EP1333105A1

EP1333105A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke sowie wärmebehandeltes Werkstück

Info

Publication number: EP1333105A1
Application number: EP02002530A
Authority: EP
Inventors: Bernd Edenhofer
Original assignee: Ipsen International GmbH
Current assignee: Ipsen International GmbH
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2003-08-06
Anticipated expiration: 2022-02-04
Also published as: EP1333105B1; US20030145907A1; US20060118209A1; US20060119021A1; DE50212014D1; ATE391193T1; US7559995B2

Abstract

Ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zum kombinierten Aufkohlen, Borieren und Härten von Eisenwerkstoffen, weist in Hinsicht auf eine effiziente Verfahrensführung die nachstehenden, unmittelbar aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte auf: a) eine Aufheizphase (A); b) eine Anreicherungsphase (B); c) eine erste Abkühlungsphase (C); d) eine Borierungsphase (D); e) eine zweite Abkühlungsphase (E) und f) eine abschließende Abschreckphase (F). Die durch ein derartiges Verfahren behandelten Werkstücke zeichnen sich durch eine vergleichsweise große Zeit- und Dauerfestigkeit bei zugleich hoher Verschleißbeständigkeit aus. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zum kombinierten Aufkohlen, Borieren und Härten von Eisenwerkstoffen. Sie bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung, mittels der sich ein solches Verfahren durchführen läßt, und ein durch das Verfahren wärmebehandeltes Werkstück.

Zum Erzeugen von definierten Werkstückeigenschaften, wie etwa einer hohen Härte oder Verschleißbeständigkeit, werden metallische Werkstücke üblicherweise einer thermochemischen Wärmebehandlung unterzogen. Das Ziel dieser Wärmebehandlung ist beispielsweise beim Einsatzhärten, die Randschicht der Werkstücke zunächst aufzukohlen, das heißt mit Kohlenstoff anzureichern, um aufgrund der sich daraus ergebenden veränderten Werkstoffzusammensetzung den Werkstücken durch ein anschließendes Härten eine verhältnismäßig hohe Härte zu verleihen. Bekannt sind ferner Wärmebehandlungsarten, bei denen die Oberfläche der Werkstücke mit einer die geforderten mechanischen Eigenschaften hervorrufenden Schicht überzogen werden. So werden beispielsweise beim Borieren durch Eindiffusion von Bor eine harte Boridschicht auf der Oberfläche der Werkstücke erzeugt, die zu einer hohen Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit der Werkstücke führt.

Eine Zusammenstellung der unterschiedlichsten Wärmebehandlungsarten findet sich zum Beispiel in DIN 8580. Im Stand der Technik sind außerdem Verfahren bekannt, welche einzelne Wärmebehandlungsarten miteinander kombinieren. Diese sogenannten Kombinations-, Hybrid- oder Duplex-Verfahren machen sich Synergieeffekte zu nutze, die bei einer Kombination der verschiedenen Wärmebehandlungsarten entstehen (vergleiche O. H. Kessler et al.: "Combinations of coating and heat treating processes: establishing a system for combined processes and examples", Surface and Coatings Technology 108 - 109 (1998) Seiten 211 bis 216; T. Bell et al.: "Realising the potential of duplex surface engineering", Tribology International Volume 31 Nummer 1 - 3 (1998) Seiten 127 bis 137). Auf diese Weise lassen sich den Werkstücken Eigenschaften verleihen, die durch die einzelnen Wärmebehandlungsarten allein nicht zu erreichen wären. Die Werkstücke können somit komplexen Beanspruchungen, die beispielsweise sowohl eine große Dauerfestigkeit als auch eine hohe Beständigkeit gegen Verschleiß und Korrosion erfordern, genügen.

Nicht jede beliebige Kombination verschiedener Wärmebehandlungsarten ruft allerdings ein synergistisches Resultat hervor, wie Bell et al. aufzeigen (a. a. O., Seite 128). Dagegen hat eine positive Wirkung in Hinsicht auf mit einer harten Oberfläche versehene Werkstücke zum Beispiel die Kombination von CVD (Chemical Vapor Deposition) und Abschreckhärten. Denn, wie Kessler et al. (a. a. O.) darlegen, verfügt die bei einem solchen Duplex-Verfahren durch den plasmaaktivierten Dampfabscheideprozeß erzeugte Oberflächenschicht über eine hohe Härte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke zu schaffen, mittels denen sich auf effiziente Weise eine vergleichsweise große Festigkeit, insbesondere Zeit- und Dauerfestigkeit, bei zugleich hoher Verschleißbeständigkeit der Werkstücke erzielen läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zum kombinierten Aufkohlen, Borieren und Härten von Eisenwerkstoffen, in Übereinstimmung mit Anspruch 1 folgende Verfahrensschritte auf:

