DE2228746A1

DE2228746A1 - Verfahren zur Herstellung von bei tiefer Temperatur karbonitnerten Schichten an Eisenlegierungen mit höherem Kohlenstoffgehalt

Info

Publication number: DE2228746A1
Application number: DE19722228746
Authority: DE
Inventors: Bohumil Dipl Ing Vororilova Marcela Prag P Prenosil
Original assignee: Statni Vyzkumny Ustav Materialu
Current assignee: Statni Vyzkumny Ustav Materialu
Priority date: 1971-06-15
Filing date: 1972-06-13
Publication date: 1972-12-21
Also published as: CS149157B1; AT319307B; DE2228746B2; IT959817B

Description

Verfahren zur Herstellung von bei tiefer Temperatur karbonitrierten Schichten anEisenlegierungen mit höherem Kohlenstoffgehalt Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von bei niedriger Temperatur karbonitrierten Schichten an Eisenlegierungen mit höherem Kohlenstoffgehalt.
Beim Karbonitrieren unter niedrigen Temperaturen, das meistens im Bereich der Temperaturen von 570 bis 640 OC durchgeführt wird, entsteht eine Schicht mit einer hohen Reibungs- und Abnutzungsbeständigkeit bei haibtrockener oder trockener Reibung. Außerdem erhöht sich durch Karbonitrieren der Konstruktionsstähle wesentlich ihre Ermüdungsfestigkeit und Kontaktermüdungsbeständigkeit.
Die bei niedriger Temperatur karbonitrierte Schicht weist folgende Komplexstruktur auf: An der Oberfläche bildet sich eine Schicht, die Karbonitrid 6 als eine Haupt-oder einzige Strukturkomponente enthält, wobei dieses Karbonitrid noch Sauerstoff in einer festen Lösung enthalten kann. Unter der Schicht des Karbonitrids e dringt der Stickstoff tief in die innere Diffusionszone im Ferrit des Grundwerkstoffes durch. Bei Temperaturen oberhalb des A1-Punktes des Systems Fe-N entsteht unter der Oberflächenschicht des Karbonitrids oder Oxykarbonitrids 6 noch eine Randschicht von Stickstoffaustenit.
Die Oberflächenschicht des Karbonitrids oder Oxykarbonitrids 6 ist ein Träger der guten Gleiteigenschaften und der Verschleißfestigkeit und trägt ebenfalls zur Erhöhung der Kontaktermüdungsbeständigkeit und unter einer Kerbwirkung ebenfalls zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit insbesondere beim Biegen bei.
Der Durchdringungsbereich des Stickstoffs in den Kern unter der Schicht des Karbonitrids 6 ist ebenfalls ein weiterer wichtiger Träger der Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit und Kontaktermüdungsbeständigkeit.
Bei dem jetzigen Stand kann in einem Zyanid-Zyanat-Bad, und zwar insbesondere nach dem Teniferverfahren karboni-0 triert werden, d. h. unter der Temperatur von ca. 570 C in einem belüfteten Bad und in einem Tiegel mit einer Titaneinlage.
Nach dem Teniferverfahren wird z. B. nach 120 min bei 570 OC eine Schicht von Oxykarbonitrid 6 mit einer Dicke von 10 bis 20 /um erreicht, wobei der Bereich des Eindringens des Stickstoffs in den Kern 0,4 bis 0,8 mm Je nach dem Kohlenstoffgehalt im Stahl und weiter je nach dem Gehalt an Elementen mit einer großen Affinität zum Stickstoff, praktisch insbesondere an Chrom beträgt.
Außerdem kann man im Pulver durch sog. "Pulnitrieren' karbonitrieren. Dieses Verfahren hat sich bis Jetzt nicht merklich verbreitet, und es scheint, daß es keine Garantie zur Bildung von gleichmäßigen Qualitätsschichten verschafft.
Das Karbonitrieren im Zyanid-Zyanat-Bad weist Nachteile auf, zu denen die hohe Giftigkeit der angewendeten Salze, die schwierige und kostspielige Unschädlichmachung deren Abfalles und des Waschwassers, das durch Zyanid verunreinigt wurde, und weiter das langwierige und schwierige Waschen der Reste der Karbonitridsalze von der Qberfläche der zu bearbeitenden Teile gehören. Der Haupt nachteil ist jedoch die schwierige Bestätigung der Wirkung des Zyanid-Zyanat-Bades, die ein häufiges Vorkommen von Schichten schlechter Qualität und ebenfalls eine beträchtliche Ungleichmäßigkeit der Effekte von einzelnen Vorgängen verursacht. Ein weiterer Nachteil ist ebenfalls die Ungeeignetheit des Karbonitrierens im Zyanid-Zyanat-Bad für die Produktion in großen Serien und die Unmöglichkeit der Automatisierung und Mechanisierung des Vorganges.
