WO2023104385A1 - Method and device for the localised nitriding or nitrocarburising of the surface of a component - Google Patents

Abstract

The invention relates to a method and a device for the localised nitriding or nitrocarburising of the surface of a ferrous metal component (1; 1'), wherein, in a passivation step (I), firstly at least a partial surface (2; 2') to be kept free from nitriding is produced by subjecting only said partial surface (2; 2') to a temperature-time sequence that forms oxides or mixed oxides under air or oxygen atmosphere in order to form a passivated partial surface (2; 2'), and, in a subsequent nitriding step (II.) or nitrocarburising step, to heat a surface (3; 3') of the component (1; 1'), which surface comprises the partial surface (2; 2'), while supplying a nitrogen-releasing process gas in such a way that, due to the fact that only the partial surface (2; 2') is passivated, the surface (3; 3') is substantially, in particular only, nitrided or nitrocarburised outside the passivated partial surface (2; 2').

Description

Beschreibung Description

Titel: Title:

Verfahren und Einrichtung zum örtlich begrenzten Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche eines Bauteils Method and device for localized nitriding or nitrocarburizing of the surface of a component

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum örtlich begrenzten Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche eines eisenmetallischen Bauteils sowie ein solches Bauteil selbst, das insbesondere ein korrosionsbeständiges Stahlbauteil ist. The present invention relates to a method and a device for locally limited nitriding or nitrocarburizing of the surface of a ferrous metal component and such a component itself, which is in particular a corrosion-resistant steel component.

Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf solche Bauteile aus vorzugsweise korrosionsbeständigen Stählen, die nach einer Oberflächenhärtung durch Nitrieren oder Nitrocarburieren in der Weiterverarbeitung durch Schweißen gefügt werden sollen. Wenn im Folgenden von Nitrieren die Rede ist, so gilt Entsprechendes auch für ein Nitrocarburieren. Wenn im Folgenden von einem Nitrierungsschritt die Rede ist, so gilt Entsprechendes auch für einen Nitrocarburierungsschritt. Daneben ist die erfindungsgemäße Lösung auch anwendbar auf Niedertemperaturverfahren, wie Kolsterisieren, das sogenannte Expanded Austenite Verfahren, das S-Phase Verfahren und dergleichen. Die hier interessierenden eisenmetallischen Bauteile, beispielsweise Kraftstoffinjektoren, werden gewöhnlich zwecks Verbesserung des Verschleißverhaltens sowie zur Erhöhung der statischen Festigkeit und Schwingstabilität bei zu erwartendem geringen Verzug der Bauteile nitriert oder nitrocarburiert. The field of application of the present invention extends primarily to those components made of preferably corrosion-resistant steels which, after surface hardening by nitriding or nitrocarburizing, are to be joined by welding during further processing. If nitriding is mentioned below, the same applies to nitrocarburizing. When a nitration step is mentioned below, the same also applies to a nitrocarburizing step. In addition, the solution according to the invention can also be used for low-temperature processes such as Kolsterizing, the so-called expanded austenite process, the S-phase process and the like. The ferrous metal components of interest here, such as fuel injectors, are usually nitrated or nitrocarburized in order to improve the wear behavior and to increase the static strength and vibration stability with the expected low distortion of the components.

Stand der Technik State of the art

Das Nitrieren oder Nitrocarburieren ist ein allgemein bekanntes Härtungsverfahren unter Verwendung von Stickstoff. Dabei entsteht eine Oberflächenschicht, die bis etwa 500 °C beständig ist. Das Verfahren wird in der Regel bei Temperaturen von 500 bis 520 °C im Rahmen von Behandlungszeiten von 1 bis 100 Stunden durchgeführt, wobei der Kern des Werkstoffs ferritisch bleibt und ebenso die Bildung von oberflächennahem Austenit durch Eindiffusion von Stickstoff vermieden wird. Die mit diesem Verfahren im Plasma, im Gas, im Niederdruck oder im Salzbad hergestellten Nitrierschichten sind aber bezüglich der Schweißeignung nachteilhaft, da der vom Bauteil aufgenommene Stickstoff zu einer erhöhten Porenbildung und damit zu einer Schwächung einer hierauf aufgebrachten Schweißnaht führt. Insbesondere auch an kritischen Bauteilbereichen, wie beispielsweise Gewindegängen oder im Bereich von Presspassungen, kann es aufgrund einer erhöhten Härte von Nitrierschichten zu einem Ausbrechen von Schichtbereichen und damit zu einem verstärkten Verschleiß kommen. Die dabei entstehenden Materialpartikel können aber auch an anderer Stelle einer das Bauteil umfassenden Baugruppe zu einem abrasiven Verschleiß führen oder enge Bohrungen, wie beispielsweise Spritzlöcher in Einspritzsystemen verschließen. Nitriding or nitrocarburizing is a well-known hardening process using nitrogen. This creates a surface layer that is resistant to around 500 °C. The procedure is in the Usually carried out at temperatures of 500 to 520 °C within the framework of treatment times of 1 to 100 hours, whereby the core of the material remains ferritic and the formation of near-surface austenite due to in-diffusion of nitrogen is also avoided. However, the nitrided layers produced with this method in plasma, in gas, in low pressure or in a salt bath are disadvantageous in terms of weldability, since the nitrogen absorbed by the component leads to increased pore formation and thus to a weakening of a weld seam applied thereon. Especially in critical component areas, such as threads or in the area of press fits, the increased hardness of nitrided layers can lead to layer areas breaking off and thus to increased wear. However, the resulting material particles can also lead to abrasive wear elsewhere in an assembly comprising the component or close narrow bores, such as spray holes in injection systems.

