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Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften von diffusionsverchromten
Gegenständen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der physikalischen
Eigenschaften von diffusionsverchromten Gegenständen, insbesondere zur Erhöhung
der Zähigkeit unter gleichzeitiger Erhöhung der Festigkeitswerte der Chromierungszone
und des Kernwerkstoffes aus Stahl. Solche Gegenstände werden bekanntlich in besonders
vorteilhafter Weise hergestellt unter Vermittlung von Halogenverbindungen, insbesondere
der Chloride und Fluoride des Chroms, die in gasförmigem Zustand bei erhöhten Temperaturen
auf die Oberflächen zur Einwirkung gebracht werden. Es entsteht in den Randzonen
der Gegenstände eine an Chrom angereicherte Legierung. Dieses Diffusionsverchromen
wird angewendet bei Gegenständen aus Stahl, und es ist bekannt, daß es zweckmäßig
ist, Stähle zu verwenden, deren Kohlenstoffgehalt o, z ll/a nicht übersteigt, weil
ein höherer Kohlenstoffgehalt infolge einer gegenläufigen Wanderung zwischen dem
eindiffundierenden Chrom und dem herausdiffundierenden Kohlenstoff den Aufbau der
chromierten Zone beeinträchtigt. Es ist indes auch möglich, Stähle zu verwenden,
die einen höheren Kohlenstoffgehalt besitzen, wenn dieser durch Karbidbildner, wie
Titan, Tantal und Niob, stabil abgebunden ist, so daß die erwähnte gegenläufige
Wanderung während der Diffusionsverchromung nicht stattfindet.
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Obwohl es unter Anwendung dieser an sich bekannten Maßnahmen gelingt,
diffusionsverchromte Zonen hinreichender Stärke auf Stahlgegenständen zu erzeugen,
zeigt sich in einem gewissen Umfang
eine Verschlechterung. der mechanischen
--Eigenschaften des Trägerwerkstoffes, und zwar insbesondere dann, wenn Karbidbildner
nicht vorgesehen sind. Auch die diffusionsverchromte Zone zeigt bisweilen mangelhafte
physikalische Eigenschaften, insonderheit was die Zähigkeit anlangt, ohne daß genau
geklärt ist, worauf diese Eigenschaft zurückgeführt werden muß. Diese Erscheinungen
in der diffusionsverchromten Zone, die oft auch einhergehen mit einer verminderten
chemischen Beständigkeit, sind offenbar unabhängig vom Grundwerkstoff, d. h. unabhängig
davon, ob ein Stahl mit niedrigem Gesamtkohlenstoffgehalt oder ein Stahl mit einem
durch Karbidbildner stabil abgebundenen Kohlenstoffgehalt vorliegt.
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An sich ist es durchaus verständlich, daß die physikalischen Eigenschaften
eines solchen diffusionsverchromten Gegenstandes nicht in jeder Hinsicht befriedigen.
Die Diffusionsverchromung findet bei Temperaturen von iooo° C und mehr statt, wobei
die Gegenstände mehrere Stunden dieser Temperatur ausgesetzt werden müssen. Es entsteht
eine an Chrom angereicherte Zone, die in den äußersten Schichten einen Gehalt an
Chrom von 50"/o und mehr aufweisen kann, und zum Kern hin nimmt dieser Chromgehalt
stetig ab. Infolge dieser Gehaltsunterschiede ergibt sich über den Querschnitt eines
Gegenstandes ein stets wechselnder Gefügeaufbau mit unterschiedlichen physikalischen
Eigenschaften, wobei ein besonders großer Unterschied zwischen den Eigenschaften
der äußersten Randzone und des Kerngebietes besteht.
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Bemerkenswerterweise gelingt es, durch eine einzige einheitliche Wärmebehandlung
die physikalischen Eigenschaften sowohl der diffusionsverchromten Zone als auch
des Kernwerkstoffes, und zwar insbesondere die Zähigkeit beider Abschnitte, zu verbessern.
Diese Wärmebehandlung besteht gemäß der Erfindung darin, die Gegenstände im Anschluß
an das Chromieren von Temperaturen oberhalb 90o° C, insbesondere von 95o° C, rasch
abzukühlen. Am besten ist es, wenn die Gegenstände von den erwähnten Temperaturen
in Öl oder Wasser abgeschreckt werden. Auch andere Maßnahmen der raschen Abkühlung
können je nach.. Werkstückgröße wirksam sein, so z. B. das Abkühlen der Gegenstände
in einem energisch, beispielsweise durch Wasserumlauf gekühlten Kanal, der selbst
unter Schutzgas steht.
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Es ist zwar bekannt, Gegenstände aus titanlegiertem Stahl bei Temperaturen
zwischen 500 und 90o° C zu glühen und an der Luft abzukühlen bzw. in Öl oder Wasser
abzuschrecken. Hierdurch sollte eine Zähigkeitssteigerung herbeigeführt werden.
Innerhalb dieses Temperaturbereiches ist vornehmlich an eine Temperatur von 60o°
C gedacht worden. Es wird aber die gewünschte Wirkung einer Zähigkeitssteigerung
unter gleichzeitiger Härtung der chromierten Gegenstände hiermit nicht erreicht.
Es konnte daher auch nicht erwartet werden, daß die Anwendung von Temperaturen oberhalb
90o° C zu einer Verbesserung der Zähigkeit unter gleichzeitiger Erhöhung der Festigkeitswerte,
insbesondere .-des Kernwerkstoffes, führen könnte, zumal Kohlenstoffgehalte von
höchstens o, i % angewendet werden und außerdem dieser noch vielfach durch Karbidbildner
zum größten Teil abgebunden wird.