Die Nachteile des Karbonitrierens im Bad wurden weitgehend durch die tschechoslowakischen Patente Nr. 119 001 und 125 606 beseitigt.
Das Wesen der Erfindung gemäß dem tschechoslowakischen Patent Nr. 119 001 ist ein Verfahren zum Karbonitrieren von Konstruktionsstählen und Gußeisen bei tiefen Temperaturen in Ammoniakatmosphäre im Gemisch mit aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen, das meistens im Bereich der Temperaturen von 600 bis 640 OC durchgeführt wird, wobei die Ammoniak- und Kohlenwasserstoffatmosphäre Wasserdampf zum Sättigen des Karbonitrids mit Sauerstoff enthalten kann. Der Wasserdampf kann der Atmosphäre entweder direkt zugesetzt werden, oder es wird der Atmosphäre Luft zugemischt, aus welcher der Wasserdampf durch Reaktion mit Wasserstoff entsteht, der durch Wärmedissoziation des Ammoniaks gebildet wird.
Die Erfindung nach dem tschechoslowakischen Patent Nr.
125 606 bringt eine weitere Verbesserung, die darin besteht, daß die aus Ammoniak und aliphatischen oder aromatischen Wasserstoffen zusammengesetzte Atmosphäre mit einem Trägergas mit einem hohen Gehalt an Stickstoff und einem niedrigen Gehalt an Wasserstoff, d. h. entweder mit der exothermischen Atmosphäre mit abgetrenntem Kohlendioxid und Wasserdampf und einem Stickstoffgehalt über 90 % oder industriellem Stickstoff gemischt wird.
Durch Mischen der karbonitrierten Atmosphäre mit dem Trägergas mit einem hohen Stickstoffgehalt nach dem Verfahren gemäß dem tschechoslowakischen Patent Nr. 125 606 wird die Erhöhung des thermodynamischen Nitrierpotentials erreicht. Weiter wird eine Verminderung der Tiefe des Oberflächenbereichs der Schicht erreicht, die die unerwünschten Poren enthält.
Beide Verfahren nach den Patenten Nr. 119 001 und 125 606 sind für die Mechanisierung und Automatisierung geeignet, und man kann sie automatisch regulieren, was eine hohe Gleichmäßigkeit der Qualität der Schichten garantiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Karbonitrieren nach den angeführten Patentschriften noch weiter zu verbessern.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von bei tiefer Temperatur karbonitrierten Schichten an Eisenlegierungen in einer Atmosphäre von teilweise dissoziiertem Ammoniak im Temperaturbereich von 550 bis 0 750 C und im Bereich der Ammoniakdissoziation von 35 bis 90 %, ggf. mit einem Zusatz von 20 bis 90 % eines Gases mit hohem Stickstoffgehalt und niedrigem Wasserstoffgehalt, ggf. mit einem Luftzusatz in einer Menge von 5 bis 50 % oder einem Sauerstoffzusatz in einer Menge von 0,2 bis 10 %, ggf. mit einem Wasserdampfzusatz in einer Menge von 0,5 bis 15 % oder einem Kohlendioxidzusatz in einer Menge von 5 bis 60 % oder mit einem Zusatz einer anderen sauerstoffhaltigen Komponente, die ein Sauerstoffäquivalent enthält, das der Sauerstoffmenge entspricht, die in 5 bis 50 % Luft anwesend ist, mit dem Kennzeichen, daß das Sättigen der karbonitrierten Schicht, die eine Struktur des Karbonitrids oder des Oxikarbonitrids 6 hat, mit Kohlenstoff im Verlauf des Karbonitrierens aus dem Kern der karbonitrierten Eisenlegierung, die mindestens 0,1 % C enthält, d. h. vorzugsweise aus dem Kern eines Konstruktionsstahles mit einem Kohlenstoffgehalt über 0,1 % oder aus einem Perlitlegierungskern durchgeführt wird.
Das Verfahren nach der Erfindung beruht auf der Tatsache, daß der Kohlenstoff, der sich ihm Nitrid 6 löst und so das Karbonitrid 6 bildet, bis zu hohen Gehalten in diesem Karbonitrid eine verhältnismäßig niedrige thermodynamische Aktivität hat und sich infolgedessen im Diffusionsfluß des Kohlenstoffs aus dem Kern, wo der Kohlenstoff im Ferrit im thermodynamischen Gleichgewicht mit Zementit ist, in die entstehende Schicht des Nitrids 6 verlagert, wodurch das Nitrid 6 zwangsläufig in das Karbonitrid 6 übergeht.
Dadurch ändert sich das verhältnismäßig weiche Nitrid 6 in Karbonitrid mit einer vorteilhaften hohen Härte, besseren Gleiteigenschaften und höherer Verschleißfestigkeit.
