Titel:

Verfahren und Einrichtung zum örtlich begrenzten Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche eines Bauteils

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum örtlich begrenzten Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche eines eisenmetallischen Bauteils sowie ein solches Bauteil selbst, das insbesondere ein korrosionsbeständiges Stahlbauteil ist.

Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf solche Bauteile aus vorzugsweise korrosionsbeständigen Stählen, die nach einer Oberflächenhärtung durch Nitrieren oder Nitrocarburieren in der Weiterverarbeitung durch Schweißen gefügt werden sollen. Wenn im Folgenden von Nitrieren die Rede ist, so gilt Entsprechendes auch für ein Nitrocarburieren. Wenn im Folgenden von einem Nitrierungsschritt die Rede ist, so gilt Entsprechendes auch für einen Nitrocarburierungsschritt. Daneben ist die erfindungsgemäße Lösung auch anwendbar auf Niedertemperaturverfahren, wie Kolsterisieren, das sogenannte Expanded Austenite Verfahren, das S-Phase Verfahren und dergleichen. Die hier interessierenden eisenmetallischen Bauteile, beispielsweise Kraftstoffinjektoren, werden gewöhnlich zwecks Verbesserung des Verschleißverhaltens sowie zur Erhöhung der statischen Festigkeit und Schwingstabilität bei zu erwartendem geringen Verzug der Bauteile nitriert oder nitrocarburiert.

Stand der Technik

Das Nitrieren oder Nitrocarburieren ist ein allgemein bekanntes Härtungsverfahren unter Verwendung von Stickstoff. Dabei entsteht eine Oberflächenschicht, die bis etwa 500 °C beständig ist. Das Verfahren wird in der Regel bei Temperaturen von 500 bis 520 °C im Rahmen von Behandlungszeiten von 1 bis 100 Stunden durchgeführt, wobei der Kern des Werkstoffs ferritisch bleibt und ebenso die Bildung von oberflächennahem Austenit durch Eindiffusion von Stickstoff vermieden wird. Die mit diesem Verfahren im Plasma, im Gas, im Niederdruck oder im Salzbad hergestellten Nitrierschichten sind aber bezüglich der Schweißeignung nachteilhaft, da der vom Bauteil aufgenommene Stickstoff zu einer erhöhten Porenbildung und damit zu einer Schwächung einer hierauf aufgebrachten Schweißnaht führt. Insbesondere auch an kritischen Bauteilbereichen, wie beispielsweise Gewindegängen oder im Bereich von Presspassungen, kann es aufgrund einer erhöhten Härte von Nitrierschichten zu einem Ausbrechen von Schichtbereichen und damit zu einem verstärkten Verschleiß kommen. Die dabei entstehenden Materialpartikel können aber auch an anderer Stelle einer das Bauteil umfassenden Baugruppe zu einem abrasiven Verschleiß führen oder enge Bohrungen, wie beispielsweise Spritzlöcher in Einspritzsystemen verschließen.

Aus der DE 10 2015 2013 068 Al geht ein derartiges Verfahren zum Nitrieren eines eisenmetallischen Bauteils hervor. Dabei wird das Bauteil in einer ersten Nitrierphase hinreichend erwärmt und an seiner Oberfläche wird ein stickstoffabgebendes Prozessgas vorgelegt, so dass Stickstoff durch die Oberfläche in das Bauteil diffundiert, wobei in der ersten Nitrierphase eine Eisennitrid-haltige Verbindungsschicht ausgebildet wird. Diese Verbindungsschicht wird in einer anschließenden Abbauphase durch Wärmebehandlung wieder teilweise aufgelöst, um eine über die Oberfläche gleichmäßig verteilte Verbindungsschicht zu schaffen.

Gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik wird ein örtlich begrenztes Nitrieren oder Nitrocarburieren einer Bauteiloberfläche bislang dadurch erreicht, dass beispielsweise beim Plasmanitrieren beziehungsweise Plasmanitrocarburieren einfache mechanische Abdeckungen verwendet werden. Die Entstehung eines so genannten Plasmasaums wird hierdurch verhindert. Ohne den Plasmasaum kann keine Nitrierwirkung mit dem Plasmanitrieren beziehungsweise Plasmanitrocarburieren erreicht werden. Nachteilig ist aber, dass schmale Bohrungen mit einem Durchmesser von unterhalb 8 bis 10 mm oder Bohrungsverschneidungen nur unzureichend oder gar nicht nitriert werden können, da sich auch in diesen geometrischen Bereichen der Plasmasaum schlecht oder gar nicht ausbildet. Aus diesem Grund werden beim Gas- oder Niederdrucknitrieren üblicherweise aus Kupferwerkstoffen bestehende Abdeckungen, wie Hülsen oder Hauben oder auch Abdeckpasten verwendet. Das Aufbringen von Abdeckungen oder Abdeckpasten ist recht aufwändig und im Falle von Abdeckpasten bleiben auch Rückstände am Bauteil haften, welche nach einem Nitrieren wieder abgereinigt werden müssen. Darüber hinaus können Innengewinde oder auch schmale Bohrungen und Bohrungsverschneidungen nur schwer automatisiert mit einer Abdeckpaste geschützt werden. Daher werden solche speziellen Geometriebereiche gewöhnlich händisch mit einer Abdeckpaste versehen, was wiederum mit dem Risiko einer nicht vollständigen Schutzwirkung infolge von Behandlungsfehlern verbunden ist.

Es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum örtlich begrenzten Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche eines eisenmetallischen Bauteils zu schaffen, welches in fertigungstechnisch einfacher Weise reproduzierbar ist und sich nachreinigungsfrei sowie nacharbeitsfrei automatisiert durchführen lässt.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich einer das Verfahren durchführenden Einrichtung wird auf Anspruch 9 verwiesen. Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes eisenmetallisches Bauteil wird explizit in Anspruch 7 angegeben. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche widmen sich vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass zum örtlich begrenzten Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche eines eisenmetallischen Bauteils zunächst in einem Passivierungsschritt mindestens eine nitrierfrei zu haltende Teiloberfläche dadurch erzeugt wird, dass unter Luftoder Sauerstoffatmosphäre eine Oxide oder Mischoxide bildende Temperatur innerhalb einer hinreichend langen Zeit auf die Teiloberfläche einwirkt. Es wird also eine lokale Erhitzung der Bauteiloberfläche so lange vorgenommen, bis sich hierauf eine Oxidschicht gebildet hat. In einem anschließenden Nitrierungsschritt wird die Oberfläche unter Vorlegen eines stickstoffabgebenden Prozessgases derart erwärmt, dass die Oberfläche außerhalb der passivierten Teiloberfläche nitriert wird.

Mit anderen Worten gestattet es die erfindungsgemäße Lösung durch eine gezielte Ausbildung von Oxiden oder Mischoxiden mithilfe einer lokalen am Bauteil durchgeführten Temperatur-Zeit-Folge eine dortige Passivierung gegen eine anschließende Nitrierung zu bewirken. Im Bereich der passivierten Teiloberfläche ist die Stickstoffaufnahme während des Nitrierens zumindest so stark reduziert, dass die passivierte Teiloberfläche beispielsweise schweißbar bleibt. Je nach Prozessparametern kann eine Stickstoffaufnahme im Bereich passivierter Teiloberflächen sogar vollständig verhindert werden. Außerdem weist eine passivierte Teiloberfläche eines eisenmetallischen Bauteils darüber hinaus auch eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zum Grundwerkstoff auf.

Vorzugsweise wird durch die Temperatur-Zeit-Folge im Passivierungsschritt eine Schichtdicke an Oxiden oder Mischoxiden von > 500 nm, vorzugsweise > 100 nm erzeugt. Diese letztgenannte relativ geringe Schichtdicke ist bereits hinreichend, um die mit der erfindungsgemäßen Lösung verbundenen Vorteile sicherzustellen. Im Rahmen der Temperatur-Zeit-Folge des Passivierungsschritts wird auf die Teiloberfläche eine Oxidierungstemperatur zwischen 500 °C und 680 °C, vorzugsweise zwischen 520 °C und 600 °C aufgebracht. Insbesondere im Vorzugsbereich lässt sich innerhalb relativ kurzer Prozesszeit eine hinreichend starke Schichtdicke, wie vorstehend angegeben, erzielen. Wird die Temperatur über die obere Bereichsgrenze hinaus weiter erhöht, so lässt sich keine kontrollierte Oxidierung zur Erzeugung einer gewünschten Schichtdicke erzeugen. Über die untere Bereichsgrenze hinweg kommt dagegen eine Oxidierung nicht oder erst über einen langen Zeitraum in Gang. Der optimale Zeitraum des Passivierungsschritts liegt im Rahmen der Temperatur-Zeit-Folge bei > 90 s, vorzugsweise > 25 s. Kleinere Zeitdauern bei entsprechend höheren Temperaturen führen, wie bereits vorstehend erwähnt, zu einem unkontrollierten Oxidieren, wohingegen längere Zeiträume eine fertigungstechnisch nachteilhafte längere Verfahrenszeit verursachen würden. Gemäß einer die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, die zu passivierende Teiloberfläche vor dem Passivierungsschritt derart zu maskieren, dass nur die Oberfläche außerhalb der zu passivierenden Teiloberfläche des Bauteils abgedeckt wird. Hierdurch können scharf von der übrigen Oberfläche des Bauteils abgegrenzte passivierte Teiloberflächen geschaffen werden. Die Abdeckmittel garantieren darüber hinaus auch eine Reproduzierbarkeit in hoher Qualität. So dient diese Maßnahme zum Reduzieren oder Verhindern einer ungewollten Erwärmung eines später zu nitrierenden Bereichs oder zur Verbesserung der Trennschärfe zwischen passivierter und aktiver Teiloberfläche.