Aus der DE 10 2015 2013 068 Al geht ein derartiges Verfahren zum Nitrieren eines eisenmetallischen Bauteils hervor. Dabei wird das Bauteil in einer ersten Nitrierphase hinreichend erwärmt und an seiner Oberfläche wird ein stickstoffabgebendes Prozessgas vorgelegt, so dass Stickstoff durch die Oberfläche in das Bauteil diffundiert, wobei in der ersten Nitrierphase eine Eisennitrid-haltige Verbindungsschicht ausgebildet wird. Diese Verbindungsschicht wird in einer anschließenden Abbauphase durch Wärmebehandlung wieder teilweise aufgelöst, um eine über die Oberfläche gleichmäßig verteilte Verbindungsschicht zu schaffen. DE 10 2015 2013 068 A1 discloses such a method for nitriding a ferrous metal component. The component is sufficiently heated in a first nitriding phase and a nitrogen-releasing process gas is placed on its surface so that nitrogen diffuses through the surface into the component, with a compound layer containing iron nitride being formed in the first nitriding phase. In a subsequent degradation phase, this compound layer is partially dissolved again by heat treatment in order to create a compound layer that is evenly distributed over the surface.

Gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik wird ein örtlich begrenztes Nitrieren oder Nitrocarburieren einer Bauteiloberfläche bislang dadurch erreicht, dass beispielsweise beim Plasmanitrieren beziehungsweise Plasmanitrocarburieren einfache mechanische Abdeckungen verwendet werden. Die Entstehung eines so genannten Plasmasaums wird hierdurch verhindert. Ohne den Plasmasaum kann keine Nitrierwirkung mit dem Plasmanitrieren beziehungsweise Plasmanitrocarburieren erreicht werden. Nachteilig ist aber, dass schmale Bohrungen mit einem Durchmesser von unterhalb 8 bis 10 mm oder Bohrungsverschneidungen nur unzureichend oder gar nicht nitriert werden können, da sich auch in diesen geometrischen Bereichen der Plasmasaum schlecht oder gar nicht ausbildet. Aus diesem Grund werden beim Gas- oder Niederdrucknitrieren üblicherweise aus Kupferwerkstoffen bestehende Abdeckungen, wie Hülsen oder Hauben oder auch Abdeckpasten verwendet. Das Aufbringen von Abdeckungen oder Abdeckpasten ist recht aufwändig und im Falle von Abdeckpasten bleiben auch Rückstände am Bauteil haften, welche nach einem Nitrieren wieder abgereinigt werden müssen. Darüber hinaus können Innengewinde oder auch schmale Bohrungen und Bohrungsverschneidungen nur schwer automatisiert mit einer Abdeckpaste geschützt werden. Daher werden solche speziellen Geometriebereiche gewöhnlich händisch mit einer Abdeckpaste versehen, was wiederum mit dem Risiko einer nicht vollständigen Schutzwirkung infolge von Behandlungsfehlern verbunden ist. According to the generally known state of the art, a locally limited nitriding or nitrocarburizing of a component surface has hitherto been achieved by using simple mechanical covers, for example during plasma nitriding or plasma nitrocarburizing. This prevents the formation of a so-called plasma fringe. Without the plasma border, no nitriding effect can be achieved with plasma nitriding or plasma nitrocarburizing. The disadvantage, however, is that narrow bores with a diameter of less than 8 to 10 mm or bore intersections are only insufficiently nitrided or not at all since the plasma fringe forms poorly or not at all in these geometric areas. For this reason, covers usually made of copper materials, such as sleeves or hoods, or cover pastes are used in gas or low-pressure nitriding. The application of covers or cover pastes is quite complex and in the case of cover pastes, residues also stick to the component, which have to be cleaned off again after nitriding. In addition, internal threads or even narrow bores and bore intersections are difficult to automatically protect with a masking paste. For this reason, such special geometric areas are usually provided with a covering paste by hand, which in turn is associated with the risk of an incomplete protective effect as a result of treatment errors.

Es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum örtlich begrenzten Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche eines eisenmetallischen Bauteils zu schaffen, welches in fertigungstechnisch einfacher Weise reproduzierbar ist und sich nachreinigungsfrei sowie nacharbeitsfrei automatisiert durchführen lässt. It is therefore the object of the present invention to create a method and a device for locally limited nitriding or nitrocarburizing of the surface of a ferrous metal component, which can be reproduced in a simple manner in terms of production technology and can be carried out automatically without post-cleaning or post-processing.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention

Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich einer das Verfahren durchführenden Einrichtung wird auf Anspruch 9 verwiesen. Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes eisenmetallisches Bauteil wird explizit in Anspruch 7 angegeben. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche widmen sich vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung. The object is achieved by claim 1 in terms of process engineering. Reference is made to claim 9 with regard to a device that carries out the method. A ferrous metal component produced according to the method according to the invention is explicitly specified in claim 7 . The respective dependent claims refer back to advantageous developments of the invention.

Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass zum örtlich begrenzten Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche eines eisenmetallischen Bauteils zunächst in einem Passivierungsschritt mindestens eine nitrierfrei zu haltende Teiloberfläche dadurch erzeugt wird, dass unter Luftoder Sauerstoffatmosphäre eine Oxide oder Mischoxide bildende Temperatur innerhalb einer hinreichend langen Zeit auf die Teiloberfläche einwirkt. Es wird also eine lokale Erhitzung der Bauteiloberfläche so lange vorgenommen, bis sich hierauf eine Oxidschicht gebildet hat. In einem anschließenden Nitrierungsschritt wird die Oberfläche unter Vorlegen eines stickstoffabgebenden Prozessgases derart erwärmt, dass die Oberfläche außerhalb der passivierten Teiloberfläche nitriert wird. The invention includes the procedural teaching that for locally limited nitriding or nitrocarburizing of the surface of a ferrous metal component, in a passivation step at least one partial surface that is to be kept nitration-free is first produced in that an oxide or mixed oxide-forming temperature is raised in an air or oxygen atmosphere within a sufficiently long period of time the part surface acts. Local heating of the component surface is therefore carried out until an oxide layer has formed on it. In a subsequent nitration step the surface is heated with the presentation of a nitrogen-releasing process gas in such a way that the surface is nitrided outside of the passivated partial surface.

Mit anderen Worten gestattet es die erfindungsgemäße Lösung durch eine gezielte Ausbildung von Oxiden oder Mischoxiden mithilfe einer lokalen am Bauteil durchgeführten Temperatur-Zeit-Folge eine dortige Passivierung gegen eine anschließende Nitrierung zu bewirken. Im Bereich der passivierten Teiloberfläche ist die Stickstoffaufnahme während des Nitrierens zumindest so stark reduziert, dass die passivierte Teiloberfläche beispielsweise schweißbar bleibt. Je nach Prozessparametern kann eine Stickstoffaufnahme im Bereich passivierter Teiloberflächen sogar vollständig verhindert werden. Außerdem weist eine passivierte Teiloberfläche eines eisenmetallischen Bauteils darüber hinaus auch eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zum Grundwerkstoff auf. In other words, the solution according to the invention allows passivation to be effected there against subsequent nitration by means of a targeted formation of oxides or mixed oxides with the aid of a local temperature-time sequence carried out on the component. In the area of the passivated partial surface, the absorption of nitrogen during the nitriding is reduced at least to such an extent that the passivated partial surface remains weldable, for example. Depending on the process parameters, nitrogen absorption in the area of passivated part surfaces can even be completely prevented. In addition, a passivated partial surface of a ferrous metal component also has improved corrosion resistance compared to the base material.

Vorzugsweise wird durch die Temperatur-Zeit-Folge im Passivierungsschritt eine Schichtdicke an Oxiden oder Mischoxiden von > 500 nm, vorzugsweise > 100 nm erzeugt. Diese letztgenannte relativ geringe Schichtdicke ist bereits hinreichend, um die mit der erfindungsgemäßen Lösung verbundenen Vorteile sicherzustellen. Im Rahmen der Temperatur-Zeit-Folge des Passivierungsschritts wird auf die Teiloberfläche eine Oxidierungstemperatur zwischen 500 °C und 680 °C, vorzugsweise zwischen 520 °C und 600 °C aufgebracht. Insbesondere im Vorzugsbereich lässt sich innerhalb relativ kurzer Prozesszeit eine hinreichend starke Schichtdicke, wie vorstehend angegeben, erzielen. Wird die Temperatur über die obere Bereichsgrenze hinaus weiter erhöht, so lässt sich keine kontrollierte Oxidierung zur Erzeugung einer gewünschten Schichtdicke erzeugen. Über die untere Bereichsgrenze hinweg kommt dagegen eine Oxidierung nicht oder erst über einen langen Zeitraum in Gang. Der optimale Zeitraum des Passivierungsschritts liegt im Rahmen der Temperatur-Zeit-Folge bei > 90 s, vorzugsweise > 25 s. Kleinere Zeitdauern bei entsprechend höheren Temperaturen führen, wie bereits vorstehend erwähnt, zu einem unkontrollierten Oxidieren, wohingegen längere Zeiträume eine fertigungstechnisch nachteilhafte längere Verfahrenszeit verursachen würden. Gemäß einer die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, die zu passivierende Teiloberfläche vor dem Passivierungsschritt derart zu maskieren, dass nur die Oberfläche außerhalb der zu passivierenden Teiloberfläche des Bauteils abgedeckt wird. Hierdurch können scharf von der übrigen Oberfläche des Bauteils abgegrenzte passivierte Teiloberflächen geschaffen werden. Die Abdeckmittel garantieren darüber hinaus auch eine Reproduzierbarkeit in hoher Qualität. So dient diese Maßnahme zum Reduzieren oder Verhindern einer ungewollten Erwärmung eines später zu nitrierenden Bereichs oder zur Verbesserung der Trennschärfe zwischen passivierter und aktiver Teiloberfläche. A layer thickness of oxides or mixed oxides of >500 nm, preferably >100 nm, is preferably produced by the temperature-time sequence in the passivation step. This latter relatively small layer thickness is already sufficient to ensure the advantages associated with the solution according to the invention. As part of the temperature-time sequence of the passivation step, an oxidation temperature of between 500° C. and 680° C., preferably between 520° C. and 600° C., is applied to the partial surface. In particular in the preferred range, a sufficiently thick layer, as indicated above, can be achieved within a relatively short process time. If the temperature is further increased beyond the upper limit of the range, controlled oxidation to produce a desired layer thickness cannot be produced. On the other hand, oxidation does not start beyond the lower limit of the range, or only over a long period of time. The optimal period of time for the passivation step is >90 s, preferably >25 s, within the context of the temperature-time sequence. Shorter periods of time at correspondingly higher temperatures lead, as already mentioned above, to uncontrolled oxidation, whereas longer periods of time result in a longer process time that is disadvantageous in terms of production technology would cause. According to a measure further improving the invention, it is proposed to mask the partial surface to be passivated before the passivation step in such a way that only the surface outside of the partial surface of the component to be passivated is covered. As a result, passivated sub-surfaces that are sharply delimited from the rest of the surface of the component can be created. The covering means also guarantee high-quality reproducibility. This measure serves to reduce or prevent unwanted heating of an area to be nitrided later or to improve the selectivity between the passivated and active part surface.

