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DE10227521A1 - Bauelement mit einem Bereich aus nichtmagnetischem Stahl und einer magnetischen Randschicht und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Bauelement mit einem Bereich aus nichtmagnetischem Stahl und einer magnetischen Randschicht und Verfahren zu dessen Herstellung Download PDF

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Abstract

Es wird ein Bauelement (5) mit einem Bereich (10, 11) aus nichtmagnetischem Stahl vorgeschlagen, wobei das Bauelement (5) in diesem Bereich (11, 12) oberflächlich zumindest bereichsweise eine magnetische Schicht (12) aufweist, die durch zumindest bereichsweises Nitrieren, Nitrocarburieren, Oxinitrieren oder Oxinitrocarburieren einer Randschicht an der Oberfläche des Bereiches (10, 11) aus nichtmagnetischem Stahl erzeugt worden ist. Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelementes (5) beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einem Bereich aus nichtmagnetischem Stahl, der oberflächlich zumindest bereichsweise eine magnetische Schicht aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelementes nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
  • Bei der Herstellung von lokal variierenden magnetischen Eigenschaften an der Oberfläche von Bauelementen aus Stahl, insbesondere bei der Herstellung von magnetischen und nichtmagnetischen Bereichen an der Oberfläche derartiger Bauelemente, die beispielsweise als Hülsen für Magnetventile in der Kraftfahrzeugtechnik oder als Wellen eingesetzt werden, ist bekannt, ein nichtmagnetisches Bauelement aus austenitischem Stahl umzuformen, und so über eine Erzeugung von Verformungsmartensit lokal in dem Bauteil magnetische Bereiche, die von dem Verformungsmartensit gebildet werden, zu erzeugen. Daneben ist auch bereits bekannt, ein nichtmagnetisches Bauelement mit einem magnetischen Einsatz, beispielsweise durch Eingießen einer Schmelze, Einpressen oder Bördeln zu versehen.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Bauelementes bzw. eines Verfahrens zu dessen Herstellung mit einer lokal begrenzten magnetischen Schicht im Bereich der Oberfläche des Bauelementes auf einem nichtmagnetischen Grundkörper aus Stahl, insbesondere aus austenitischem Stahl.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Bauelement und das erfindungsgemäße Verfahren zu dessen Herstellung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass mittels partiellem Nitrieren, Nitrocarburieren oder Oxinitrocarburieren definiert eine lokal begrenzte magnetische Schicht im Bereich der Oberfläche eines an sich nichtmagnetischen Bauelementes aus Stahl in einfacher Weise erzeugbar ist, ohne dass das Bauelement dabei verformt oder mit einem weiteren Bauteil verbunden werden muss.
  • Gegenüber der Umformung und der Bildung von Verformungsmartensit ergibt sich insbesondere der Vorteil einer wesentlich höheren Prozesssicherheit und einer definierten Abgrenzung der nichtmagnetischen und magnetischen Bereiche des Bauelementes, beispielsweise durch eine definierte lokale Wärmebehandlung. Gegenüber der Verbindung eines nichtmagnetischen Grundkörpers mit einem magnetischen Einsatzkörper weist das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil auf, dass es auf die aufwändige Herstellung und Verbindung von mehreren separaten Einzelkomponenten verzichten kann.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
  • So ist besonders vorteilhaft, dass mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens eine magnetische Randschicht im Bereich der Oberfläche eines an sich nicht magnetischen Grundkörpers durch Nitrieren, Nitrocarburieren oder Oxinitrocarburieren herstellbar ist, die mechanisch besonders hart ist und insbesondere eine Härte von 1000 HV bis 1200 HV aufweist, und die somit auch einen hohen Verschleißwiderstand und gegenüber dem Ausgangszustand des zunächst nichtmagnetischen Bauteils verbesserte Festigkeitseigenschaften aufweist.
  • Über die Dicke der magnetischen Randschicht an der Oberfläche des Bereiches aus nichtmagnetischem Stahl, die über die Nitriertemperatur und die Nitrierdauer in sehr einfacher Weise beeinflusst werden kann, können weiter vorteilhaft die magnetischen Eigenschaften der Randschicht von schwach magnetisch bei geringer Schichtdicke, d.h. im Bereich von 1 μm bis 20 μm, bis stark magnetisch bei entsprechend größeren Schichtdicken von beispielsweise 30 μm bis 300 μm, insbesondere mehr als 50 μm Diffusionsschicht, eingestellt werden.
  • Vorteilhaft ist weiterhin, dass im Rahmen einer weiteren Wärmebehandlung, die der Wärmebehandlung im Laufe des Nitrierens, Nitrocarburierens oder Oxinitrocarburierens bevorzugt folgt dieser aber auch vorausgehen kann, die Verschleißbeständigkeit des behandelten Bauelementes oberflächlich deutlich verbessert werden kann, ohne dass diese weitere Wärmebehandlung zu einer Veränderung der magnetischen Eigenschaften des behandelten, insbesondere austenitischen Stahls führte. Bevorzugt wird das Bauelement dazu einer Temperatur von weniger als 450°C über eine Zeitdauer von weniger als 24 h ausgesetzt.