Im Bereich von zu passivierenden Bohrungen kann insbesondere ein stiftförmiger Induktor verwendet werden, der nach Einführung die Innenmantelfläche der Bohrung erhitzt. Darüber hinaus ist es auch denkbar die für die Passivierung erforderliche Wärme per Kontaktieren der zu passivierenden Teiloberfläche einzubringen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass kein Luftabschluss entsteht, um die Oxidation der Bauteiloberfläche nicht zu behindern. Eine lokale Wärmeeinbringung kann darüber hinaus auch mittels Elektrodenstrahler, Laserstrahler und/oder Infrarotstrahler mit oder ohne zusätzliche Maskierung durchgeführt werden.

Gemäß einer die Maskierung nur der zu passivierenden Teiloberfläche verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, die hierfür vorgesehenen Abdeckmittel zusätzlich mit Kühlkanälen zu versehen. So kann beispielsweise eine flache Abdeckplatte rückwärtig oder integriert mit Kühlkanälen versehen werden. Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass die Abdeckmittel zur Maskierung aus einem für den Passivierungsschritt temperaturbeständigen Material hoher Wärmeleitfähigkeit zu verwenden, beispielsweise Metallmaskierungen aus Stahl oder Kupfer. Neben einer Abdeckplatte mit oder ohne zusätzlichen Kühlkanälen kann als Abdeckmittel auch ein Hohlkörper verwendet werden, der von einem Kühlmittel durchflossen wird.

Während des Passivierungsschritts wird der auf der Oberfläche bereits vorhandene Sauerstoff in Form von Sauerstoffverbindungen oder der Sauerstoff aus einer umgebenden Gasatmosphäre zusammen mit den daran beteiligten Legierungselementen in Oxide und/oder Mischoxide überführt. Je nach zu erreichender Schichtdicke kann die Temperatur sowie die Haltedauer nach Maßgabe der vordefinierten Temperatur-Zeit-Folge gesteuert oder geregelt werden.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, den Passivierungsschritt nach Beendigung durch eine Kühlung des Bauteils abrupt abzubrechen. Hierfür eignet sich eine einfache Luftstromkühlung oder eine Inertgaskühlung. Letzterenfalls kann beispielsweise Stickstoff, Argon oder Helium verwendet werden. Daneben ist es auch denkbar eine Abkühlung durch Wärmeleitung innerhalb des Bauteils infolge einer Selbstabkühlung herbeizuführen, falls entsprechend hinreichende Temperaturdifferenzen im Bauteil nach dem Passivierungsschritt bestehen. Prinzipiell kann die Abkühlung unter lüft- oder sauerstoffhaltigen Atmosphären oder vorzugsweise unter den vorgenannten Inertgasbedingungen oder auch unter Nitrierbedingungen, beispielsweise mit Ammoniak, Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Lachgas, Stickstoff, Spaltgas und/oder Wasserstoff sowie Mischungen daraus oder unter einem Niederdruck bis hin zu Vakuum erfolgen. Daran anschließend kann das eisenmetallische Bauteil oder mehrere auf diese Art im Passivierungsschritt vorbehandelte Bauteile einem gewöhnlichen Nitrierprozess unterzogen werden.