Das Verfahren zur Herstellung von karbonitrierten Schichten nach der Erfindung kann weiter das Prinzip des Luft- bzw. Sauerstoffzusatzes ausnutzen, wobei der Sauerstoff mit dem Wasserstoff der Atmosphäre zu Wasserdampf reagiert. Dadurch vermindert sich der Wasserstoffgehalt, der durch die Dissoziation des Ammoniaks in der Atmosphäre entstanden ist, und weil der Wasserstoff eine denitrierende Komponente ist, erhöht sich das thermodynamische Nitrierpotential der Atmosphäre. Die Erhöhung der Nitrierfähigkeit der Atmosphäre durch den Luft oder Sauerstoffzusatz ermöglicht, den Vorgang unter höherer Ammoniakdissoziation durchzuführen, was zu einer Herabsetzung des Ammoniakverbrauchs führt.
Eine weitere günstige Wirkung wird dadurch erreicht, daß der entstehende Wasserdampf das Karbonitrid 6 mit Sauerstoff sättigt. Weil im Oxykarbonitrid 6 im Vergleich zum Karbonitrid 6 bessere Bedingungen für die Diffusion des Stickstoffes und Kohlenstoffes existieren, erhöht sich unter Anwesenheit des Wasserdampfes die Geschwindigkeit des Schichtwachstums. Der Wasserdampf, der zur Sättigung des Karbonitrids C mit Sauerstoff dient, kann der Atmosphäre ebenfalls direkt, und zwar entweder in Gasform oder durch Tröpfeln des Wassers direkt in den Raum des Ofens zugeführt werden. Anstatt des Wasserdampfes-kann auch Kohlendioxid oder eine andere sauerstoffhaltige Komponente angewendet werden.
Die Methode kann ebenfalls zur Erhöhung des thermodynamischen Nitrierpotentials das Prinzip des Mischens der Atmosphäre mit Stickstoff oder einem Gas mit einem hohen Stickstoffgehalt anwenden.
Als ein Beispiel praktisch erzielter Ergebnisse sei angeführt, daß beim Verfahren nach der Erfindung an einem Konstruktionsstahl mit 0,4 bis 0,5 % C bei einer Temperatur von 620 oC nach 150 min in einer Atmosphäre des von 65 bis 70 * dissozieerten Ammoniaks eine Schicht des Karbonitrids 6 mit einer Dicke von 35 bis 40 /um und einer Härte über 1000 HV entsteht.
Als ein anderes Ausführungsbeispiel sei angeführt, daß gemäß dem Verfahren nach der Erfindung an einem Konstruktionsstahl mit 0,4 bis 0,5 % C bei einer Temperatur von 620 oC nach 150 min in einer Atmosphäre des von 65 bis 70 ffi dissozieerten Ammoniaks bei Luftzusatz eine Schicht von Oxykarbonitrid 6 mit einer Dicke von 50 bis 55 /um und einer Härte über 1000 HV entsteht.
Als weiteres Ausführungsbeispiel sei angeführt, daß gemäß dem Verfahren nach der Erfindung an einem Konstruktionsstahl-mit 0,4 bis 0,5 % C bei einer Temperatur von 620 oC nach 150 min in einer Atmosphäre des von 60 bis 70 % dissoziierten und durch industriellen Stickstoff im Verhältnis 1 : 1 verdünnten Ammoniaks eine Schicht des Karbonitrids 6 mit einer Dicke von 45 bis 50 /um und einer Härte über 1000 HV entsteht.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von bei tiefer Temperatur karbonitrierten Schichten an Eisenlegierungen in einer Atmosphäre von teilweise dissoziiertem Ammoniak im Temperaturbereich von 550 bis 750 OC und im Bereich der Ammoniakdissoziation von 35 bis 90 %, ggf. mit einem Zusatz von 20 bis 90 % eines Gases mit hohem Stickstoffgehalt und niedrigem Wasserstoffgehalt, ggf. mit einem Luftzusatz in einer Menge von 5 bis 50 % oder einem Sauerstoffzusa;tz in einer Menge von 0,2 bis 10 %, ggf. mit einem Wasserdampfzusatz in einer Menge von 0,5 bis 15 % oder einem Kohlendioxidzusatz in einer Menge von 5 bis 60 % oder mit einem Zusatz einer anderen sauerstoffhaltigen Komponente, die ein Sauerstoffäquivalent enthält, das der Sauerstoffmenge entspricht, die in 5 bis 50 % Luft anwesend ist, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Sättigen der karbonitrierten Schicht, die eine Struktur des Karbonitrids oder des Oxikarbonitrids 6 hat, mit Kohlenstoff im Verlauf des Karbonitrierens aus dem Kern der karbonitrierten Eisenlegierung durchgeführt wird, die mindestens 0,1 ffi C enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sättigen mit Kohlenstoff aus dem Kern eines Konstruktionsstahles mit einem Kohlen-stoffgehalt über 0,1 % oder aus einem Perlitlegierungskern durchgeführt wird.