DE4204982A1

DE4204982A1 - Verfahren zur thermochemisch-thermischen behandlung von einsatzstaehlen

Info

Publication number: DE4204982A1
Application number: DE19924204982
Authority: DE
Inventors: Emil Hacker
Original assignee: HOECHSTADTER MASCHINENFABRIK S
Current assignee: HOECHSTADTER MASCHINENFABRIK S
Priority date: 1992-02-19
Filing date: 1992-02-19
Publication date: 1993-08-26

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatzstählen, welches eine Einsatzhärtung oder Carbo nitrierung bei einer Temperatur oberhalb des AC 3-Punktes des Kern werkstoffes, die mit einer Aufkohlung oder einer Aufkohlung mit Auf stickung der Randzone verbunden ist, einen Härteprozeß mit an schließender Abschreckung und einen Anlaßvorgang umfaßt.

Aus der GB-OS 22 09 058 ist ein derartiges Behandlungsverfahren für Einsatzstähle bekannt, mit dem die Resistenz des Werkstoffs von Wälz lagerbauteilen gegen Wälzermüdung bei ungünstigen Schmierbedingungen, insbesondere bei verschmutzten Schmierstoffen, verbessert wird.

Dieses Verfahren sieht vor, daß zunächst eine reine Aufkohlung der Randzone auf einen C-Gehalt von 0,7 bis 1,1% C bei einer Temperatur von 930°C erfolgt. Im Anschluß an die darauffolgende Abkühlung auf Raumtemperatur wird eine zweite Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 830°C bis 870°C durchgeführt, die mit einer Nitrierung bzw. Carbo nitrierung kombiniert ist. Nach dem anschließenden Abschrecken auf Raumtemperatur werden die Bauteile bei einer Temperatur von 160°C und einer Haltedauer von zwei Stunden angelassen.

Das entstehende Gefüge weist dann in der Randzone einen Austenitgehalt von 20 bis 45 Vol.-% und einen Carbid- oder Nitridgehalt von 3 bis 15 Vol.-% auf.

Die nach diesem Verfahren behandelten Wälzlagerteile weisen tatsäch lich verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Wälzermüdung und der Verschleißfestigkeit auf, die jedoch für hochbeanspruchte Bauteile wie z. B. Tassenstößel im Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen wegen des hohen Restaustenitanteils nicht ausreichen. Darüberhinaus erfordert das Verfahren unter anderem eine sehr lange Haltezeit bei der zweiten Wärmebehandlungsstufe, so daß die Durchführung des Verfahrens mit erheblichen Kosten verbunden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein thermochemisch-ther misches Behandlungsverfahren vorzuschlagen, das wirtschaftlich durch führbar ist und die Verschleißfestigkeit hochbeanspruchter Bauteile auch bei ungünstigen Schmierbedingungen verbessert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Verfahren folgende Ver fahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge umfaßt:

- Eine Einsatzhärtung oder Carbonitrierung bei einer Temperatur von 900 bis 1050°C, wobei eine übereutektoide Aufkohlung oder eine übereutektoide Aufkohlung mit Aufstickung der Randzone erfolgt, und der Kohlenstoffgehalt bzw. Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt in der Randzone größer als 1 Gew.-% aber kleiner als die durch die S-E-Linie im Zustandsdiagramm des Werkstoffs in Abhängigkeit von der Temperatur definierte maximale Löslichkeit des Kohlenstoffs im Austenit ist;
- eine Abkühlung auf einen Wert unterhalb des A_r1-Punktes mit einer Abschreckgeschwindigkeit, bei der eine Korngrenzenzementitaus scheidung vermieden ist;
- einen Härteprozeß mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 20 bis 80°C/Minute, einer Temperatur von 770 bis 830°C und einer Halte dauer von 5 bis 15 Minuten.