Als eisenmetallisches Bauteil zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich ein Bauteil, das sich der Bauteilgruppe legierter Einsatzstähle, legierter Arbeitsstähle oder korrosionsbeständiger Stähle zuordnen lässt und eine Legierungszusammensetzung enthält, die ausgewählt ist aus einer Elementgruppe, umfassend: Aluminium, Calcium, Chrom, Kobalt, Kupfer, Magnesium, Mangan, Molybdän, Nickel, Silizium, Titan, Zink sowie Mischungen daraus, welche mehr als 3 Massen-% der Legierung aufweisen.

Eine das Verfahren durchführende Einrichtung zum örtlich begrenzten Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche eines solchen eisenmetallischen Bauteils umfasst ein auf die zu passivierende Teiloberfläche baulich und funktional angepasste Wärmeeinbringeinheit, beispielsweise einen Induktor für Bohrungsbereiche oder einen Infrarotstrahler für flache Oberflächenbereiche, der an eine Steuereinheit angeschlossen im Passivierungsschritt eine entsprechende Teiloberfläche nach Maßgabe einer vorgegebenen Temperatur-Zeit-Folge erwärmt, um aus dem in der Umgebung vorhandenen Sauerstoff eine Oxid- oder Mischoxidschicht auf der nitrierfrei zu haltenden Teiloberfläche zu erschaffen. Die Umgebung des Bauteils wird anschließend mit einem stickstoffabgebenden Prozessgas befüllt, um mit derselben oder einer anderen Wärmeeinbringeinheit, beispielsweise einem Infrarotstrahler die Oberfläche außerhalb der passivierten Teiloberfläche in an sich bekannter Weise zu nitrieren. Dabei dringt Stickstoff nicht oder nur sehr wenig in die zuvor passivierte Teiloberfläche des Bauteils ein.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Ausführungsbeispiele

Es zeigt:

Fig. 1: einen schematischen Längsschnitt eines mit Abdeckmitteln versehenen Bauteils zur Erzeugung einer auf einer flachen Teiloberfläche lokal zu erzeugenden Passivierungsschicht,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein eisenmetallisches Bauteil mit einer in einem Bohrungsbereich zu passivierenden Teiloberfläche;

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Illustration des Verfahrens unter Verwendung einer exemplarischen Temperatur-Zeit-Folge zum Passivieren und anschließendem Nitrieren eines Bauteils, und

Fig. 4 eine vergleichende graphische Darstellung des Stickstoffgehalts einer nitrierten Oberfläche mit und ohne lokaler Passivierung.

Gemäß Fig. 1 soll bei einem eisenmetallischen Bauteil 1 eine Teiloberfläche 2 einer in diesem Ausführungsbeispiel flachen Oberfläche 3 frei von einer in einem an sich bekannten Nitrierungsverfahren erzeugten Nitrierschicht bleiben. Hierzu wird zunächst mit einer lokalen Wärmeeinbringungseinheit 4 in Form eines Infrarotstrahlers im Rahmen eines Passivierungsschritts I. unter Luft- oder Sauerstoffatmosphäre O2 eine Erwärmung der Teiloberfläche 2 nach Maßgabe einer elektronischen Steuereinheit 5 durchgeführt, welche anhand einer vorgegebenen - nachfolgend detaillierter erläuterten - Temperatur-Zeit-Folge die Erwärmung derart vornimmt, dass sich auf der Teiloberfläche 2 eine Schicht aus Oxiden oder Mischoxiden bildet.

Zur zusätzlichen Maskierung der Teiloberfläche 2 im Passivierungsschritt I. sind bei diesem Ausführungsbeispiel Abdeckungsmittel vorgesehen, welche hier als Abdeckplatte 6 mit integrierten Kühlkanälen 7 ausgebildet sind.

Nach Abschluss des Passivierungsschritts I. und Entfernung der Maskierung wird im Rahmen des darauf folgenden Nitrierungsschritts II. durch die Wärmeeinbringungseinheit 4 die gesamte flache Oberfläche 3 des Bauteils 1 unter Stickstoff abgebendem Prozessgas derart erwärmt, dass sich in an sich bekannter Weise eine Nitrierschicht über die Oberfläche 3 mit Ausnahme der passivierten Teiloberfläche 2 ausbildet.