a) Erwärmen der Werkstücke auf eine erste Temperatur unter Vakuum oder in einer neutralen oder reduzierenden Gasatmosphäre während einer Aufheizphase;

b) Aufkohlen der Werkstücke bei der am Ende der Aufheizphase erreichten ersten Temperatur und einem ersten Druck für eine erste Zeitdauer in einer Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Aufheizphase anschließenden Anreicherungsphase;

c) Abkühlen der Werkstücke von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur unter Vakuum oder in einer hauptsächlich Stickstoff (N2) enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Anreicherungsphase anschließenden ersten Abkühlungsphase;

d) Borieren der Werkstücke bei der am Ende der ersten Abkühlungsphase erreichten zweiten Temperatur und einem zweiten Druck für eine zweite Zeitdauer in einer Bor (B) enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die erste Abkühlungsphase anschließenden Borierungsphase;

e) Abkühlen der Werkstücke von der zweiten Temperatur auf eine dritte Temperatur unter Vakuum oder in einer hauptsächlich Stickstoff (N2) enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Borierungsphase anschließenden zweiten Abkühlungsphase und

f) Abschrecken der Werkstücke von der dritten Temperatur auf eine Temperatur unter 150 °C während einer sich an die zweite Abkühlungsphase anschließenden Abschreckphase.

Ein derartiges Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß die Borierungsphase genutzt werden kann, um den während der Anreicherungsphase in der Randschicht der Werkstücke angereicherten Kohlenstoff in das Innere der Werkstücke diffundieren zu lassen. Eine eigenständige Diffusionsphase zum Erzeugen des gewünschten Kohlenstoffgehalts in der Randschicht, wie sie beim herkömmlichen Aufkohlen üblich ist, wird folglich entbehrlich. Unter Aufkohlen im oben genannten Sinne ist auch ein Carbonitrieren zu verstehen, wenn zusätzlich Stickstoff der Gasatmosphäre beigegeben wird.

Zu einer effizienten Verfahrensführung trägt außerdem bei, daß die während der sich an die Anreicherungsphase unmittelbar anschließenden ersten Abkühlungsphase zu überbrückende Temperaturdifferenz im allgemeinen gering ist. Denn die zum Borieren erforderliche zweite Temperatur ist etwa für die meisten kohlenstoffarmen Eisenwerkstoffen, wie zum Beispiel Einsatzstahl C 15, nicht oder nur geringfügig geringer als die für die Anreicherungsphase notwendige erste Temperatur. Je nach Anwendungsfall kann die zweite Temperatur auch größer sein als die erste Temperatur, so daß die Werkstücke in diesem Fall nicht abzukühlen sondern zu erwärmen sind.

Das während der Anreicherungsphase und der als Diffusionsphase für den Kohlenstoff dienenden Borierungsphase erzeugte Kohlenstoffprofil in der Randschicht der Werkstücke führt zusammen mit dem abschließenden Abschrecken zu Druckeigenspannungen in der Randschicht der Werkstücke und damit zu einer Zeit- und Dauerfestigkeit, die verhältnismäßig hohen dynamischen Belastungen standhält. Darüber hinaus wird die während der Borierungsphase auf der Oberfläche der Werkstücke gebildete verschleißbeständige Boridschicht durch das abschließende Abschrecken der Werkstücke höher belastbar. Denn das unterhalb der Boridschicht vorhandene aufgekohlte und gehärtete Gefüge der Werkstücke besitzt eine ausreichend hohe Härte von üblicherweise ca. 800 HV, die auf diese Weise einen tragfähigen Unterbau für die in der Regel eine Härte nach Vickers von ca. 2000 aufweisende Boridschicht bildet. Im Unterschied zu etwa einem CVD-Verfahren oder PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) ist die Gefahr eines Abplatzens der harten Boridschicht bei hoher dynamischer Belastung somit ausgeschlossen.

Die erste Temperatur, auf welche die Werkstücke während der Aufheizphase erwärmt und bei der die Werkstücke während der Anreicherungsphase aufgekohlt oder carbonitriert werden, die zweite Temperatur, bei der die Werkstücke während der Borierungsphase ausgesetzt werden, die dritte Temperatur, von der aus die Werkstücke abgeschreckt werden, die Länge der ersten Zeitdauer, die Länge der zweiten Zeitdauer und die in der Anreicherungsphase und in der Borierungsphase jeweils zugeführten Mengen an Kohlenstoff und Bor spendenden Mitteln richten sich vor allem nach dem Werkstoff der zu behandelnden Werkstücke, der zum Erreichen des angestrebten Kohlenstoffgehalts in der Randschicht der Werkstücke erforderlichen spezifischen Zusammensetzung der Gasatmosphäre und dem angestrebten Behandlungserfolg, etwa der gewünschten Aufkohlungstiefe und Dicke der Boridschicht. Die von den Werkstoffeigenschaften der zu behandelnden Werkstücke abhängenden Prozeßparameter lassen sich für einen bestimmten Werkstoff aus allgemein zugänglichen Datenbanken, wie etwa Calphad (Calculation of Phase Diagrams), entnehmen. Je nach Anwendungsfall kann es danach erforderlich sein, die Werkstücke während der ersten und/oder zweiten Abkühlungsphase auf die zweite beziehungsweise dritte Temperatur zu erwärmen. Unter Abkühlen im oben genannten Sinne ist insofern auch ein Erwärmen zu verstehen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens stellen die Gegenstände der abhängigen Ansprüche dar.