Im Bereich von zu passivierenden Bohrungen kann insbesondere ein stiftförmiger Induktor verwendet werden, der nach Einführung die Innenmantelfläche der Bohrung erhitzt. Darüber hinaus ist es auch denkbar die für die Passivierung erforderliche Wärme per Kontaktieren der zu passivierenden Teiloberfläche einzubringen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass kein Luftabschluss entsteht, um die Oxidation der Bauteiloberfläche nicht zu behindern. Eine lokale Wärmeeinbringung kann darüber hinaus auch mittels Elektrodenstrahler, Laserstrahler und/oder Infrarotstrahler mit oder ohne zusätzliche Maskierung durchgeführt werden. In the area of bores to be passivated, a pin-shaped inductor can be used in particular, which after insertion heats the inner surface of the bore. In addition, it is also conceivable to introduce the heat required for the passivation by contacting the partial surface to be passivated. However, care must be taken here to ensure that no air is trapped so as not to impede the oxidation of the component surface. A local application of heat can also be carried out by means of electrode emitters, laser emitters and/or infrared emitters with or without additional masking.

Gemäß einer die Maskierung nur der zu passivierenden Teiloberfläche verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, die hierfür vorgesehenen Abdeckmittel zusätzlich mit Kühlkanälen zu versehen. So kann beispielsweise eine flache Abdeckplatte rückwärtig oder integriert mit Kühlkanälen versehen werden. Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass die Abdeckmittel zur Maskierung aus einem für den Passivierungsschritt temperaturbeständigen Material hoher Wärmeleitfähigkeit zu verwenden, beispielsweise Metallmaskierungen aus Stahl oder Kupfer. Neben einer Abdeckplatte mit oder ohne zusätzlichen Kühlkanälen kann als Abdeckmittel auch ein Hohlkörper verwendet werden, der von einem Kühlmittel durchflossen wird. According to a measure that improves the masking of only the partial surface to be passivated, it is proposed that the covering means provided for this purpose be additionally provided with cooling channels. For example, a flat cover plate can be provided with cooling channels on the rear or integrated. In addition, it is proposed that the covering means for masking should be made of a material with high thermal conductivity that is temperature-resistant for the passivation step, for example metal masks made of steel or copper. In addition to a cover plate with or without additional cooling channels, a hollow body through which a coolant flows can also be used as the covering means.

Während des Passivierungsschritts wird der auf der Oberfläche bereits vorhandene Sauerstoff in Form von Sauerstoffverbindungen oder der Sauerstoff aus einer umgebenden Gasatmosphäre zusammen mit den daran beteiligten Legierungselementen in Oxide und/oder Mischoxide überführt. Je nach zu erreichender Schichtdicke kann die Temperatur sowie die Haltedauer nach Maßgabe der vordefinierten Temperatur-Zeit-Folge gesteuert oder geregelt werden. During the passivation step, the oxygen already present on the surface in the form of oxygen compounds or the oxygen from a surrounding gas atmosphere is removed together with those involved Alloying elements converted into oxides and / or mixed oxides. Depending on the layer thickness to be achieved, the temperature and the holding time can be controlled or regulated according to the predefined temperature-time sequence.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, den Passivierungsschritt nach Beendigung durch eine Kühlung des Bauteils abrupt abzubrechen. Hierfür eignet sich eine einfache Luftstromkühlung oder eine Inertgaskühlung. Letzterenfalls kann beispielsweise Stickstoff, Argon oder Helium verwendet werden. Daneben ist es auch denkbar eine Abkühlung durch Wärmeleitung innerhalb des Bauteils infolge einer Selbstabkühlung herbeizuführen, falls entsprechend hinreichende Temperaturdifferenzen im Bauteil nach dem Passivierungsschritt bestehen. Prinzipiell kann die Abkühlung unter lüft- oder sauerstoffhaltigen Atmosphären oder vorzugsweise unter den vorgenannten Inertgasbedingungen oder auch unter Nitrierbedingungen, beispielsweise mit Ammoniak, Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Lachgas, Stickstoff, Spaltgas und/oder Wasserstoff sowie Mischungen daraus oder unter einem Niederdruck bis hin zu Vakuum erfolgen. Daran anschließend kann das eisenmetallische Bauteil oder mehrere auf diese Art im Passivierungsschritt vorbehandelte Bauteile einem gewöhnlichen Nitrierprozess unterzogen werden. According to a further measure improving the invention, it is proposed to abruptly terminate the passivation step after completion by cooling the component. Simple airflow cooling or inert gas cooling is suitable for this. In the latter case, for example, nitrogen, argon or helium can be used. In addition, it is also conceivable to bring about cooling by thermal conduction within the component as a result of self-cooling if there are correspondingly sufficient temperature differences in the component after the passivation step. In principle, the cooling can be carried out under air or oxygen-containing atmospheres or preferably under the aforementioned inert gas conditions or under nitration conditions, for example with ammonia, carbon dioxide, carbon monoxide, nitrous oxide, nitrogen, cracked gas and/or hydrogen and mixtures thereof or under a low pressure up to a vacuum . The ferrous metal component or several components pretreated in this way in the passivation step can then be subjected to a normal nitriding process.