Durch die hohen Temperaturen während der Aufkohlung bzw. Carbonitrie rung von 900 bis 1050°C wird die Haltezeit erheblich verringert. Sie sind gleichzeitig Voraussetzung, daß im Austenit ein hohes Lösungsver mögen für Kohlenstoff und Stickstoff vorliegt und mithin ein Kohlen stoffgehalt von mehr als 1 Gew.-% in der Randzone erreicht werden kann. Das Kohlenstoff- und Stickstoffpotential in der Atmosphäre ist während dieser Phase allerdings auf die maximale Löslichkeit von Kohlenstoff und Stickstoff im Austenit abzustimmen. Diese Löslichkeit ergibt sich auf der S-E-Linie im Eisenkohlenstoff-Diagramm. Überschreitet das Kohlenstoffpotential in der Atmosphäre nämlich die maximale Löslich keit von Kohlenstoff im Austenit erfolgt eine Überkohlung, mit der Folge, daß Korngrenzenzementit ausgeschieden wird. Die Haltezeit während des Einsetzens bzw. Carbonitrierens bestimmt sich im konkreten Fall nach der geforderten Einhärtetiefe.

Nach dem Einsatzhärten oder Carbonitrieren erfolgt eine schnelle Unterkühlung des Gefüges durch Abschrecken auf Raumtemperatur. Damit wird die Zementitausscheidung an den Austenitkorngrenzen unterdrückt und es entsteht ein Gefüge aus Martensit und hohem Restaustenitanteil von 40 bis 90 Vol.-%. Eine direkte Unterkühlung im Ofen mit anschlie ßender isothermer Umwandlung bei Temperaturen unter dem A_c1-Punkt ist ebenfalls möglich.

Dieser ersten Behandlungsstufe schließt sich eine zweite Wärmebehand lung an, bei der der Werkstoff auf eine Temperatur zwischen 770 und 830°C, vorzugsweise 790 bis 810°C, mit einer für Durchlaufhärteöfen typischen Aufheizgeschwindigkeit von 20 bis 80°C pro Minute und einer Haltezeit zwischen 5 und 15 Minuten an, der dann eine übliche Ölab schreckung folgt. Durch diese zweite Wärmebehandlung wird erreicht, daß sich bei der geregelten Erwärmung auf die Austenitisierungstempe ratur der hohe Anteil gelöster Stickstoff- und Kohlenstoffatome in Form feinstdisperser Karbide und Carbonitride gleichmäßig fein ver teilt, innerhalb der Kristalle ausscheidet. Da bei der niedrigen zweiten Wärmebehandlungstemperatur das Lösungsvermögen des Austenits für Kohlenstoff deutlich niedriger liegt als bei der ersten hohen Behandlungstemperatur, wird ein Teil der ausgeschiedenen Karbide bzw. Carbonitride im Austenit nicht gelöst. Die Austenitisierung selbst, das heißt die Haltezeit auf der Austenitisierungstemperatur, darf dagegen nur kurzzeitig erfolgen, um eine Karbidvergrößerung zu ver meiden. Nach der anschließenden martensitischen Abschreckung, die durch die Ölabschreckung erreicht wird, liegt ein Gefüge vor, das neben feinst nadeligem Martensit einen Restaustenitanteil von 25 bis 40% und zahlreiche, feinste Karbide mit einem Flächenanteil zwischen 8 und 25% aufweist. Außerdem zeigt das Gefüge eine sehr feine Bruch korngröße.

Diesem zweiten Behandlungsschritt kann sich dann direkt ein Anlassen bei 160 bis 180°C und zwei Stunden Haltedauer anschließen. Eine höhere Anlaßtemperatur bis 300°C ergibt noch eine hinreichend hohe Härte von mindestens 58 HRC.

Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren ist jedoch vorgese hen, vor dem Anlassen eine Tiefkühlbehandlung bis -120°C durchzufüh ren, bei der der Restaustenitanteil im Gefüge auf 5 bis 20% abgesenkt wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung werden dem Werkstoff Eigenschaften wie eine hohe Ver schleißfestigkeit und eine hohe Zähigkeit verliehen.