So ist es von Vorteil, die Werkstücke während der Aufheizphase auf eine für das Aufkohlen oder Carbonitrieren gängiger Eisenwerkstoffe geeignete erste Temperatur zwischen 800 °C und 1100 °C zu erwärmen. Von Vorteil ist ferner, die Werkstücke während der ersten Abkühlungsphase auf eine zweite Temperatur zwischen 800 °C und 950 °C abzukühlen, um eine für das Borieren der Werkstücke verwendbare Temperatur zu erhalten. Vorteilhaft ist zudem, die Werkstücke während der zweiten Abkühlungsphase auf eine dritte Temperatur zwischen 800 °C und 900 °C abzukühlen, um eine dem jeweiligen Werkstoff entsprechende Härtetemperatur zu erreichen. Bevorzugt werden die Werkstücke während der Abschreckphase auf Raumtemperatur abgekühlt, so daß sie sich im Anschluß unverzüglich weiterverarbeiten lassen.

Eine besonders vorteilhafte Verfahrensführung ergibt sich außerdem dann, wenn die erste Zeitdauer zwischen 60 min und 360 min und die zweite Zeitdauer zwischen 30 min und 360 min betragen. Die erste und zweite Zeitdauer werden in Abhängigkeit von den jeweils herrschenden Temperaturen zweckmäßigerweise so gewählt, daß eine Boridschicht mit einer Dicke von 10 µm bis 100 µm entsteht und der Rand-Kohlenstoffgehalt direkt unter der Boridschicht zwischen 0,6 Gew.-% und 0,9 Gew.-% ein einer Einsatztiefe zwischen 0,2 mm und 2,0 mm beträgt.

Einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend findet während der Anreicherungsphase und/oder während der Borierungsphase eine Unterstützung durch ein Plasma, das heißt einer stromstarken Glimmentladung, statt. Ein solcher plasmaaktivierter Prozeß ist im Zusammenhang mit Borieren beispielsweise von H.-J. Hunger et al. in dem Aufsatz "Plasmaaktiviertes Gasborieren mit Bortrifluorid", HTM 52 (1997) 1, beschreiben. Die Unterstützung durch ein Plasma findet in der Regel bei Unterdruck statt und bietet im Vergleich zu einer rein thermischen Aktivierung den Vorteil eines geringeren Verbrauchs an Kohlenstoff beziehungsweise Bor spendenden Mitteln. Zweckmäßigerweise enthält die Gasatmosphäre während der Borierungsphase Bortrichlorid (BCl₃) und/oder Bortrifluorid (BF₃) und/oder Diboran (B₂H₆). Vor allem die Verwendung von Bortrifluorid als Bor spendendes Mittel hat sich für ein plasmaaktiviertes Borieren als vorteilhaft erwiesen. Denn zum einen unterbleibt beim Borieren mit Bortrifluorid eine thermische Aktivierung, so daß der Borierprozeß auf die im Bereich des Kathodenfalls befindlichen Werkstücke beschränkt ist und ein Borieren etwa der Innenwandungen einer Borierungskammer vermieden wird. Zum anderen ist Bortrifluorid schon bei Raumtemperatur gasförmig, so daß in ökonomischer Weise auf einen Verdampfer verzichtet werden kann.

Zweckmäßig ist weiterhin, wenn die Werkstücke während der Abschreckphase bei einem dritten Druck, vorzugsweise einem Hochdruck von mehr als 1.013,25 mbar, in einer reduzierenden oder neutralen Gasatmosphäre oder in einem flüssigen Abschreckmedium abgeschreckt werden, um eine ausreichende Abkühlgeschwindigkeit sicherzustellen. Die auf diese Weise gehärteten Werkstücke können anschließend - wie vom Einsatzhärten bekannt - bei einer Temperatur zwischen 150 °C und 200 °C in einem separaten Ofen angelassen werden.