Als eisenmetallisches Bauteil zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich ein Bauteil, das sich der Bauteilgruppe legierter Einsatzstähle, legierter Arbeitsstähle oder korrosionsbeständiger Stähle zuordnen lässt und eine Legierungszusammensetzung enthält, die ausgewählt ist aus einer Elementgruppe, umfassend: Aluminium, Calcium, Chrom, Kobalt, Kupfer, Magnesium, Mangan, Molybdän, Nickel, Silizium, Titan, Zink sowie Mischungen daraus, welche mehr als 3 Massen-% der Legierung aufweisen. A suitable ferrous metal component for carrying out the method according to the invention is a component that can be assigned to the component group of alloyed case-hardening steels, alloyed working steels or corrosion-resistant steels and contains an alloy composition that is selected from a group of elements comprising: aluminum, calcium, chromium, cobalt, copper , magnesium, manganese, molybdenum, nickel, silicon, titanium, zinc and mixtures thereof, which have more than 3% by mass of the alloy.

Eine das Verfahren durchführende Einrichtung zum örtlich begrenzten Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche eines solchen eisenmetallischen Bauteils umfasst ein auf die zu passivierende Teiloberfläche baulich und funktional angepasste Wärmeeinbringeinheit, beispielsweise einen Induktor für Bohrungsbereiche oder einen Infrarotstrahler für flache Oberflächenbereiche, der an eine Steuereinheit angeschlossen im Passivierungsschritt eine entsprechende Teiloberfläche nach Maßgabe einer vorgegebenen Temperatur-Zeit-Folge erwärmt, um aus dem in der Umgebung vorhandenen Sauerstoff eine Oxid- oder Mischoxidschicht auf der nitrierfrei zu haltenden Teiloberfläche zu erschaffen. Die Umgebung des Bauteils wird anschließend mit einem stickstoffabgebenden Prozessgas befüllt, um mit derselben oder einer anderen Wärmeeinbringeinheit, beispielsweise einem Infrarotstrahler die Oberfläche außerhalb der passivierten Teiloberfläche in an sich bekannter Weise zu nitrieren. Dabei dringt Stickstoff nicht oder nur sehr wenig in die zuvor passivierte Teiloberfläche des Bauteils ein. A device that implements the method for locally limited nitriding or nitrocarburizing of the surface of such a ferrous metal component includes a heat input unit that is structurally and functionally adapted to the partial surface to be passivated, for example an inductor for borehole areas or an infrared radiator for flat surface areas connected to a control unit, a corresponding partial surface is heated in the passivation step according to a predetermined temperature-time sequence in order to create an oxide or mixed oxide layer on the partial surface to be kept nitration-free from the oxygen present in the environment. The area surrounding the component is then filled with a nitrogen-releasing process gas in order to nitride the surface outside of the passivated partial surface in a manner known per se using the same or another heat input unit, for example an infrared radiator. In the process, nitrogen penetrates very little or not at all into the previously passivated partial surface of the component.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of preferred exemplary embodiments of the invention with reference to the figures.

Ausführungsbeispiele exemplary embodiments

Es zeigt: It shows:

Fig. 1: einen schematischen Längsschnitt eines mit Abdeckmitteln versehenen Bauteils zur Erzeugung einer auf einer flachen Teiloberfläche lokal zu erzeugenden Passivierungsschicht, 1 shows a schematic longitudinal section of a component provided with covering means for producing a passivation layer to be produced locally on a flat partial surface,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein eisenmetallisches Bauteil mit einer in einem Bohrungsbereich zu passivierenden Teiloberfläche; 2 shows a schematic longitudinal section through an iron-metallic component with a partial surface to be passivated in a bore area;

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Illustration des Verfahrens unter Verwendung einer exemplarischen Temperatur-Zeit-Folge zum Passivieren und anschließendem Nitrieren eines Bauteils, und 3 is a graphical representation illustrating the method using an exemplary temperature-time sequence for passivating and then nitriding a component, and

Fig. 4 eine vergleichende graphische Darstellung des Stickstoffgehalts einer nitrierten Oberfläche mit und ohne lokaler Passivierung. 4 is a comparative graphical representation of the nitrogen content of a nitrided surface with and without local passivation.

Gemäß Fig. 1 soll bei einem eisenmetallischen Bauteil 1 eine Teiloberfläche 2 einer in diesem Ausführungsbeispiel flachen Oberfläche 3 frei von einer in einem an sich bekannten Nitrierungsverfahren erzeugten Nitrierschicht bleiben. Hierzu wird zunächst mit einer lokalen Wärmeeinbringungseinheit 4 in Form eines Infrarotstrahlers im Rahmen eines Passivierungsschritts I. unter Luft- oder Sauerstoffatmosphäre O2 eine Erwärmung der Teiloberfläche 2 nach Maßgabe einer elektronischen Steuereinheit 5 durchgeführt, welche anhand einer vorgegebenen - nachfolgend detaillierter erläuterten - Temperatur-Zeit-Folge die Erwärmung derart vornimmt, dass sich auf der Teiloberfläche 2 eine Schicht aus Oxiden oder Mischoxiden bildet. According to FIG. 1, in the case of a ferrous metal component 1, a partial surface 2 of a flat surface 3 in this exemplary embodiment is to be free of one in one nitriding layer produced in known nitriding processes remain. For this purpose, the part surface 2 is first heated with a local heat input unit 4 in the form of an infrared radiator as part of a passivation step I. in an air or oxygen atmosphere O2 in accordance with an electronic control unit 5, which is measured on the basis of a predetermined temperature-time Follow the heating in such a way that a layer of oxides or mixed oxides forms on the partial surface 2 .

