DE1204047B

DE1204047B - Verfahren zur Diffusionsbehandlung von Koerpern

Info

Publication number: DE1204047B
Application number: DEE15683A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Berghaus
Original assignee: Elektrophysikalische Anstalt Bernhard Berghaus
Current assignee: Elektrophysikalische Anstalt Bernhard Berghaus
Priority date: 1957-04-10
Filing date: 1958-04-09
Publication date: 1965-10-28

Description

Verfahren zur Diffusionsbehandlung von Körpern Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Diffusionsbehandlung von Körpern, bei denen sich dieselben in einer Umgebung befinden, in welcher die jeweils einzudiffundierende Materialkomponente in gasförmigem, flüssigem oder festem Aggregatzustand vorhanden ist. Die zu behandelnden Körper werden bei der Diffusionsbehandlung üblicherweise auf erhöhte Temperatur gebracht.
Bei den bekannten Diffusionsprozessen, beispielsweise beim Härten von Stahlteilen durch Eindiffundieren von Stickstoff, hat man bereits seit langem die Erfahrung gemacht, daß die Behandlung in zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten mit verschiedener Temperatur der zu nitrierenden Körper gewisse Vorteile bietet. Beispielsweise werden bei dieser sogenannten Stufennitrierung die Stahlkörper zuerst auf eine nahe beim höchstzulässigen Wert gelegene Temperatur erhitzt und während eines ersten Zeitabschnitts von z. B. 25 Stunden behandelt. Dann wird die Temperatur um z. B. 40° C gesenkt - was natürlich wegen der großen Wärmekapazität der üblichen Nitrieröfen mehrere Stunden dauert - und bei dieser niedrigeren Temperatur während eines zweiten Abschnitts von z. B. 30 Stunden weiterbehandelt. Diese Stufennitrierung ergibt bei manchen schwierig zu nitrierenden Stahllegierungen eine merklich größere Eindringtiefe als eine Nitrierung bei konstanter Temperatur während der gleichen Zeit.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es für die Diffusionsbehandlung von Körpern im Hinblick auf die Diffusionsgeschwindigkeit und/oder die Eindringtiefe und/oder die Eigenschaften der behandelten Körper von Nachteil ist, wenn die Behandlung bei konstanter Temperatur oder in zwei Abschnitten mit verschiedenen Temperaturen erfolgt. Es hat sich nämlich bei entsprechenden Untersuchungen gezeigt, daß eine Behandlung bei rhythmisch wechselnder Temperatur wesentlich günstigere Ergebnisse liefert.
Erfindungsgemäß wird daher bei Verfahren zur Diffusionsbehandlung von Körpern, bei welchen sich derselbe in einer die einzudiffundierende Materialkomponente enthaltenden Umgebung befindet und auf erhöhte Temperatur gebracht wird, die Temperatur des zu behandelnden Körpers in vorbestimmtem periodischem Rhythmus erhöht und verringert, wobei z. B. bei Anwendung einer erhitzenden elektrischen Gas- oder Glimmentladung die Perioden der Entladungszeiten mehr als 60 bis 100 Sekunden, vorzugsweise mehr als 10 bis 15 Minuten gewählt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend am Beispiel der Nitrierung von Stahlkörpern in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre mittels einer elektrischen Glimmentladung ausführlicher beschrieben.
Bei der bekannten Nitrierung in einer elektrischen Glimmentladung wurden bisher sorgfältig alle erforderlichen apparativen Maßnahmen getroffen, um die Behandlungstemperatur möglichst konstant zu halten. Es ist zwar bereits vorgeschlagen worden, etwa in der schweizerischen Patentschrift 291360 der Erfinderin, die Behandlungsenergie in Gestalt periodischer Impulse zuzuführen, jedoch nur zum Zweck der stoßartigen Verstärkung der Beaufschlagung der Körperoberfläche mittels der Ladungsträger. Dementsprechend wurde die Impulsdauer auch nur höchstens einige Sekunden lang gemacht. Eine merkliche Erhöhung der Temperatur des zu behandelnden Körpers wurde dabei vermieden oder zumindest auf eine äußerst dünne Oberflächenschicht beschränkt.
Demgegenüber wird beim vorliegenden Verfahren die Körpertemperatur selbst in periodischem Rhythmus erhöht und verringert mit dem Ziel, eine größere Empfangsbereitschaft des Materials des Körpers für die einzudiffundierende Materialkomponente aus der Umgebung zu erzielen. Diese vorteilhafte Wirkung von rhythmischen Temperaturänderungen wurde beim Nitrieren von Stahlkörpern nachgewiesen.