Eine besonders vorteilhafte Verfahrensführung ist ferner dann gegeben, wenn die Werkstücke aus einem kohlenstoffarmen Eisenwerkstoff, vorzugsweise einem Einsatzstahl nach DIN 17 210, bestehen. Im Unterschied zum Stand der Technik ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf Eisenwerkstoffe beschränkt, die anfänglich schon über einen relativ hohen Gehalt an Kohlenstoff verfügen, wie beispielsweise herkömmliche Vergütungsstähle Ck 45, Ck 60 oder 42 CrMo 4. Vielmehr ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren möglich, kohlenstoffarme Eisenwerkstoffe, wie zum Beispiel geläufige Einsatzstähle Ck 10, C 15 oder 20 MoCr 4, zu borieren. Grund hierfür ist, daß die der Borierungsphase vorgeschaltete Anreicherungsphase eine Anreicherung der Randschicht der Werkstücke mit Kohlenstoff ermöglicht, die nach Beendigung der Borierungsphase und damit der Diffusionsphase einen hinsichtlich der geforderten Aufkohlung ausreichenden Kohlenstoffgehalt in der Randschicht verbleiben läßt.
In bevorzugter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens betragen sowohl der erste Druck als auch der zweite Druck zwischen 0,1 mbar und 30 mbar. Der Druck hängt dabei in erster Linie von der jeweils herrschenden Temperatur und der jeweiligen Zusammensetzung der Gasatmosphäre ab. So sollte zum Beispiel während der Anreicherungsphase der erste Druck so eingestellt werden, daß einerseits ein vergleichsweise schnelles Aufkohlen der Randschicht der Werkstücke erreicht und andererseits eine im allgemeinen unerwünschte Carbidoder Rußbildung auf der Oberfläche der Werkstücke vermieden wird. Der erste Druck und der zweite Druck müssen während der Anreicherungsphase und der Borierungsphase nicht gleich und auch nicht notwendigerweise konstant sein. Sie können vielmehr entsprechend dem gewünschten Behandlungsergebnisses gezielt variiert, beispielsweise gepulst, werden.

Zur Lösung der oben genannte Aufgabe wird im Einklang mit Anspruch 14 überdies eine Vorrichtung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen, die wenigstens eine Behandlungskammer aufweist, in der nacheinander die Aufheizphase, die Anreicherungsphase, die erste Abkühlungsphase, die Borierungsphase, die zweite Abkühlungsphase und die Abschreckphase durchführbar sind.

Eine solche Vorrichtung kann im einfachsten Fall ein Ein-Kammer-Vakuumofen sein, in dem die oben beschriebenen Verfahrensschritte nacheinander und ohne Transport der Charge durchgeführt werden.

Eine erste bevorzugte Ausgestaltung einer solchen Vorrichtung sieht zwei Behandlungskammer vor, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase, die Anreicherungsphase, die erste Abkühlungsphase, die Borierungsphase und die zweite Abkühlungsphase durchgeführt werden und wobei in der zweiten Behandlungskammer die Abschreckphase durchgeführt wird. Indem für die Abschreckphase eine separate Behandlungskammer vorhanden ist, läßt sich auf einfache Weise eine Hochdruckgasabschreckung durchführen, mittels der verhältnismäßig hohe Abschreckraten erreicht werden.

In Hinsicht auf einen höheren Durchsatz sieht eine zweite bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung drei Behandlungskammern vor, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase und die Anreicherungsphase durchgeführt werden, wobei in der zweiten Behandlungskammer die erste Abkühlungsphase, die Borierungsphase und die zweite Abkühlungsphase durchgeführt werden und wobei in der dritten Behandlungskammer die Abschreckphase durchgeführt wird.

Eine dritte bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vier aufeinanderfolgend oder parallel angeordnete Behandlungskammern vor, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase durchgeführt wird, wobei in der zweiten Kammer die Anreicherungsphase oder die Anreicherungsphase und die erste Abkühlungsphase durchgeführt werden, wobei in der dritten Behandlungskammer die erste Abkühlungsphase, die Borierungsphase und die zweite Abkühlungsphase oder die Borierungsphase und die zweite Abkühlungsphase durchgeführt werden und wobei in der vierten Behandlungskammer die Abschreckphase durchgeführt wird.

Eine vierte bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht sechs Behandlungskammern vor, die aufeinanderfolgend oder parallel angeordnet sind, wobei die erste Behandlungskammer als Erwärmungskammer zum Durchführen der Aufheizphase, die zweite Behandlungskammer als Anreicherungskammer zum Durchführen der Anreicherungsphase, die dritte Behandlungskammer als Abkühlungskammer zum Durchführen der ersten Abkühlungsphase, die vierte Behandlungskammer als Borierungskammer zum Durchführen der Borierungsphase, die fünfte Behandlungskammer als Abkühlungskammer zum Durchführen der zweiten Abkühlungsphase und die sechste Behandlungskammer als Abschreckkammer zum Durchführen der Abschreckphase ausgebildet sind. Indem für jeden Verfahrensschritt eine eigene Behandlungskammer vorhanden ist, zeichnet sich eine derartige Wärmebehandlungsanlage bei einem besonderes hohen Durchsatz durch eine vergleichsweise einfach zu steuernde Verfahrensführung aus.