Zur zusätzlichen Maskierung der Teiloberfläche 2 im Passivierungsschritt I. sind bei diesem Ausführungsbeispiel Abdeckungsmittel vorgesehen, welche hier als Abdeckplatte 6 mit integrierten Kühlkanälen 7 ausgebildet sind. For the additional masking of the partial surface 2 in the passivation step I., covering means are provided in this exemplary embodiment, which are designed here as a covering plate 6 with integrated cooling channels 7 .

Nach Abschluss des Passivierungsschritts I. und Entfernung der Maskierung wird im Rahmen des darauf folgenden Nitrierungsschritts II. durch die Wärmeeinbringungseinheit 4 die gesamte flache Oberfläche 3 des Bauteils 1 unter Stickstoff abgebendem Prozessgas derart erwärmt, dass sich in an sich bekannter Weise eine Nitrierschicht über die Oberfläche 3 mit Ausnahme der passivierten Teiloberfläche 2 ausbildet. After completion of the passivation step I. and removal of the masking, the entire flat surface 3 of the component 1 is heated by the heat input unit 4 under nitrogen-emitting process gas as part of the subsequent nitration step II 3 with the exception of the passivated partial surface 2 forms.

Bei dem in Fig. 2 illustrierten alternativen Ausführungsbeispiel soll bei einem eisenmetallischen Bauteil 1‘ der obere Bereich einer Bohrung la‘ als Teiloberfläche 2‘ frei von einer Nitrierschicht gehalten werden, wohingegen die äußere flache Oberfläche 3‘ mit einer Nitrierschicht versehen werden soll. Hierzu wird im Rahmen des Passivierungsschritts I. eine als Induktor ausgebildete Wärmeeinbringungseinheit 4‘ in den Bereich der Bohrung la‘ eingeführt und unter Luft- oder Sauerstoffatmosphäre O2 entsteht die angestrebte lokale Oxid- oder Mischoxidschicht im Bereich der zylindrischen Teiloberfläche 2‘. Durch Hubbewegung dieser Wärmeeinbringungseinheit 4‘ kann auch der gesamte Bereich der Bohrung la‘ entsprechend passiviert werden. In the alternative exemplary embodiment illustrated in FIG. 2, the upper region of a bore 1a' is to be kept free of a nitriding layer as partial surface 2' in a ferrous metal component 1', whereas the outer flat surface 3' is to be provided with a nitriding layer. For this purpose, as part of the passivation step I., a heat input unit 4' designed as an inductor is introduced into the area of the borehole 1a' and the desired local oxide or mixed oxide layer is formed in the area of the cylindrical partial surface 2' under an air or oxygen atmosphere O2. The entire area of the bore 1a' can also be correspondingly passivated by a lifting movement of this heat introduction unit 4'.

Der nachfolgende Nitrierungsschritt II. wird wie vorstehend zu Fig. 1 beschrieben durchgeführt, so dass sich auf der äußeren Oberfläche 3‘ mit Ausnahme der passivierten Teiloberfläche 2‘ im Bereich der Bohrung la‘ eine Nitrierschicht unter dem Stickstoff abgebenden Prozessgas ausbildet. Die Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung einer exemplarischen Temperatur- Zeit- Folge, welche durch die vorstehend angegebene Steuereinheit im Rahmen des initialen Passivierungsschritts I sowie des nachfolgenden Nitrierungsschritts II an die Wärmeeinbringungseinheit 4 bzw. 4‘ vorgegeben wird. Die Temperatur- Zeit- Folge ist beispielhaft auf das vorstehende Ausführungsbeispiel bezogen. The subsequent nitriding step II is carried out as described above for FIG. 1, so that a nitriding layer is formed under the nitrogen-emitting process gas on the outer surface 3′, with the exception of the passivated partial surface 2′ in the area of the bore 1a′. 3 shows a graphical representation of an exemplary temperature-time sequence, which is specified by the above-mentioned control unit as part of the initial passivation step I and the subsequent nitration step II to the heat input unit 4 or 4'. The temperature-time sequence is related to the above exemplary embodiment as an example.

Dementsprechend wird zunächst im Rahmen des Passivierungsschritts I. eine Erwärmung bis auf 600 °C vorgegeben, welche hier über einen Zeitraum von etwa 25 s gehalten wird, um auf der entsprechenden Teiloberfläche einer Oxid- oder Mischoxidschicht von ca. 100 nm zwecks Passivierung auszubilden. Anschließend wird die Bauteiltemperatur stufenweise erhöht und im Rahmen des nachfolgenden Nitrierungsschritts II. bis auf etwa 500 °C über eine solche Zeitdauer gehalten, bis sich eine gewünscht dicke Nitrierschicht auf der Bauteiloberfläche außerhalb der passivierten Teiloberfläche ausgebildet hat. Dieser Nitrierungsschritt II. kann dementsprechend mehrere Stunden andauern. Accordingly, as part of passivation step I., heating up to 600° C. is initially specified, which is maintained here for a period of around 25 s in order to form an oxide or mixed oxide layer of around 100 nm on the corresponding partial surface for the purpose of passivation. The component temperature is then increased in stages and, as part of the subsequent nitration step II., held at around 500° C. for such a period of time until a desired thick nitrided layer has formed on the component surface outside the passivated partial surface. Accordingly, this nitration step II can last for several hours.

