Verfahren zur Behandlung von Stählen und Refraktärmetallen

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Bauteilen aus Stählen und Metallen in einer Prozeßkammer unter Einwirkung von Druck und Temperatur mit einem ersten Verfahrensschritt, in dem eine thermochemische Oberflächenbehandlung, beispielsweise das Einsatzhärten, durchgeführt wird, wozu ein Gas oder Gasgemisch in diese Prozeßkammer eingelassen wird.

[0002] Bei der thermochemischen Oberflächenbehandlung (z.B. Nitrieren, Nitrokarburieren oder Borieren) von legierten Stählen und Refraktärmetallen (z.B. Ti, Zr, Mo, W. Nb, Ta, V) kommt es bislang durch die oberflächenbedeckenden Passivschichten auf den Materialien zu folgenden Schwierigkeiten: Die Passivschichten bestehen nämlich meist aus Oxiden und bilden eine dünne Schutzhaut, die das ungestörte Eindiffundieren von Nichtmetallen wie z.B. N, C, und B bei der Oberflächenbehandlung mit Nachteil verhindern. Dadurch wird z.B. bei den Refraktärmetallen eine Eindiffusion völlig, bei hochlegierten Stählen teilweise verhindert, was zu ungleichmäßigen Behandlungsergebnissen führt.
Bei bestimmten Sorten legierter Stähle wird zu Erzielung eines gleichmäßigen Behandlungsergebnisses eine Voroxidation vorgenommen. Damit werden Verunreinigungen an den Oberflächen oxidiert und die bereits bestehende Oxidschicht beeinflußt. Dadurch kann in manchen Fällen Einfluß auf die Gleichmäßigkeit der Schichtausbildung genommen werden. Die erzeugten Schichten sind sehr dünn und enthalten immer größere Mengen Sauerstoff.

[0003] Bei der thermochemischen Oberflächenbehandlung von Metallen (z.B. Aufkohlen, Vergüten, Glühen, Carbonitrieren, Nitrocarburieren) kommt es weiterhin, bedingt durch die Verwendung sauerstoffhaltiger Prozeßgase zu einer interkristallinen Oxidation der behandelten Bauteile. Da die Oxidation nur an der freien Oberfläche, also am Rand der Bauteile auftritt, wird diese Form der Oxidation auch als Randoxidation bezeichnet. Diese Randoxidation bewirkt eine Herabsetzung der Dauerfestigkeit, so daß die Lebensdauer randoxidierter Bauteile verkleinert wird.

[0004] Es sind zur Zeit zwei Wärmebehandlungsverfahren zum Aufkohlen von Werkstücken bekannt, die mit sauerstofffreien Prozeßgasen betrieben werden. Diese Verfahren, Plasmaaufkohlung und Vakuumaufkohlung, konnten bisher jedoch noch keine industrielle Anwendung in nennenswertem Umfang finden.
Bauteile, die nach der Wärmebehandlung Oxidation aufweisen, werden daher meist durch mechanische Bearbeitung nachbehandelt, mit dem Ziel die Oxidation abzutragen (z.B. Schleifen von Zahnrädern). Der Abfall der Dauerfestigkeit durch Randoxidation kann auch durch Verfahren zur Verfestigung (z.B. Kugelstrahlen von Zahnrädern) der Bauteile kompensiert werden.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren zu entwickeln, das die Randoxidation wärmebehandelter Teile entfernt und die mechanische Bearbeitung ersetzt.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur thermochemischen Entfernung der infolge des ersten Verfahrensschritts erzeugten Randoxydation an den Bauteilen in einem zweiten Verfahrensschritt N₂, H₂ oder NH₃ oder ein Gemisch dieser Gase in die Prozeßkammer eingelassen und ein Druck größer 1 bar und eine Temperatur zwischen 100 °C und 1.000 °C voneinander unabhängig eingestellt wird.

[0007] Die Oxide werden reduziert, indem sie mit der Gasphase reagieren und ihre Sauerstoffatome abgeben oder Nitride bilden. Solchermaßen wärmebehandelte Teile können je nach Zusammensetzung der Oxide nahezu vollkommen desoxidiert werden.
Eine solche Wärmebehandlung kann bei höher legierten Stählen als Ersatz für die ohnehin durchzuführende Anlaßbehandlung durchgeführt werden, Anlassen und Desoxidieren werden dann in einem Schritt durchgeführt.

[0008] Durch dieses Verfahren ist es möglich, thermochemische Behandlungen mit oxidierenden Gaskomponenten weiter durchzuführen und durch die anschließende Desoxidation höhere Dauerfestigungseigenschaften an den Bauteilen zu erzielen. Dadurch kann auf den Einsatz teurer und komplizierter mechanischer Nachbehandlungen verzichtet werden.

[0009] Weitere Ausführungsmöglichkeiten und Merkmale sind in den Unteransprüchen näher beschrieben und gekennzeichnet.

[0010] Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu; eine davon ist in den beiden anhängenden Skizzen beispielhaft dargestellt.

[0011] Nachdem der Stahl in eine Behandlungskammer 1 eingebracht ist, wird diese auf 580 °C aufgeheizt und mit einem Druck von z.B. 10 bar wird H₂ und/oder NH₃ eingelassen. In diesem Verfahrensschritt wird der eingesetzte Stahl entpassiviert und gleichzeitig mit einer dünnen Nitridschicht als Schutz vor weiterer Oxidation versehen.