Schließlich wird im Einklang mit Anspruch 19 ein Werkstück vorgeschlagen, das aus einem metallenen Werkstoff besteht und durch das erfindungsgemäße Verfahren wärmebehandelt ist, wobei das Werkstück mit einer äußeren Eisenboridschicht von 10 µm bis 100 µm Dicke und einer unter der Eisenboridschicht liegende Einsatzhärteschicht, die eine Härte nach Vickers zwischen 600 und 900 und eine Einsatzhärtetiefe zwischen 0,2 mm und 2,0 mm aufweist, versehen ist.

Einzelheiten und weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen im einzelnen:

Fig. 1: ein den Temperatur- und Druckverlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens über der Zeit veranschaulichendes Diagramm;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Ein-Kammer-Vakuumofens mit Gasabschreckung;
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Zwei-Kammer-Vakuumofens mit Gasabschreckung;
Fig. 4: eine schematische Darstellung eines Zwei-Kammer-Vakuumofens mit Ölabschreckung;
Fig. 5: eine schematische Darstellung einer Wärmebehandlungsanlage mit sechs Behandlungskammern und
Fig. 6: eine schematische Darstellung eines Drei-Kammer-Vakuumofens mit Gasabschreckung und Spülschleuse.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm sind auf der Abszisse die Zeit t sowie auf der Ordinate die Temperatur ϑ und der Druck p abgetragen. Das anhand von Fig. 1 veranschaulichte Wärmebehandlungsverfahren ist ein Duplex-Verfahren im eingangs genannten Sinne und dient zum kombinierten Aufkohlen, Borieren und Härten von Werkstücken, die aus einem kohlenstoffarmen Eisenwerkstoff, beispielsweise Einsatzstahl C 15, (Werkstoffnummer 1.0401) bestehen. Der gesamte Verfahrensablauf läßt sich in sechs Phasen A bis F untergliedern.

Während der ersten Phase, der Aufheizphase A, werden die zu behandelnden Werkstücke auf eine erste Temperatur ϑ₁ von ca. 1000 °C erwärmt. Die zu diesem Zweck verwendete Vorrichtung, etwa eine Wärmebehandlungsanlage gemäß Fig. 5, wird nach Einbringen der Werkstücke zunächst evakuiert und anschließend auf die Temperatur ϑ₁ erwärmt. Alternativ können die Werkstücke auch in einer inerten oder reduzierenden Gasatmosphäre, etwa aus Stickstoff (N₂), auf die Temperatur ϑ₁ erwärmt werden.

Nach dem Erwärmen auf die Temperatur ϑ₁ werden die Werkstücke in eine zweite Behandlungskammer transportiert, wo sie während der sich an die erste Phase unmittelbar anschließenden zweiten Phase, der Anreicherungsphase B, für eine erste Zeitdauer Δt₁, die je nach geforderter Aufkohlungstiefe zwischen 60 min und 360 min beträgt, einer Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre ausgesetzt sind. Die Höhe des während der Anreicherungsphase B herrschenden Drucks p₁ richtet sich grundsätzlich nach dem gewünschten Behandlungsergebnis sowie der Art des verwendeten Kohlenwasserstoffs und beträgt im vorliegenden Fall ca. 10 mbar. Die Anreicherungsphase B kann im Bedarfsfall plasmaaktiviert sein.

Im Anschluß an die Anreicherungsphase B werden die Werkstücke in eine dritte Behandlungskammer befördert, wo sie während einer sich unmittelbar an die Anreicherungsphase B anschließenden ersten Abkühlungsphase C von der Temperatur ϑ₁ auf eine zweite Temperatur ϑ₂ von ca. 900 °C unter Vakuum abgekühlt werden. Alternativ können die Werkstücke in einer hauptsächlich Stickstoff enthaltenden und damit inerten Gasatmosphäre auf die Temperatur ϑ₂ abgekühlt werden.