  • Insofern wird im Rahmen einer ersten Wärmebehandlung, die mit einem Nitrieren, Nitrocarburieren, Oxinitrieren oder Oxinitrocarburieren in dem Bereich aus nichtmagnetischem Stahl, der in eine magnetische Randschicht überführt werden soll, bei einer Temperatur von mindestens 450°, insbesondere 450°C bis 600°C, der behandelte Bereich in eine magnetische Randschicht überführt, während im Rahmen einer zweiten Wärmebehandlung, die der ersten Wärmebehandlung vorausgeht oder dieser nachfolgt und bei der die Temperaturen unterhalb von 450°C verbleiben, auch die nichtmagnetischen Randbereiche des Bauelementes bzw. die nicht zum Überführen in einen magnetischen Bereich vorgesehenen Bereiche des Bauelementes hinsichtlich ihrer Härte und ihrer Verschleißbeständigkeit verbesserte Eigenschaften erhalten.
    •
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt 1 einen Schnitt durch eine Welle mit einer magnetischen Randschicht, 2 einen Schnitt durch eine Hülse mit einer äußeren magnetischen Randschicht und 3 einen Schnitt durch eine Hülse mit einer inneren magnetischen Randschicht.
  • Zur Herstellung eines Bauelementes 5 mit bereichsweise oberflächlich lokal variierenden magnetischen und gegebenenfalls auch mechanischen Eigenschaften geht man zunächst von einem Grundkörper aus, der bevorzugt aus austenitischem Stahl besteht, und der beispielsweise in Form einer Welle 10 oder einer Hülse 11 ausgebildet ist.
  • Insbesondere ist der austenitische Stahl ein Stahl mit der Bezeichnung XSCrNi18.10.
  • Im Ausgangszustand ist dieses Bauelement 5 zunächst insgesamt nichtmagnetisch.
  • Im Weiteren ist nun vorgesehen, dass definierte Oberflächenbereiche des Bauelementes 5 durch eine Nitrierung, wobei darunter hier auch eine Nitrocarburierung oder Oxinitrocarburierung verstanden wird, in magnetischen Stahl überführt werden, so dass das Bauelement 5 magnetische Bereiche oder Schichten 12 aus magnetischem Stahl aufweist bzw. daraus besteht. Entsprechend werden definierte Oberflächenbereiche des Bauelementes 5, die keine magnetischen Eigenschaften aufweisen sollen bzw. in denen diese nicht erforderlich sind, nicht nitriert. Dies erfolgt bevorzugt dadurch, dass diese beispielsweise durch eine Maskierung im Rahmen eines Plasmanitrierens oder durch eine Pastenabdeckung bei einem Gasnitrieren oder Salzbadnitrieren abgedeckt werden. Nach Aufbringen der Maskierung bzw. Abdeckung erfolgt dann eine Wärmebehandlung im Rahmen einer Nitrierung, Nitrocarburierung oder Oxinitrocarburierung in den Oberflächenbereichen des Bauelementes 5, die in magnetischen Stahl überführt werden sollen. Dazu ist im Rahmen eines ersten Ausführungsbeispiels vorgesehen, dass das Bauelement 5 auf eine Nitriertemperatur von 450°C bis 600°C über eine Zeitdauer von 20 min bis 10 h aufgeheizt wird. Anschließend erfolgt dann eine übliche Plasmanitrierung unter Einsatz eines Stickstoff-Wasserstoff-Gemisches, dem gegebenenfalls Argon zugesetzt ist. Optional geht der Plasmanitrierung noch eine zusätzliche Oberflächenbehandlung, insbesondere ein Sputtern unter Wasserstoff-Argon-Gasatmosphäre, zur Verbesserung der Nitrierbarkeit des Bauelementes 5 voraus.
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist alternativ vorgesehen, dass das Bauelement 5 anstelle einer Plasmanitrierung in einem Gas nitriert, nitrocarburiert oder oxinitrocarburiert wird. Dazu wird das Bauelement 5 auf Temperaturen von 450°C bis 600°C über 20 min bis 10 h erwärmt und in einer NH3-Atmosphäre behandelt , wobei dieser gegebenenfalls auch weitere Prozessgase wie N2, H2, H2O-Dampf, Luft, CO, CO, oder ein Endogas zugesetzt sein kann. Je nach Gasatmosphäre bezeichnet man dann diese Behandlung dann als Gasnitrieren (Prozessgas enthält weder Kohlenstoff noch Sauerstoff), Gasoxinitrieren (Prozessgas enthält Sauerstoff), Gasnitrocarburieren (Prozessgas enthält Kohlenstoff) oder Gasoxinitrocarburieren (Prozessgas enthält Kohlenstoff und Sauerstoff).