Beim vorliegenden Verfahren, bei dem im Gegensatz zu der bekannten Behandlung in der Glimmentladung mit kurzzeitigen Impulsen die mittlere Körpertemperatur periodischen Änderungen unterworfen wird, kann durch geeignete Wahl der Rhythmen für die Energiezufuhr erreicht werden, daß sowohl eine vorbestimmte Differenz zwischen der Höchsttemperatur und der Tiefsttemperatur erzeugt wird als auch eine vorbestimmte Verweilzeit bei der Höchsttemperatur und/oder der Tiefsttemperatur eingehalten wird. Beispielsweise hat sich ein Unterschied von etwa 50° C zwischen der Höchst- und der Tiefsttemperatur beim Nitrieren als sehr wirksam erwiesen, sowohl in bezug auf die Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit als auch zur Erzielung einer größeren Eindringtiefe als normal und bezüglich der Struktur und technischen Qualität der nitrierten Oberflächenzone.
Bei sehr dicken Werkstücken muß die Temperaturdifferenz und die Verweilzeit derart gewählt werden, daß die erforderlichen Temperaturänderungen in einer Tiefe unter der Oberfläche noch vorhanden sind, die zumindest die Eindringtiefe der betreffenden Stoffkomponente übertrifft, vorteilhafterweise aber weit darüber hinaus reicht.
Die Verweilzeiten bei der Höchsttemperatur und/ oder der Tiefsttemperatur sollen größer als 60 ... 100 Sekunden, vorteilhafterweise größer als 10 ... 15 Minuten gemacht werden. Falls erwünscht, kann die Verweilzeit beim Höchstwert der Temperatur unterschiedlich gegenüber derjenigen beim Tiefstwert gemacht werden. Der Tiefstwert der Temperatur kann bei den einzelnen Temperaturrhythmen angenähert konstant gehalten und der Höchstwert im Laufe der Behandlung geändert werden. Es kann auch die Temperaturdifferenz zwischen dem Höchstwert und dem Tiefstwert angenähert konstant gehalten und der Höchst- bzw. Tiefstwert selbst im Laufe der Behandlung geändert werden.
Beim Nitrieren in einer elektrischen Glimmentladung kann bekanntlich die Temperatur des Körpers sehr einfach und relativ kurzzeitig geändert werden, da lediglich die Wärmekapazität des Körpers hierfür maßgeblich ist, während der Behandlungsofen selbst praktisch ohne Einfluß ist. Aus diesem Grunde ist es hier auch ohne Schwierigkeiten möglich, beim Übergang von der Tiefsttemperatur zur Höchsttemperatur die zugeführte Energie kurzzeitig über den zur Aufrechterhaltung der Höchsttemperatur erforderlichen Energiebetrag hinaus zu steigern, was zu Temperaturstößen führt, die für den Diffusionseffekt vorteilhaft sind. Natürlich können darüber hinaus der Betriebsspannung die aus der schweizerischen Patentschrift 291360 bekannten kurzzeitigen Impulse überlagert werden. Überhaupt ist das vorliegende Verfahren von der verwendeten Stromart unabhängig und kann sowohl mit Gleichstrom, mit Wechselstrom einer geeigneten Frequenz, und mit impulsartig variabler Speisung durchgeführt werden.
Zusätzlich zu den rhythmischen Temperaturänderungen ist es in manchen Fällen vorteilhaft, die Konzentration der einzudiffundierenden gasförmigen Materialkomponente wenigstens zeitweise zu ändern, beispielsweise beim Nitrieren von Stahlkörpern das Stickstoffangebot an der zu nitrierenden Oberfläche zu verringern. Die Konzentrationsänderungen können synchron mit der Temperaturänderung oder auch unabhängig hiervon vorgenommen werden.
Das beschriebene Verfahren ist natürlich keineswegs auf die Nitrierung von Stahlkörpern beschränkt. Vielmehr bietet es für alle Diffusionsbehandlungen bedeutende Vorteile, bei denen aus der Umgebung eine Materialkomponente festen, flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustands in den Körper eindiffundiert werden soll. Bei dieser Materialkomponente kann es sich um nichtmetallische Stoffe, wie Stickstoff, Schwefel, Phosphor, Sauerstoff, Kohlenstoff usw. handeln, oder um metallische Stoffe, wie Kupfer, Nickel, Chrom, Titan, Vanadium, Wolfram, Eisen usw. Auch Verbindungen erwünschter Stoffe können auf die beschriebene Weise in feste Körper eindiffundiert werden.