Am Ende der Abkühlungsphase C werden die Werkstücke in eine vierte Behandlungskammer verfrachtet und bei der Temperatur ϑ₂ und einem zweiten Druck p₂ von ca. 0,1 mbar für eine zweite Zeitdauer Δt₂ in einer Bor enthaltenden Gasatmosphäre boriert. Während des Borierens diffundiert der während der Anreicherungsphase B in der Randschicht der Werkstücke angereicherte Kohlenstoff in das Innere der Werkstücke, so daß die Borierungsphase D zugleich eine Diffusionsphase für den Aufkohlungsprozeß darstellt. Die Zeitdauer Δt₂ für diese sich unmittelbar an die Abkühlungsphase C anschließende Borierungsphase D beträgt je nach gefordertem Behandlungsergebnis zwischen 30 min und 360 min. Als Bor spendendes Mittel enthält die Gasatmosphäre während der Borierungsphase D Bortrichlorid, Bortrifluorid, Diboran oder mehrere der vorgenannten Stoffe. Im Bedarfsfall kann die Borierungsphase D plasmaaktiviert sein. Für diesen Fall eignet sich besonders die Verwendung von Bortrifluorid als Bor spendendes Mittel.

Unmittelbar an die Borierungsphase D schließt sich eine zweite Abkühlungsphase E an, während der die Werkstücke in einer fünften Behandlungskammer der Wärmebehandlungsanlage von der Temperatur ϑ₂ auf eine dritte Temperatur ϑ₃ von ca. 800 °C unter Vakuum oder alternativ in einer inerten Gasatmosphäre abgekühlt werden. Zum Ausgleich der Temperatur innerhalb der Charge werden die Werkstücke für ca. 15 min bis 30 min bei der dritten Temperatur ϑ₃ gehalten, wie in Fig. 1 zu erkennen ist.
Zum Schluß werden die Werkstücke während einer sich unmittelbar an die zweite Abkühlungsphase E anschließenden Abschreckphase F von der Abschrecktemperatur ϑ₃ auf eine Temperatur von weniger als 150 °C, beispielsweise Raumtemperatur, abgeschreckt. Die Werkstücke werden hierfür in eine sechste Behandlungskammer transportiert und bei einem Hochdruck p₃ von mehr als 1.013,25 mbar in einer reduzierenden oder neutralen Gasatmosphäre abgekühlt. Alternativ können die Werkstücke auch in einem flüssigen Abschreckmedium abgeschreckt werden.

In den Fig. 2 bis 6 sind verschiedene Ausführungsformen einer Vorrichtung gezeigt, in denen das zuvor beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 ist ein Ein-Kammer-Vakuumofen 10, bei dem sämtliche Verfahrensschritte A bis F in ein und derselben Behandlungskammer 11 durchgeführt werden. Die zu einer Charge 12 zusammengestellten Werkstücke werden dabei während der Abschreckphase F durch Gas abgeschreckt.

Dagegen ist die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung ein Zwei-Kammer-Vakuumofen 20, der über eine erste Behandlungskammer 21 und eine zweite Behandlungskammer 22 verfügt. In der ersten Behandlungskammer 21 werden die Verfahrensschritte A bis E durchgeführt, wohingegen die als Gasabschreckkammer ausgebildete zweite Behandlungskammer zum Abschrecken der Charge 12 während der Abschreckphase F dient. Von der Vorrichtung gemäß Fig. 3 unterscheidet sich ein in Fig. 4 gezeigter Zwei-Kammer-Vakuumofen 30 hauptsächlich dadurch, daß in einer zweiten Behandlungskammer 32, die durch eine Tür 33 von der ersten Behandlungskammer 31 getrennt ist, ein Ölbad 34 vorhanden ist, in dem die Charge 12 während der Abschreckphase F abgeschreckt wird. Die Verfahrensschritte A bis E werden analog zu der Vorrichtung gemäß Fig. 3 in der ersten Behandlungskammer 31 durchgeführt.

In Fig. 5 ist eine Wärmebehandlungsanlage 40 gezeigt, die mit sechs parallel angeordneten Behandlungskammern 41 bis 46 versehen ist. Die Behandlungskammer 41 dient als Spülschleuse beim Eintritt der Charge 12 in die Wärmebehandlungsanlage 40 und als Hockdruckabschreckkammer während der Abschreckphase F am Ende des Behandlungszykluses. Die Behandlungskammer 42 ist als Erwärmungskammer ausgebildet, in der die Charge 12 während der Aufheizphase A auf die erste Temperatur ϑ₁ erwärmt wird. In der Behandlungskammer 43 wird die Charge 12 während der Anreicherungsphase B aufgekohlt. Das Abkühlen der Charge 12 auf die zweite Temperatur ϑ₂ während der ersten Abkühlungsphase C findet in der Behandlungskammer 44 statt. Das Borieren der Charge 12 während der Borierungsphase D erfolgt in der Behandlungskammer 45, wohingegen für das Abkühlen und Ausgleichen der Charge 12 auf die dritte Temperatur ϑ₃ während der zweiten Abkühlungsphase E die Behandlungskammer 46 vorgesehen ist.