Die graphische Darstellung gemäß Fig. 4 beschreibt den Verlauf der Schichtdicke einer Nitrierschicht im Bereich einer lokal passivierten Teiloberfläche (Strichlinie) im Vergleich zu einer unbehandelten Oberfläche (Volllinie) eines aus einem korrosionsbeständigen Stahl mit bereits 0,3 Ma-% Stickstoff im Grundwerkstoff. Die Ordinate des Koordinatensystems gibt den Stickstoffgehalt in Ma.-% nach Durchführung des Nitrierungsschritts an. Bei diesem Beispiel ergibt sich im Bereich der unbehandelten Oberfläche ein anfänglich um das 6-fache höhere Stickstoffgehalt, als an der lokal passivierten Teiloberfläche, deren Stickstoffgehalt materialbedingt bei ca. 0,3 Ma.-% verharrt. Durch den über den erfindungsgemäßen Passivierungsschritt auf der Teiloberfläche erzielbaren gleichbleibend geringen Stickstoffgehalt lässt sich hierüber beispielsweise eine Verschweißung des ansonsten nitrierten Bauteils durchführen. The graph according to FIG. 4 describes the course of the layer thickness of a nitrided layer in the area of a locally passivated partial surface (dashed line) compared to an untreated surface (solid line) of a corrosion-resistant steel with already 0.3% by mass of nitrogen in the base material. The ordinate of the coordinate system indicates the nitrogen content in % by mass after the nitration step has been carried out. In this example, the nitrogen content in the area of the untreated surface is initially 6 times higher than on the locally passivated partial surface, whose nitrogen content remains at approx. 0.3% by mass due to the material. Due to the constantly low nitrogen content that can be achieved via the passivation step according to the invention on the partial surface, welding of the otherwise nitrated component can be carried out here, for example.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, maskierende Abdeckungen anderer Formen zu nutzen, um unterschiedlich gestaltete Teilbereiche an Werkstoffoberflächen für eine Passivierung von übrigen Oberflächenbereichen abzugrenzen. Dies entfällt gewöhnlich bei Teiloberflächen, welche durch die Bauteilgeometrie von anderen Oberflächen abgegrenzt sind, wie beispielsweise Bohrungsinnen- bereiche und dergleichen. Außerdem richtet sich die Auswahl einer geeignetenThe invention is not limited to the preferred embodiments given above. Rather, modifications of this are also conceivable, which are included in the scope of protection of the following claims. For example, it is also possible to use masking covers of other shapes to be used in order to delimit differently designed partial areas on material surfaces for passivation from other surface areas. This usually does not apply to partial surfaces that are delimited from other surfaces by the component geometry, such as the inner areas of bores and the like. In addition, the selection of a suitable

Wärmeeinbringungseinheit nach Form und Größe der zu behandelnden Oberflächenbereiche. Alle vorstehend und in den Ansprüchen für ein Nitrieren beschriebenen Inhalte gelten gleichfalls auch für ein Nitrocarburieren. Heat input unit according to the shape and size of the surface areas to be treated. All of the contents described above and in the claims for nitriding also apply to nitrocarburizing.

Claims

Ansprüche Expectations

1. Verfahren zum örtlich begrenzten Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche eines eisenmetallischen Bauteils (1; 1‘), bei welchem in einem initialen Passivierungsschritt (I.) zunächst mindestens eine nitrierarm zu haltende Teiloberfläche (2) dadurch erzeugt wird, dass unter Luft- oder Sauerstoffatmosphäre (O2) eine Oxide oder Mischoxide bildende Temperatur- Zeit-Folge nur auf die Teiloberfläche (2; 2‘) einwirkt, um eine passivierte Teiloberfläche (2; 2‘) zu bilden, und in einem anschließenden Nitrierungsschritt (II.) oder Nitrocarburierungsschritt eine die Teiloberfläche (2; 2‘) umfassende Oberfläche (3; 3‘) des Bauteils (1; 1‘) unter Vorlegen eines Stickstoff abgebenden Prozessgases derart zu erwärmen, dass aufgrund der Passivierung nur der Teiloberfläche (2; 2‘) die Oberfläche (3; 3‘) im Wesentlichen, insbesondere nur, außerhalb der passivierten Teiloberfläche (2; 2‘) nitriert beziehungsweise nitrocarburiert wird. 1. A method for locally limited nitriding or nitrocarburizing of the surface of a ferrous metal component (1; 1'), in which in an initial passivation step (I.) at least one partial surface (2) to be kept low in nitration is first produced in that under air or oxygen atmosphere (O2) a temperature-time sequence forming oxides or mixed oxides acts only on the partial surface (2; 2') in order to form a passivated partial surface (2; 2'), and in a subsequent nitration step (II.) or nitrocarburization step to heat a surface (3; 3') of the component (1; 1') encompassing the partial surface (2; 2') with the presence of a nitrogen-releasing process gas such that due to the passivation of only the partial surface (2; 2') the surface (3; 3') is nitrated or nitrocarburized essentially, in particular only, outside of the passivated partial surface (2; 2').

