzt ein wie in Beispiel 5 beschriebenes Gefüge, mit der Ausnahme, daß die Poren der ersten Gefügeschicht mit Öl gefüllt sind, das 3 Masse-% Schwefel enthält. Die Dicke des Diffusionsüberzugs beträgt 142 µm, wobei die Dicke der ersten Gefügeschicht 3 µm und die der zweiten Gefüge schicht 28 µm beträgt.
Verschleißbeständigkeit, 10^-3 mm 78
Korrosionsbeständigkeit, h 95
Ansprengbarkeit, h 0,5
Ermüdungsfestigkeit, MPa 990.

Beispiel 8

Aus Stahl hergestellte Vergaserteile, die 15 Minuten in der Vorrichtung 3 mit einer Alkalilösung entfettet wurden, werden in den Ofen 6 eingebracht und in einer stickstoffhal tigen Atmosphäre, die aus 50 Masse-% Ammoniak und 50 Masse-% Endogas besteht, 2 Stunden bei 680°C bis zur Bildung einer Carbonitridphase von 10 µm Dicke und eines Stickstoff austenitgefüges wärmebehandelt. Die weitere Bearbeitung erfolgt wie in den Beispielen 1 und 4 beschrieben. Als Er gebnis des isothermen Haltens bildet sich ein poriges Gefüge. Nach der Oxidation besteht dieses Gefüge vorwiegend aus Fe₃O₄. Der auf den Teilen ausgebildete Diffusionsüber zug besitzt ein wie in Beispiel 5 beschriebenes Gefüge, mit der Ausnahme, daß die Poren der ersten Gefügeschicht mit Öl gefüllt sind, das 0,5 Masse-% Schwefel enthält. Die Dicke des Diffusionsüberzugs beträgt 240 µm, wobei die Dicke der ersten Gefügeschicht 2 µm und die der zwei ten Gefügeschicht 10 µm betragen.
Verschleißbeständigkeit, 10^-3 mm 64
Korrosionsbeständigkeit, h 95
Ansprengbarkeit, h 0,55
Ermüdungsfestigkeit, MPa 975.

Beispiel 9

Aus Stahl hergestellte und 10 Minuten in der Vorrichtung 3 mit einer Alkalilösung entfettete Ventilhebel und Stoßdämp ferstangen werden zum Vorwärmen und zum Oxidieren im Luft medium bei 400°C in die Kammer 4 eingebracht. Anschließend werden die Teile 4 Stunden im Ofen 6 bei 600°C in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre, die 50 Masse-% Ammoniak und 50 Masse-% Endogas enthält, bis zur Bildung eines Gefü ges der Carbonitridphase von 21 µm Dicke und eines Stickstoff austenitgefüges bearbeitet. Die bearbeiteten Teile werden in der Kammer 9 untergebracht und 1 Stunde bei 480°C in ei ner aus Stickstoff bestehenden Schutzgasatmosphäre isotherm gehalten. Dabei bildet sich ein poriges Gefüge aus, das sich oberhalb der Carbonitridphase befindet. Aus der Kammer 9 werden die Teile in die Kammer 12 eingebracht, in der sie bei 600°C in einer oxidierenden Atmosphäre, die aus 0,2 Masse-% Sauerstoff, 3 Masse-% Ammoniak und 96,8 Masse-% Sticktoff besteht, gehalten werden. Danach werden die Teile in der Kammer 15 abgekühlt und 40 Minuten in Kammer 21 bei 140°C in Öl angelassen, das 10 Masse-% Schwefel enthält. Der auf den Teilen ausgebildete Diffusionsüberzug weist ein wie in Beispiel 5 beschriebenes Gefüge auf, mit der Ausnahme, daß die Poren der ersten Gefügeschicht mit Öl gefüllt sind, das 10 Masse-% Schwefel enthält. Die Dicke des Diffusionsüberzugs beträgt 106 µm, wobei die Dicke der ersten Gefügeschicht 3 µm und die der zweiten Gefüge schicht 18 µm beträgt.
Verschleißbeständigkeit, 10^-3 mm 59
Korrosionsbeständigkeit, h 95
Ansprengbarkeit, h 0,55
Ermüdungsfestigkeit, MPa 1070.