Ein Drei-Kammer-Vakuumofen 50 ist in Fig. 6 zu erkennen. Neben drei hintereinander angeordneten Behandlungskammern 51 bis 53 weist der Vakuumofen 50 eine Spülschleuse 54 auf, durch welche die Charge 12 in den Vakuumofen 50 eingeführt wird. Die Behandlungskammer 51 dient zum Erwärmen auf die erste Temperatur ϑ₁ während der Aufheizphase A und zum Aufkohlen der Charge 12 während der Anreicherungsphase B. In der Behandlungskammer 52 findet das Abkühlen auf die zweite Temperatur ϑ₂ während der ersten Abkühlungsphase C, das Borieren der Charge 12 während der Borierungsphase D und das Abkühlen und Ausgleichen der Charge 12 auf die dritte Temperatur ϑ₃ während der zweiten Abkühlungsphase E statt. Für ein abschließendes Gasabschrecken während der Abschreckphase F ist die Behandlungskammer 53 vorgesehen.

Die durch das oben beschriebene Verfahren behandelten Werkstücke weisen eine äußere Eisenboridschicht von 10 µm bis 100 µm Dicke und eine unter der Eisenboridschicht liegende Einsatzhärteschicht mit einer Härte nach Vickers zwischen 600 und 900 und einer Einsatzhärtetiefe zwischen 0,2 mm und 2,0 mm auf. Sie zeichnen sich durch eine vergleichsweise große Zeit- und Dauerfestigkeit bei zugleich hoher Verschleißbeständigkeit aus. Grund hierfür ist die durch die Verfahrensschritte A bis F erhaltene Kombination von Aufkohlen, Borieren und Härten. So ergeben sich durch die unmittelbar aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte A bis F Synergieeffekte, die einer effizienten Verfahrensführung Rechnung tragen. Denn das Verfahren läßt sich in einem einzigen Zyklus und in einer einzigen Wärmebehandlungsanlage ohne Unterbrechung durchführen, wodurch signifikante wirtschaftliche Vorteile im Vergleich zu dem bislang üblichen getrennten Aufkohlen, Abkühlen, Borieren und Härten erreicht werden.

Bezugszeichenliste

10: Ein-Kammer-Vakuumofen
11: Behandlungskammer
12: Charge

20: Zwei-Kammer-Vakuumofen
21: Behandlungskammer
22: Behandlungskammer

30: Zwei-Kammer-Vakuumofen
31: Behandlungskammer
32: Behandlungskammer
33: Tür
34: Ölbad

40: Wärmebehandlungsanlage
41: Behandlungskammer
42: Behandlungskammer
43: Behandlungskammer
44: Behandlungskammer
45: Behandlungskammer
46: Behandlungskammer

50: Drei-Kammer-Vakuumofen
51: Behandlungskammer
52: Behandlungskammer
53: Behandlungskammer

54: Spülschleuse

A: Aufheizphase
B: Anreicherungsphase
C: erste Abkühlungsphase
D: Borierungsphase
E: zweite Abkühlungsphase
F: Abschreckphase

t: Zeit
Δt₁: erste Zeitdauer
Δt₂: zweite Zeitdauer
ϑ: Temperatur
ϑ₁: erste Temperatur
ϑ₂: zweite Temperatur
ϑ₃: dritte Temperatur
p: Druck
p₁: erster Druck
p₂: zweiter Druck

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zum kombinierten Aufkohlen, Borieren und Härten von Eisenwerkstoffen, mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Erwärmen der Werkstücke auf eine erste Temperatur (ϑ₁) unter Vakuum oder in einer neutralen oder reduzierenden Gasatmosphäre während einer Aufheizphase (A);

b) Aufkohlen der Werkstücke bei der am Ende der Aufheizphase (A) erreichten ersten Temperatur (ϑ₁) und einem ersten Druck (p₁) für eine erste Zeitdauer (Δt₁) in einer Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Aufheizphase (A) anschließenden Anreicherungsphase (B);

c) Abkühlen der Werkstücke von der ersten Temperatur (ϑ₁) auf eine zweite Temperatur (ϑ₂) unter Vakuum oder in einer hauptsächlich Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Anreicherungsphase (B) anschließenden ersten Abkühlungsphase (C);

d) Borieren der Werkstücke bei der am Ende der ersten Abkühlungsphase (C) erreichten zweiten Temperatur (ϑ₂) und einem zweiten Druck (p₂) für eine zweite Zeitdauer (Δt₂) in einer Bor enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die erste Abkühlungsphase (C) anschließenden Borierungsphase (D);

e) Abkühlen der Werkstücke von der zweiten Temperatur (ϑ₂) auf eine dritte Temperatur (ϑ₃) unter Vakuum oder in einer hauptsächlich Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Borierungsphase (D) anschließenden zweiten Abkühlungsphase (E) und