  • Im Rahmen eines dritten Ausführungsbeispiels kann das Nitrieren auch als Salzbadnitrocarburieren in einer Salzschmelze, beispielsweise einem TENIFER-Bad, ausgeführt werden. Dieses Salzbadnitrocarburieren erfolgt beispielsweise bei einer Temperatur von ca. 570°C über 20 min bis 10 h.
  • Nach Abschluss des Nitrierens, Nitrocarburierens, Oxinitrieren oder Oxinitrocarburierens entsprechend den vorstehenden Ausführungsbeispielen wird das behandelte Bauelement 5 dann auf Raumtemperatur abgekühlt.
  • 1 erläutert ein erstes Ausführungsbeispiel, wobei eine Welle 10 bereichsweise oberflächlich mit einer magnetischen Schicht 12 als Randschicht versehen worden ist. Die 2 erläutert das Erzeugen einer äußeren magnetischen Randschicht 12 am Beispiel einer Hülse 11 und 3 das Erzeugen einer inneren magnetischen Randschicht 12 am Beispiel einer Hülse 11.
  • Den Nitrierverfahren gemäß den vorstehenden Ausführungsbeispielen kann eine weitere Wärmebehandlung vor- oder nachgeschaltet sein, die bei einer Temperatur von weniger als 450°C, beispielsweise in den erläuterten, beim Nitrieren eingesetzten Gasatmosphären erfolgt.
  • Auf diese Weise wird zwar der nichtmagnetische Stahl in dem behandelten Bereich des Bauelementes 5 nicht in magnetischen Stahl überführt, diese Wärmebehandlung führt jedoch insgesamt zu einer verbesserten Verschleißbeständigkeit der Oberflächen des Bauelementes 5, die aus Stahl bestehen.
  • Der Nachweis, dass ein Bereich aus nichtmagnetischem Stahl des Bauelementes 5 oberflächlich bereichsweise in eine magnetische Randschicht überführt worden ist, kann beispielsweise mit Hilfe einer Phasenanalyse, Glimmentladungsspektroskopie, Elektronenstrahlmikroanalyse oder auch metallographisch erfolgen.

Claims (10)

  1. Bauelement mit einem Bereich aus nichtmagnetischem Stahl, wobei das Bauelement in diesem Bereich oberflächlich zumindest bereichsweise eine magnetische Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Schicht (12) durch zumindest bereichsweises Nitrieren, Nitrocarburieren, Oxinitrieren oder Oxinitrocarburieren einer Randschicht an der Oberfläche des Bereiches (10, 11) aus nichtmagnetischem Stahl erzeugt worden ist.
  2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (5) ein Grundkörper aus austenitischem Stahl, insbesondere eine Welle (10) oder eine Hülse (11), ist.
  3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich ein Teil der Oberfläche des Bereiches (10, 11) aus nichtmagnetischem Stahl durch das Nitrieren, Nitrocarburieren oder Oxinitrocarburieren in die magnetische Schicht (12) überführt worden ist.
  4. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Schicht (12) eine gegenüber dem Bereich (10, 11) aus nichtmagnetischem Stahl erhöhte Härte und einen erhöhten Verschleißwiderstand aufweist.
  5. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Schicht (12) eine Dicke von 1 μm bis 300 μm, insbesondere 5 μm bis 100 μm, aufweist.
  6. Verfahren zur Erzeugung eines Bauelements mit einem Bereich aus nichtmagnetischem Stahl, wobei das Bauelement in diesem Bereich oberflächlich zumindest bereichsweise mit einer magnetischen Schicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (10, 11) aus nichtmagnetischem Stahl oberflächlich zumindest bereichsweise derart nitriert, nitrocarburiert, oxinitriert oder oxinitrocarburiert wird, dass eine Randschicht (12) an der Oberfläche des Bereiches (10, 11) aus magnetischem Stahl entsteht.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (10, 11) aus nichtmagnetischem Stahl vor dem Nitrieren, Nitrocarburieren, Oxinitrieren oder Oxinitrocarburieren bereichsweise mit einer Maskierung oder einer Pastenabdeckung versehen wird, so dass lediglich über die Maskierung oder die Pastenabdeckung zugängliche Oberflächenbereiche aus nichtmagnetischem Stahl in Randschichten (12) aus magnetischem Stahl überführt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Nitrieren, Nitrocarburieren, Oxinitrieren oder Oxinitrocarburieren mit Hilfe eines Plasmas, in einer Reaktivgasatmosphäre oder in einem Salzbad unter erhöhter Temperatur erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitrieren, Nitrocarburieren, Oxinitrieren oder Oxinitrocarburieren mit einer ersten Wärmebehandlung des Bauelements (5) verbunden ist, wobei das Bauelement (5) zumindest oberflächlich einer Temperatur von mindestens 450°C, insbesondere 450°C bis 600°C, ausgesetzt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach der ersten Wärmebehandlung eine weitere Wärmebehandlung erfolgt, bei der das Bauelement (5) einer Temperatur von weniger als 450°C ausgesetzt wird.
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