[0012] Anschließend wird der vor Oxidation geschützte Stahl in eine zweite Behandlungskammer 2 verbracht. Hier wird eine werkstoffspezifische Nitriertemperatur von 550 °C eingestellt und bei einem Druck von 1 bar ein Gasgemisch aus NH₃, H₂ eingelassen. Nach Abschluß dieses zweiten Behandlungsschrittes erhält man als Endprodukt einen nitrierten X 20 CrMo V 12 1- Stahl. Statt stickstoffhaltiger Gase können zum Kohlen auch kohlenstoffhaltige Gase wie CO₂ oder CO bei bei Temperaturen zwischen 800 °C und 1.000 °C eingesetzt werden.

[0013] Ein wesentlicher Vorteil ist, daß der eigentliche thermochemische Behandlungsvorgang, beispielsweise das Nitrieren in einer konventionellen Nitrieranlage unter Atmosphärendruck durchgeführt werden kann. Somit entfällt die Notwendigkeit eine Druckkammer einzusetzen, die beispielsweise für 30 bar ausgelegt sein muß.

[0014] Ein einsatzgehärteter Stahl 16 MnCr5 wird mit 10 »m Randoxidation in eine Prozeßkammer 1 eingebracht und auf eine Prozeßtemperatur ϑ = 200 °C erwärmt. In die Kammer wird nun ein Gasgemisch aus NH₃ und N₂ mit einem Druck p=20 bar eingelassen. Nach Abschluß dieses Prozesses erhält man einen randoxidationsfreien Stahl 16 MnCr5.

Ansprüche

1. Verfahren zur Behandlung von Bauteilen aus Stählen und Metallen in einer Prozeßkammer unter Einwirkung von Druck und Temperatur mit einem ersten Verfahrensschritt, in dem eine thermochemische Oberflächenbehandlung, beispielsweise das Einsatzhärten, durchgeführt wird, wobei ein Gas oder Gasgemisch in eine Prozeßkammer eingelassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur thermochemischen Entfernung der Randoxidation der Bauteile in einem zweiten Verfahrensschritt N₂, H₂ oder NH₃ oder ein Gemisch dieser Gase in die Prozeßkammer eingelassen und ein Druck größer 1 bar und eine Temperatur zwischen 100 °C und 1.000 °C voneinander unabhängig eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bauteile aus unlegierten oder niedriglegierten Stählen behandelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bauteile aus höherlegierten Stählen behandelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der thermochemischen Entfernung der Randoxidation ein Wärmebehandlungsverfahren, beispielsweise das Anlassen von Stählen durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßdruck während des Verfahrens zur thermochemischen Entfernung der Randoxidation 20 bar beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßtemperatur kleiner oder gleich der Anlaßtemperatur des zu behandelnden Stahls ist.

Claims

1. Method of treating components composed of steels and metals in a processing chamber under the actio of pressure and heat, comprising a first processing stage in which a thermochemical surface treatment, e.g. case-hardening, is carried out, to which end a gas or gas mixture is introduced into a processing chamber, characterised in that for the thermochemical removal of peripheral oxidation of the components, in a second processing stage N₂, H₂ or NH₃ or a mixture of these gases is introduced into the processing chamber, and a pressure of more than 1 bar and a temperature of between 100°C and 1 000°C are set independently of one another.

2. Method according to claim 1, characterised in that components composed of unalloyed or low-alloy steels are treated.

3. Method according to claim 1, characterised in that components composed of high-alloy steels are treated.

4. Method according to claim 3, characterised in that simultaneously with the thermochemical removal of peripheral oxidation, a heat-treatment process, e.g. the annealing of steels, is carried out.

5. Method according to one or more of claims 1 to 4, characterised in that the processing pressure during the process of thermochemically removing peripheral oxidation is 20 bar.

6. Method according to claim 5, characterised in that the processing temperature is lower than or equal to the annealing temperature of the steel to be treated.

Revendications

1. Procédé pour le traitement d'éléments de construction constitués d'aciers et de métaux dans une chambre de procédé sous l'action de la pression et de la température présentant une première étape de procédé, dans laquelle on réalise un traitement de surface thermochimique, par exemple la cémentation, un gaz ou un mélange gazeux étant introduit dans une chambre de procédé, caractérisé en ce qu'on laisse entrer dans la chambre de procédé dans une deuxième étape de procédé N₂, H₂ ou NH₃ ou un mélange de ces gaz pour une élimination thermochimique de l'oxydation marginale des éléments de construction et qu'on ajuste une pression supérieure à 1 bar et une température comprise entre 100°C et 1 000°C indépendamment l'une de l'autre.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on traite des éléments de construction constitués d'aciers non alliés ou faiblement alliés.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on traite des éléments de construction constitués d'aciers hautement alliés.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on réalise simultanément avec l'élimination thermochimique de l'oxydation marginale un procédé de traitement thermique, par exemple la recuisson des aciers.

5. Procédé selon l'une quelconque ou plusieurs des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pression du procédé pendant le procédé pour l'élimination thermochimique de l'oxydation marginale est de 20 bars.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la température du procédé est plus petite ou égale à la température de recuisson de l'acier à traiter.

Zeichnung