f) Abschrecken der Werkstücke von der dritten Temperatur (ϑ₃) auf eine Temperatur unter 150 °C während einer sich an die zweite Abkühlungsphase (E) anschließenden Abschreckphase (F).
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der Aufheizphase (A) auf eine erste Temperatur (ϑ₁) zwischen 800 °C und 1100 °C erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der ersten Abkühlungsphase (C) auf eine zweite Temperatur (ϑ₂) zwischen 800 °C und 950 °C abgekühlt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der zweiten Abkühlungsphase (D) auf eine dritte Temperatur (ϑ₃) zwischen 800 °C und 900 °C abgekühlt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der Abschreckphase (F) auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
gekennzeichnet durch eine erste Zeitdauer (Δt₁) zwischen 60 min und 360 min.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet durch eine zweite Zeitdauer (Δt₂) zwischen 30 min und 360 min.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
gekennzeichnet durch eine Unterstützung durch ein Plasma während der Anreicherungsphase (B) und/oder während der Borierungsphase (D).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
gekennzeichnet durch eine Gasatmosphäre während der Borierungsphase (D), die Bortrichlorid und/oder Bortrifluorid und/oder Diboran enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der Abschreckphase (F) bei einem dritten Druck (p₃), vorzugsweise einem Hochdruck von mehr als 1.013,25 mbar, in einer reduzierenden oder neutralen Gasatmosphäre oder in einem flüssigen Abschreckmedium abgeschreckt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
gekennzeichnet durch Werkstücke, die aus einem kohlenstoffarmen Eisenwerkstoff, vorzugsweise einem Einsatzstahl nach DIN 17 210, bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
gekennzeichnet durch einen ersten Druck (p₁) zwischen 0,1 mbar und 30 mbar.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
gekennzeichnet durch einen zweiten Druck (p₂) zwischen 0,1 mbar und 30 mbar.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
gekennzeichnet durch wenigstens eine Behandlungskammer, in der nacheinander die Aufheizphase (A), die Anreicherungsphase (B), die erste Abkühlungsphase (C), die Borierungsphase (D), die zweite Abkühlungsphase (E) und die Abschreckphase (F) durchführbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14,
gekennzeichnet durch zwei Behandlungskammern, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase (A), die Anreicherungsphase (B), die erste Abkühlphase (C), die Bohrierungsphase (D) und die zweite Abkühlungsphase (E) durchführbar sind und wobei in der zweiten Behandlungskammer die Abschreckphase (F) durchführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14,
gekennzeichnet durch drei Behandlungskammern, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase (A) und die Anreicherungsphase (B) durchführbar sind, wobei in der zweiten Behandlungskammer die erste Abkühlungsphase (C), die Borierungsphase (D) und die zweite Abkühlungsphase (E) durchführbar sind und wobei in der dritten Behandlungskammer die Abschreckphase (F) durchführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14,
gekennzeichnet durch vier aufeinanderfolgend oder parallel angeordnete Behandlungskammern, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase (A) durchführbar ist, wobei in der zweiten Kammer die Anreicherungsphase (B) oder die Anreicherungsphase (B) und die erste Abkühlungsphase (C) durchführbar sind, wobei in der dritten Behandlungskammer die erste Abkühlungsphase (C), die Borierungsphase (D) und die zweite Abkühlungsphase (E) oder die Borierungsphase (D) und die zweite Abkühlungsphase (E) durchführbar sind und wobei in der vierten Behandlungskammer die Abschreckphase (F) durchführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14,
gekennzeichnet durch sechs aufeinanderfolgend oder parallel angeordnete Behandlungskammern, wobei die erste Behandlungskammer als Erwärmungskammer zum Durchführen der Aufheizphase (A), die zweite Behandlungskammer als Anreicherungskammer zum Durchführen der Anreicherungsphase (B), die dritte Behandlungskammer als Abkühlungskammer zum Durchführen der ersten Abkühlungsphase (C), die vierte Behandlungskammer als Borierungskammer zum Durchführen der Borierungsphase (D), die fünfte Behandlungskammer als Abkühlungskammer zum Durchführen der zweiten Abkühlungsphase (E) und die sechste Behandlungskammer als Abschreckkammer zum Durchführen der Abschreckphase (F) ausgebildet sind.
Werkstück, das aus einem metallenen Werkstoff besteht und durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 wärmebehandelt ist,
gekennzeichnet durch eine äußere Eisenboridschicht von 10 µm bis 100 µm Dicke und eine unter der Eisenboridschicht liegende Einsatzhärteschicht, die eine Härte nach Vickers zwischen 600 und 900 und eine Einsatzhärtetiefe zwischen 0,2 mm und 2,0 mm aufweist.