Das beschriebene Verfahren ist ferner nicht nur für die Diffusionsbehandlung in einer elektrischen Gas- oder Glimmentladung geeignet, wenn auch hierbei die Einstellung der erforderlichen Temperaturrhythmen besonders einfach ist und fast jede beliebige Periodendauer der Rhythmen erzielbar ist. Es lassen sich auch für eine Diffusionsbehandlung mit andersartiger Erhitzung der zu behandelnden Körper die beschriebenen rhythmischen Temperaturänderungen erzielen. Hierzu muß berücksichtigt werden, daß die Verweilzeit auch wesentlich länger als 60 ... 100 Sekunden oder 10 ... 15 Minuten gemacht werden kann, beispielsweise 0,5 bis 2 Stunden. Bei genügend langer Behandlungszeit kann auch eine Periodendauer von vielen Stunden noch den erwünschten Effekt liefern. Infolgedessen kann das beschriebene Verfahren auch bei Diffusionsbehandlung verwendet werden, die eine Erhitzung der zu behandelnden Körper mittels elektrischer Induktion, dielektrischer Erwärmung, Widerstandsheizung oder Heißgasheizung vorsehen.
Bei der Nitrierhärtung eines Stahlkörpers nach dem vorliegenden Verfahren wird derselbe beispielsweise in einer elektrischen Glimmentladung in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre bei einer zwischen 520 und 560° C rhythmisch geänderten Temperatur während einer Zeit von etwa 30 Stunden behandelt. Dabei kann z. B. eine Verweilzeit auf der Höchst-und Tiefsttemperatur von je 15 bis 30 Minuten gewählt werden. Die stickstoffhaltige Atmosphäre sollte zweckmäßigerweise ein Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch sein, beispielsweise NH", oder ein Gemisch aus 30 Volumprozent N2 und 70 Volumprozent H2. Die Zusammensetzung der Gasatmosphäre soll während der ganzen Behandlungsdauer angenähert gleich sein, wozu zweckmäßigerweise ein entsprechender Gasstrom durch das Behandlungsgefäß hindurchgeleitet wird.
Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt, daß durch eine solche Nitrierhärtung in der elektrischen Glimmentladung nicht nur die Oberfläche des behandelten Körpers durch Einlagerung von Stickstoff und Mischkristallbildung gehärtet wird, sondern auch das Kernmaterial eine Veränderung erfährt. Wird beispielsweise die nitrierte Oberfläche des behandelten Körpers abgeschliffen, bis eine von Stickstoff freie Oberfläche erscheint, und dann die Festigkeitseigenschaften des verbleibenden Körpers untersucht, so zeigen sich merkliche Unterschiede gegenüber den Festigkeitseigenschaften vor der Behandlung des Körpers. Beispielsweise ist eine beachtliche Erhöhung der Kerbzähigkeit und eine bedeutende Verbesserung der Dauerstandsfestigkeit nachweisbar.
Es wird angenommen, daß hierbei die Beeinflussung des Kernmaterials durch eindiffundierten atomaren Wasserstoff erfolgt. Wahrscheinlich werden durch den in große Tiefen eindringenden Wasserstoff gewisse unerwünschte Verunreinigungen im Stahl, etwa Spuren von Phosphor, in gasförmige Verbindungen umgewandelt, die entweder weniger nachteilig wie die reinen Fremdstoffe im Stahlgefüge sind, oder aber leicht aus dem Körper herausdiffundieren. Jedenfalls sind solche Veränderungen des Kernmaterials auch bei einer Behandlung der betreffenden Stahlkörper in einer reinen Wasserstoffatmosphäre festgestellt worden, wobei außerdem ein deutlicher Geruch nach Phosphorwasserstoff bzw. Schwefelwasserstoff im Abgas beobachtet wurde.
Die Beeinflussung des Kernmaterials beim vorliegenden Verfahren der rhythmischen Temperaturbehandlung ist natürlich von der Diffusionsgeschwindigkeit der betreffenden Gaskomponente abhängig, weshalb besondere Gase mit niedrigem Atomgewicht vorteilhaft sind. Außer Wasserstoff, dessen Verwendung für den vorliegenden Zweck besonders zweckmäßig ist, können auch andere Gase oder Gasverbindungen mit niedrigem Atomgewicht benutzt werden, etwa Lithiumwasserstoffverbindungen oder Kohlenwasserstoffverbindungen.
Es sei auch darauf hingewiesen, daß das vorliegende Verfahren - wie beim oben beschriebenen Beispiel der Stahlhärtung in einem Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff -gleichzeitig mit einem anderen Diffusionsprozeß durchgeführt werden kann, etwa einer Oberflächenbehandlung der betreffenden Körper. Auch das gleichzeitige Eindiffundieren anderer Stoffe, etwa von Metalldämpfen oder gasförmiger Stoffkomponenten hohen Atomgewichts, ist möglich.