Claims

1. Verfahren zur chemisch-thermischen Bearbeitung von Werkstücken, das die Wärmebehandlung der Werkstücke in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von nicht mehr als 680°C, ihr Halten in einer oxidieren den Atmosphäre bei der genannten Temperatur und ihr Abküh len umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bis zur Bildung eines Gefüges der Carbonitrid- oder Oxinitridphase auf den Werkstücken vorge nommen wird, das Gefüge eine Dicke von mindestens 5 µm aufweist, wonach vor dem Halten in einer oxidierenden Atmosphäre auf den Werkstücken ein poriges Gefüge ausgebil det wird, dessen Poren nach der Abkühlung der Teile mit Öl gefüllt werden, das 0,5 bis 10,0 Masse-% Schwefel enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ausbildung eines porigen Gefüges auf den Werkstücken durch isothermes Halten bei 400 bis 500°C in einer Schutzgasatmosphäre erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß man als Schutzgasatmosphäre Stickstoff und Ammoniak bei einem Massenverhältnis von 90,0-99,9 : 0,1- 10,0 verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß man als Schutzgasatmosphäre Stickstoff verwendet.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Wärmebehandlung innerhalb von 2 bis 5 Stunden bei 450 bis 570°C durchgeführt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Wärmebehandlung innerhalb von 2 bis 5 Stunden bei 570 bis 680°C durchgeführt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre erfolgt, die aus Endogas und Ammoniak bei einem Masseverhältnis von jeweils 30-50 : 50-70 besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Teile in einer oxidierenden Atmosphäre gehalten werden, die Sauerstoff, Stickstoff und Ammoniak in folgendem Verhältnis in Masse-% enthält:
Sauerstoff 0,2 bis 22,0
Ammoniak 0,05 bis 3,0
Stickstoff bis auf 100.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Füllung des porigen Gefüges auf den Werkstücken mit dem genannten Öl das Anlassen der Werkstücke im genannten Öl innerhalb von 20 bis 40 Minuten bei 120 bis 140°C erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß vor der Wärmebehandlung die Werk stücke bei 350 bis 400°C gehalten werden.

11. Diffusionsüberzug auf Teilen aus Aluminiumlegierungen, der gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er aus kristallinen Gefügen von Al₂O₃ und einer Oxinitridphase vom Typ (AlMe)_2-3(NO) besteht, worin Me Metall bedeutet, und über die Phasengrenze die Gefü ge dieser Phasen mit Öl gefüllt sind, das 0,5 bis 10 Masse-% Schwefel enthält.

12. Diffusionsüberzug auf Teilen aus Eisenlegierungen, der nach einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt ist und aus drei Gefügeschichten besteht, von denen die von der Oberfläche des Diffusionsüberzugs aus zweite Gefüge schicht ein porenfreies Gefüge der Carbonitridphase vom Typ Fe_2-3(NC) und die dritte Gefügeschicht ein Bainit gefüge aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Oberfläche des Diffusionsüberzugs aus erste Gefügeschicht ein feinporiges Gefüge, im wesentli chen aus Fe₃O₄, aufweist, dessen Poren mit einem Öl gefüllt sind, das 0,5 bis 10 Masse-% Schwefel enthält, wobei das Verhältnis zwischen der ersten und der zweiten Gefügeschicht in einem Bereich von 1 : 2-10 liegt.

13. Diffusionsüberzug nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Gefügeschicht eine Dicke von mindestens 2 µm aufweist.

14. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die in der Reihenfolge der technologischen Vorgänge angeord nete und durch ein Transportsystem miteinander verbundene Vorrichtungen wie einen Ofen (6) zur Wärmebehandlung der Teile, eine Oxidationskammer (12) und eine Kühlkammer (15) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ofen (6) und der Oxidationskammer (12) in Bewegungsrichtung der Teile eine mit ihnen hermetisch verbundene Kammer (9) zum isothermen Halten angeordnet ist, und hinter der Kühlkammer (15) eine Kammer (21) zum Anlassen der Teile vorgesehen ist.

15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, daß vor dem Ofen (6) zur Wärmebehandlung eine Kammer (4) zum thermischen Halten der Teile angeordnet ist.