Ein nach dem Verfahren behandelter Einsatzstahl zeichnet sich dadurch aus, daß das Gefüge in der Randzone feinstdisperse, intrakristalline Karbidausscheidungen mit einem Flächenanteil größer 8% und eine Bruchkorngröße feiner 10 nach Jernkontoret Bruchprobensatz bzw. Korn größe nach ASTM E112 feiner 10 aufweist.

Die einzige Figur zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatzstahl. In der mit 1 bezeichneten Phase erfolgt die Carbonitrierung oder Einsatzhärtung bei einer Temperatur von 900 bis 1050°C. Dieser Phase schließt sich eine zweite Phase 2 an, in der eine schnelle Unterkühlung des Gefüges er reicht wird. Dies kann dadurch erfolgen, daß, wie es die durchgezogene Linie darstellt, ein Abschrecken auf Raumtemperatur erfolgt oder durch, wie gestrichelt dargestellt ist, eine Unterkühlung im Ofen mit anschließender quasi isothermer Umwandlung bei Temperaturen unter AR1. In einer dritten Phase 3 wird der Werkstoff auf Austenitisie rungstemperatur zwischen 770 und 830°C erwärmt, wobei sich Stickstoff- und Kohlenstoffatome in Form von feinstdispersen Karbiden fein ver teilt ausscheiden. Zur Vermeidung von Karbidvergrößerungen ist die Haltezeit auf der Austenitisierungstemperatur nur kurz.

In einer vierten Phase 4 erfolgt die Abkühlung auf Raumtemperatur oder wahlweise, wie gestrichelt dargestellt, eine Unterkühlung bis -120°C. Anschließend wird der Werkstoff in Phase 5 bei einer Temperatur von 160 bis 180°C und einer Haltezeit von zwei Stunden angelassen.

Bezugszeichenliste

1 Korbinitrieren oder Einsatzhärten
2 Abkühlung
3 Austenitisieren
4 Abkühlung
5 Anlassen

Claims

1. Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatz stählen, welches eine Einsatzhärtung oder Carbonitrierung bei einer Temperatur oberhalb des AC 3-Punktes des Kernwerkstoffes vorsieht, wobei eine Aufkohlung oder eine Aufkohlung mit Aufstickung der Randzo ne erfolgt, einen Härteprozeß mit Abschreckung und einen Anlaßvorgang umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzhärtung oder Carboni trierung bei einer Temperatur von 900 bis 1050°C mit einer übereutek toiden Aufkohlung oder einer übereutektoiden Aufkohlung mit Aufstic kung der Randzonen auf einen Kohlenstoffgehalt bzw. Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt größer 1 Gew.% aber kleiner als die durch die S-E- Linie im Zustandsdiagramm des Werkstoffs in Abhängigkeit von der Temperatur definierte maximale Löslichkeit des Kohlenstoffs im Auste nit und daß der Einsatzhärtung oder Carbonitrierung eine Abkühlung auf einen Wert unterhalb des AR 1-Punktes folgt, wobei die Abschreckge schwindigkeit so gewählt ist, daß eine Korngrenzenzementitausscheidung vermieden ist, und daß sich der Abkühlung ein Härteprozeß mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 20 bis 80°C pro Minute und einer Haltedauer von 5 bis 15 Minuten bei einer Temperatur von 770 bis 830°C an schließt, dem dann der Anlaßvorgang folgt.

2. Verfahren zur thermochemisch-thermischen Behandlung von Einsatz stählen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Härten und dem Anlaßvorgang eine Tiefkühlung bei einer Temperatur von -70 bis -120°C vorgesehen ist.

3. Nach dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 behandelter Einsatzstahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefüge in der Randzone feinstdisperse intrakristalline Karbidausscheidungen mit einem Flächenteil größer 8% und eine Bruchkorngröße feiner 10 nach Jernkontoret Bruchprobensatz bzw. eine Korngröße feiner 10 nach ASTM E112 aufweist.