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Temperatur-Zeit-Folge im Passivierungsschritt (I.) eine Schichtdicke an Oxiden oder Mischoxiden von kleiner als 500 nm, vorzugsweise kleiner als 100 nm, erzeugt wird. 2. The method as claimed in claim 1, characterized in that the temperature-time sequence in the passivation step (I.) produces a layer thickness of oxides or mixed oxides of less than 500 nm, preferably less than 100 nm.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3; 3‘) nur außerhalb der zu passivierenden Teiloberfläche (2; 2‘) vor dem Passivierungsschritt (I.) zum Maskieren abgedeckt wird. 3. The method according to claim 1, characterized in that the surface (3; 3') is covered for masking only outside of the partial surface (2; 2') to be passivated prior to the passivation step (I.).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Temperatur-Zeit-Folge des Passivierungsschritts (I.) auf die Teiloberfläche (2; 2‘) eine Oxidierungstemperatur zwischen 500 °C und 680 °C, vorzugsweise zwischen 520 °C und 600 °C, aufgebracht wird. 4. The method according to claim 1, characterized in that as part of the temperature-time sequence of the passivation step (I.) an oxidation temperature between 500 °C and 680 °C, preferably between 520 °C and 600°C.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Temperatur-Zeit-Folge des Passivierungsschritts (I.) die Oxidierungstemperatur für einen Zeitraum kleiner als 90 Sekunden, vorzugsweise kleiner als 25 Sekunden, auf die Teiloberfläche (2; 2‘) aufgebracht wird. 5. The method according to claim 1, characterized in that as part of the temperature-time sequence of the passivation step (I.), the oxidation temperature is applied to the partial surface (2; 2') for a period of less than 90 seconds, preferably less than 25 seconds. is applied.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Passivierungsschritts (I.) nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer durch eine Kühlung des Bauteils (1; 1‘) abgebrochen wird, umfassend eine Luftstromkühlung oder eine Inertgaskühlung. 6. The method according to claim 1, characterized in that the passivation step (I.) is aborted after the predetermined period of time has elapsed by cooling the component (1; 1'), comprising air flow cooling or inert gas cooling.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als eisenmetallisches Bauteil (1; 1‘) ein legierter Einsatzstahl, legierter Arbeitsstahl oder korrosionsbeständiger Stahl verwendet wird, der eine Legierungszusammensetzung enthält, die ausgewählt ist aus einer Elementgruppe, umfassend: Aluminium, Calcium, Chrom, Kobalt, Kupfer, Magnesium, Mangan, Molybdän, Nickel, Silizium, Titan, Zink sowie Mischungen daraus, welche mehr als 3 Massen-% der Legierung aufweisen. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an alloyed case-hardened steel, alloyed work steel or corrosion-resistant steel is used as the ferrous metal component (1; 1 '), which contains an alloy composition that is selected from a group of elements comprising: aluminum, Calcium, chromium, cobalt, copper, magnesium, manganese, molybdenum, nickel, silicon, titanium, zinc and mixtures thereof, which have more than 3% by mass of the alloy.

8. Eisenmetallisches Bauteil (1; 1‘), insbesondere korrosionsbeständiges Stahlbauteil, dessen Oberfläche (3; 3‘) teilweise nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche nitriert beziehungsweise nitrocarburiert ist. 8. Ferrous metal component (1; 1'), in particular corrosion-resistant steel component, the surface (3; 3') of which is partially nitrated or nitrocarburized using a method according to one of the preceding claims.

9. Einrichtung zum örtlich begrenzten Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche (3; 3‘) eines eisenmetallischen Bauteils (1; 1‘) mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend eine Wärmeeinbringeinheit (4; 4‘) zur lokalen Wärmeeinbringung nur in die Teiloberfläche (2; 2‘) des Bauteils (1; 1‘) unter Luft- oder Sauerstoffatmosphäre (O2) nach Maßgabe einer elektronischen Steuereinheit (5) im Rahmen des Passivierungsschritts (I.) zur Bildung der passivierten Teiloberfläche (2; 2‘) in Form einer lokalen Oxid- oder Mischoxidschicht, wobei die Wärmeeinbringeinheit (4) nach einem Passivierungsschritt (I.) die gesamte Oberfläche (3; 3‘) des Bauteils (1; 1‘) unter Stickstoff abgebendem Prozessgas im Rahmen des Nitrierungsschritts (II.) oder Nitrocarburierschritts erwärmt. 9. Device for locally limited nitriding or nitrocarburizing of the surface (3; 3') of a ferrous metal component (1; 1') using a method according to any one of claims 1 to 7, comprising a heat input unit (4; 4') for local heat input only into the partial surface (2; 2') of the component (1; 1') under an air or oxygen atmosphere (O2) according to an electronic control unit (5) as part of the passivation step (I.) to form the passivated partial surface (2; 2 ') in the form of a local oxide or mixed oxide layer, wherein the heat input unit (4) after a passivation step (I.) the entire surface (3; 3') of the component (1; 1') under nitrogen-releasing process gas in the context of the nitration step ( II.) or heated nitrocarburizing step.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinbringeinheit (4; 4‘) als Infrarotstrahler, Induktor oder Elektroden-/Laserstrahler ausgebildet ist. 10. Device according to claim 9, characterized in that the heat input unit (4; 4') is designed as an infrared radiator, inductor or electrode/laser radiator.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Maskierung der Oberfläche (3; 3‘) nur außerhalb der zu passivierenden Teiloberfläche (2; 2‘) dienende Abdeckungsmittel als mindestens eine mit Kühlkanälen (7) versehene Abdeckplatte (6) ausgebildet sind. 11. Device according to claim 9, characterized in that covering means serving to mask the surface (3; 3') only outside the partial surface (2; 2') to be passivated are designed as at least one covering plate (6) provided with cooling channels (7). .