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Weiter ist es bekannt, solche diffusionsverchromten Gegenstände, die
nach der Diffusionsbehandlung einer Kaltverformung unterworfen wurden, bei Temperaturen
um 60o° C zu glühen, um die durch die Kaltverformung bedingte Verfestigung wieder
aufzuheben. Schließlich ist es aus der Technik des Einsatzhärtens bekannt, die hierbei
auftretende Körnvergröberung durch mehrfache Umwandlungsvorgänge wieder zu beseitigen.
Dieses bekannte Verfahren kann aber mit dem Erfindungsgegenstand nicht verglichen
werden, da die beim Diffusionschromfieren eintretende Verminderung der Festigkeit
und Zähigkeit des Grundwerkstoffes durchaus nicht mit einer Kornvergröberung gekoppelt
sein muß.
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Bei Stählen mit höherem Kohlenstoffgehalt ist es bekannt, die Chromierungsbehandlung,
die bei niedrigen Temperaturen durchgeführt wird, mit einem Härten abzuschließen.
Auch diese Behandlung kann nicht mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren verglichen
werden, da sie nur bei Stählen mit höherem Kohlenstoffgehalt sowie im Anschluß an
niedrigere Chromierungstemperaturen zur Anwendung gelangt und außerdem nur eine
Härtesteigerung des Grundwerkstoffes, nicht aber eine Erhöhung der Festigkeit und
Zähigkeit sowohl des Grundwerkstoffes wie auch der Chromierungszone herbeiführt.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich am einfachsten ausüben,
wenn die Gegenstände unmittelbar aus dem Diffusionsverchromungsofen heraus abgekühlt
werden. Dabei spielt es keine besondere Rolle, in welcher Zeit die Werkstücke von
der Verchromungstemperatur von beispielsweise 105o auf 95o° C abkühlen, sofern nur
während dieser Zeit der Zutritt von Sauerstoff tunlichst verhindert wird. Dieses
Verfahren ist aber nur dann anwendbar, wenn die Diffusionsverchromung vorgenommen
wird, ohne daß hierbei die Werkstüzke in eine besondere Trägermasse eingepackt sind.
Wenn die Gegenstände in solchen Trägermassen, die in bekannter Weise die Übertragung
des Chroms auf die Oberfläche der Gegenstände erleichtern, eingepackt sind, ist
es zweckmäßig, die Werkstücke in der Trägermasse auf Raumtemperatur erkalten zu
lassen, sie auszupacken und nach Wiedererhitzen auf beispielsweise 95o° C rasch
abzukühlen bzw. abzuschrecken.
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Gleichgültig, ob ohne oder mit einem Wiedererhitzen gearbeitet wird,
ist das Ergebnis der Wärmebehandlung eine Erhöhung der Zähigkeit des Kernwerkstoffes,
d. h. also des Stahles, aus dem der diffusionsverchromte Gegenstand hergestellt
ist. Während ohne die erfindungsgemäße Wärmebehandlung die Gefahr besteht, daß insbesondere
an schroffen Querschnittsübergängen verformungslose Brüche auftreten, läßt sich
nach Anwendung des Verfahrens beispielsweise eine Schraube oder
ein
Bolzen um mindestens go° umschlagen, ohne daß Brüche oder Risse eintreten. Diese
Tatsache ist nicht nur für die Verwendung der diffusionsverchromten Gegenstände
an sich von Bedeutung, sondern auch im Hinblick auf ein gelegentlich notwendiges
Richten der Gegenstände, die sich bei der Chromierungstemperatur verzogen haben.
Diese Erscheinung der Zähigkeitserhöhung ist um so erstaunlicher, als gleichzeitig
eine Erhöhung der Festigkeitswerte beobachtet wird, und zwar unabhängig davon, ob
als Trägerwerkstoff Stähle mit oder ohne durch Karbidbildner abgebundenen Kohlenstoffgehalt
verwendet werden. Die Festigkeit, die ohne Anwendung der Wärmebehandlung gemäß der
Erfindung bei etwa 40 kg/mm2 liegen kann, wird durch die Behandlung auf Werte von
6o kg/mm2 und mehr gebracht, wobei selbstverständlich der tatsächlich erzielte Wert
abhängt von der gewählten Abschrecktemperatur und der Zusammensetzung des Träger-
bzw. Kernwerkstoffes. Bei der obenerwähnten Biegeprobe wird im übrigen festgestellt,
daß auch die an Chrom angereicherte Schicht weder reißt noch abblättert. Die Zähigkeit
dieser Zone ist mithin ebenfalls entscheidend verbessert worden.
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Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, daß die Ausführungsform
des Verfahrens, bestehend aus Wiedererhitzen und Abschrecken, in einer besonderen
Weise vorgenommen wird. An sich wird in einer Schutzatmosphäre gearbeitet. Diese
Schutzatmosphäre soll aber eine gewisse Sauerstoffmenge enthalten, so daß eine gelenkte
Oxydation der diffusionsverchromten Oberflächen der Gegenstände herbeigeführt wird
und eine grüne Chromoxydhaut entsteht. Es hat sich nämlich gezeigt, daß diese grüne
Chromoxydhaut einen besonderen zusätzlichen chemischen Schutz hervorruft. Die Haut
ist beständig gegen aggressive Mittel und weist außerdem eine höhere Härte auf als
beispielsweise die blanke chromierte Oberfläche. Die Bedingungen, unter denen die
grüne Oxydhaut entsteht, lassen sich bei den bekannten Schutzgasen durch einige
Stichversuche ermitteln. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, in einer
Atmosphäre von unvollkommen verbranntem Leuchtgas zu arbeiten, das für andere Zwecke
in der Industrie bereits Anwendung findet. Die Einstellung des Sauerstoffgehaltes
in dem Gasgemisch läßt sich für den einzelnen Behandlungsfall unschwer festlegen.