Bei dem in Fig. 2 illustrierten alternativen Ausführungsbeispiel soll bei einem eisenmetallischen Bauteil 1‘ der obere Bereich einer Bohrung la‘ als Teiloberfläche 2‘ frei von einer Nitrierschicht gehalten werden, wohingegen die äußere flache Oberfläche 3‘ mit einer Nitrierschicht versehen werden soll. Hierzu wird im Rahmen des Passivierungsschritts I. eine als Induktor ausgebildete Wärmeeinbringungseinheit 4‘ in den Bereich der Bohrung la‘ eingeführt und unter Luft- oder Sauerstoffatmosphäre O2 entsteht die angestrebte lokale Oxid- oder Mischoxidschicht im Bereich der zylindrischen Teiloberfläche 2‘. Durch Hubbewegung dieser Wärmeeinbringungseinheit 4‘ kann auch der gesamte Bereich der Bohrung la‘ entsprechend passiviert werden.

Der nachfolgende Nitrierungsschritt II. wird wie vorstehend zu Fig. 1 beschrieben durchgeführt, so dass sich auf der äußeren Oberfläche 3‘ mit Ausnahme der passivierten Teiloberfläche 2‘ im Bereich der Bohrung la‘ eine Nitrierschicht unter dem Stickstoff abgebenden Prozessgas ausbildet. Die Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung einer exemplarischen Temperatur- Zeit- Folge, welche durch die vorstehend angegebene Steuereinheit im Rahmen des initialen Passivierungsschritts I sowie des nachfolgenden Nitrierungsschritts II an die Wärmeeinbringungseinheit 4 bzw. 4‘ vorgegeben wird. Die Temperatur- Zeit- Folge ist beispielhaft auf das vorstehende Ausführungsbeispiel bezogen.

Dementsprechend wird zunächst im Rahmen des Passivierungsschritts I. eine Erwärmung bis auf 600 °C vorgegeben, welche hier über einen Zeitraum von etwa 25 s gehalten wird, um auf der entsprechenden Teiloberfläche einer Oxid- oder Mischoxidschicht von ca. 100 nm zwecks Passivierung auszubilden. Anschließend wird die Bauteiltemperatur stufenweise erhöht und im Rahmen des nachfolgenden Nitrierungsschritts II. bis auf etwa 500 °C über eine solche Zeitdauer gehalten, bis sich eine gewünscht dicke Nitrierschicht auf der Bauteiloberfläche außerhalb der passivierten Teiloberfläche ausgebildet hat. Dieser Nitrierungsschritt II. kann dementsprechend mehrere Stunden andauern.

Die graphische Darstellung gemäß Fig. 4 beschreibt den Verlauf der Schichtdicke einer Nitrierschicht im Bereich einer lokal passivierten Teiloberfläche (Strichlinie) im Vergleich zu einer unbehandelten Oberfläche (Volllinie) eines aus einem korrosionsbeständigen Stahl mit bereits 0,3 Ma-% Stickstoff im Grundwerkstoff. Die Ordinate des Koordinatensystems gibt den Stickstoffgehalt in Ma.-% nach Durchführung des Nitrierungsschritts an. Bei diesem Beispiel ergibt sich im Bereich der unbehandelten Oberfläche ein anfänglich um das 6-fache höhere Stickstoffgehalt, als an der lokal passivierten Teiloberfläche, deren Stickstoffgehalt materialbedingt bei ca. 0,3 Ma.-% verharrt. Durch den über den erfindungsgemäßen Passivierungsschritt auf der Teiloberfläche erzielbaren gleichbleibend geringen Stickstoffgehalt lässt sich hierüber beispielsweise eine Verschweißung des ansonsten nitrierten Bauteils durchführen.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, maskierende Abdeckungen anderer Formen zu nutzen, um unterschiedlich gestaltete Teilbereiche an Werkstoffoberflächen für eine Passivierung von übrigen Oberflächenbereichen abzugrenzen. Dies entfällt gewöhnlich bei Teiloberflächen, welche durch die Bauteilgeometrie von anderen Oberflächen abgegrenzt sind, wie beispielsweise Bohrungsinnen- bereiche und dergleichen. Außerdem richtet sich die Auswahl einer geeigneten

Wärmeeinbringungseinheit nach Form und Größe der zu behandelnden Oberflächenbereiche. Alle vorstehend und in den Ansprüchen für ein Nitrieren beschriebenen Inhalte gelten gleichfalls auch für ein Nitrocarburieren.