Ferner kann das vorliegende Verfahren als erster Abschnitt eines zeitlich in mehreren Abschnitten nacheinander durchzuführenden Behandlungsverfahrens vorgenommen werden. Hierbei können die betreffenden Körper beispielsweise zuerst eine genügende Zeit in reinem Wasserstoff rhythmisch erhitzt, zwecks Beeinflussung des Kernmaterials, und dann in das gleiche Behandlungsgefäß ein Gas oder ein Dampf eingeleitet, geeignet zur Oberflächenvergütung der betreffenden Körper.
Es ist von großer praktischer Bedeutung, daß beim vorliegenden Verfahren eine Beeinflussung des Kernmaterials von Körpern, vorzugsweise von Metallen, erzielbar ist, ohne daß sich deren Abmessungen merklich ändern. Also können Werkstücke, die bis auf ihre Endtoleranz bearbeitet sind, durch die beschriebene Behandlung in ihrer Kernfestigkeit beeinflußt werden, ohne daß eine Nachbearbeitung nach erfolgter Behandlung erforderlich ist.
Das vorliegende Verfahren der Kernbeeinflussung von Körpern läßt sich auch in Verbindung mit sogenannten Aushärtungsstählen durchführen, bei denen durch eine Erhitzung auf eine vorbestimmte Temperatur eine Verfestigung des Kernmaterials eintritt.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Diffusionsbehandlung von Körpern, bei welchem sich derselbe in einer die einzudiffundierende Materialkomponente enthaltenden Umgebung befindet und auf erhöhte Temperatur gebracht wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Temperatur des zu behandelnden Körpers in vorbestimmtem periodischem Rhythmus erhöht und verringert wird und daß z. B. bei Anwendung einer erhitzenden elektrischen Gas- oder Glimmentladung die Perioden der Entladungszeiten mehr als 60 bis 100 Sekunden, vorzugsweise mehr als 10 bis 15 Minuten, gewählt werden.
2. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Gasnitrierung von eisenhaltigen Körpern die Behandlungstemperatur in vorbestimmtem periodischem Rhythmus geändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rhythmus gewählt wird, durch den sowohl eine vorbestimmte Differenz zwischen der Höchsttemperatur und der Tiefsttemperatur erzeugt wird als auch eine vorbestimmte Verweilzeit bei der Höchsttemperatur und der Tiefsttemperatur eingehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit beim Tiefstwert und beim Höchstwert der Temperatur unterschiedlich groß gemacht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei den einzelnen Temperaturrhythmen der Tiefstwert der Temperatur angenähert konstant gehalten, der Höchstwert der Temperatur aber im Laufe der Behandlung geändert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied zwischen Höchstwert und Tiefstwert der Temperatur angenähert konstant gehalten wird, aber der Höchstwert selbst im Laufe der Behandlung geändert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum 1Jbergang vom Tiefstwert zum Höchstwert der Temperatur die zugeführte Energie kurzzeitig über den zur Aufrechterhaltung des Höchstwerts der Temperatur erforderlichen Energiebetrag hinaus gesteigert wird. B.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den periodischen Rhythmen der Entladungsenergie mindestens zeitweise wesentlich kurzzeitigere Energie-Impulse überlagert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der einzudiffundierenden gasförmigen Materialkomponente wenigstens zeitweise geändert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration angenähert synchron mit den Temperaturrhythmen geändert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in einer Gasatmosphäre mit mindestens einer Gaskomponente niedrigen Atomgewichts durchgeführt und wenigstens die Höchsttemperatur sowie die Behandlungsdauer derart gewählt werden, daß durch die eindiffundierten Gaskomponenten niedrigen Atomgewichts die Eigenschaften des Kernmaterials des Körpers beeinflußt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in einer wasserstofflialtigen Atmosphäre durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Körpern aus Eisen, Stahl und eisenhaltigen Legierungen durch Eindiffundieren von Wasserstoff die Festigkeitseigenschaften des Kernmaterials verbessert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Höchsttemperatur über 500° C erhöht und die Behandlung länger als 10 Stunden durchgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre außer Wasserstoff auch Stickstoff enthält und gleichzeitig mit der Eindiffusion von Wasserstoff zur Beeinflussung des Kernmaterials ein Eindiffundieren von Stickstoff zur Nitrierung der Körperoberfläche erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der wasserstoffhaltigen Atmosphäre ein Metalldampf beigefügt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 904 491; schweizerische Patentschrift Nr. 291360.