Titel:

Verfahren zum Wärmebehandeln von Chromstählen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln von Chromstählen, insbesondere hochlegierten Chrom-x-Stählen, durch Gas- Nitrieren sowie ein insbesondere aus einem solchen Herstellungsverfahren resultierendes Kraftfahrzeugbauteil.

Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Kraftfahrzeugtechnik sowie den Werkzeugbau. Verschleiß- und schwingungsbelastete Kraftfahrzeugbauteile aus hochlegiertem Chromstahl, also einem Stahlmaterial mit dem Hauptlegierungsbestandteil Chrom, werden gewöhnlich zur Erzielung der gewünschten Bauteileigenschaften nach dem obligatorischen martensitischen Härten angelassen, aktiviert und nitriert. Typischerweise bestehen derartige Bauteile aus speziell hochlegierten Chromstählen, wie beispielsweise X40CrMov5-l, X50CrMov5-l sowie X90CrW18 und werden im hier vornehmlich interessierenden Kraftfahrzeugtechnikbereich beispielsweise eingesetzt als Bauteile von Ventilen, Drosseln oder Kolben-Zylinder-Anordnungen in Hochdruckanwendungen.

Stand der Technik

Gemäß dem technischen Merkblatt „Wärmebehandlung von Stahl - Nitrieren und Nitrocarburieren“ (Herausgeber: Stahl-Informations-Zentrum Düsseldorf, Ausgabe 2005, ISSN 0175-2006) erfolgt das klassische Gas-Nitrieren von niedrig- und hochlegierten Stählen der hier interessierenden Art in mehreren Schritten. Es wird zunächst ein Härten, dann mehrere Anlasssequenzen bei meist unterschiedlichen Temperaturen und Zeiten, danach ein Aktivieren der Bauteiloberfläche als separater Prozess vor dem eigentlichen Nitrieren durchgeführt. Dabei können zwischen dem aus Härten und Anlassen bestehenden Vergütungsprozess und dem anschließenden Aktivier- und (Gas)- Nitrierprozess mehrere Stunden, Tage oder gar Wochen vergehen.

Niedrig- und hochlegierte Stähle weisen stets eine natürliche dünne Oxidschicht von wenigen Nanometern auf, die sich an normaler Luft und/oder unterschiedlichen Wasserdampfgehalten auch schon bei Raumtemperatur stabil ausbildet. Diese Oxidschicht besteht aus den sauerstoffaffinen Legierungselementen Chrom, Molybdän, Vanadium, Silizium, Aluminium und Eisen sowie anderen oxidationsfähigen Legierungselementen des Stahlwerkstoffs.

Diese Legierungselemente sind somit nicht mehr im Kristallgitter gelöst und beeinträchtigen als dünne Oxidschicht ein Eindiffundieren von atomarem Stickstoff bei den anschließenden Nitriertemperaturen im Bereich zwischen 400 bis 600°C negativ bis vollständig. Inhomogene Verbindungsschichten sowie Diffusionsschichten mit nicht gewünschten unterschiedlichen mechanischen, elektrischen, magnetischen und chemischen funktionalen Eigenschaften sind die Folge. Gewöhnlich werden diese dünnen Oxidschichten vor dem eigentlichen Nitrierprozess chemisch über Beizen mit einer Säure, elektrisch über Anlegen einer elektrischen Spannung zum Aufschließen der Oxidschicht oder mechanisch über eine Oberflächenbearbeitung durch beispielsweise Bürsten, Schleifen oder Honen, oder dergleichen entfernt. Dieser Bearbeitungszwischenschritt zwischen dem Vergüten und einem anschließenden Nitrieren erfordert einen entsprechend hohen Fertigungs- und Zeitaufwand. Zusätzlich ist nicht sichergestellt, dass alle Oberflächenbereiche entsprechend bearbeitet wurden.

Beim Gesamtprozess der Wärmebehandlung wird die Kernhärte des Bauteils entsprechend der funktionalen Anforderungen durch die mindestens einen Anlassschritt über die Anlasstemperatur eingestellt. Im Rahmen eines metallurgischen Anlassschritts wird das Bauteil gewöhnlich gezielt erwärmt, um seine Eigenschaften zu beeinflussen, auch um Werkstückspannungen abzubauen. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein aus Vergüten und Gas- Nitrieren bestehendes Wärmebehandlungsverfahren von gehärteten Chromstählen zu schaffen, bei dem das übliche Anlassen und Aktivieren entfällt und sich die Kernhärte des Bauteils variabel einstellen lässt.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Wärmebehandeln gemäß Anspruch 1 gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Der nebengeordnete Anspruch 10 spezifiziert das Product-by-Process-Resultat des Anspruchs 1 auf spezielle Kraftfahrzeugbauteile.

Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass ein Wärmebehandeln von Chromstählen, insbesondere hochlegierten Chrom-x- Stählen, durch Gas-Nitrieren die folgenden Prozessschritte umfasst:

(A) Aufheizen eines aus einem Chromstahl bestehenden zuvor gehärteten Bauteils unter Stickstoffatmosphäre von einer Umgebungstemperatur Tu auf dessen materialspezifische Voroxidationstemperatur Tv zur Durchführung eines Voroxidationsschritts;

(B) Durchführung mindestens eines Anlassschritts unter Zugabe eines Nitrierprozessgases zur Stickstoffatmosphäre um das Bauteil;

(C) weiteres Aufheizen des Bauteils auf dessen materialspezifischer Anlasstemperatur TA und Halten derselben über vorzugsweise mindestens eine Stunde;

(D) Abkühlen des Bauteils auf dessen materialspezifische Nitriertemperatur TN zum Gas-Nitrieren des Bauteils; und

(E) weiteres Abkühlen des Bauteils auf die Umgebungstemperatur Tu. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass die funktional wichtige Kernhärte des Werkstoffs nun unabhängig von der Nitriertemperatur frei eingestellt werden kann. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Verfahren für eine breitere Anwendung nutzbar gemacht werden. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht das Einstellen der Kernhärte unabhängig von der benötigten Nitriertemperatur. Denn beim Nitrieren zwischen 480 - 600 °C ergibt sich die Kernhärte nur zwischen 620 HV1 - 460 HV1 entsprechend der Nitriertemperatur. Eine unabhängige Wahl der Kernhärte von beispielsweise 200 - 440 HV1 ist nicht möglich, da das Nitrieren oberhalb einer werkstoffspezifischen Grenze zu funktional schlechtem Gefüge führt.

Vorzugsweise wird die Voroxidationstemperatur des Schritts (A) im Bereich zwischen 300 bis 450°C, vorzugsweise im Bereich zwischen 350 bis 450°C, gewählt. Die Bereichsbreite ergibt sich aus verschiedenen Materialeigenschaften des zuvor gehärteten Stahlbauteils und ist insoweit von dessen Legierungselementen abhängig. Versuche haben ergeben, dass der genannte Vorzugsbereich mit einer höheren unteren Bereichsgrenze für die Voroxidationstemperatur eine höhere Energieeffizienz bietet, da der Energieeintrag zum anschließenden weiteren Aufheizen nach dem Anlassschritt geringer ausfällt. Zusätzlich wird die Voroxidationstemperatur entsprechend den zu bildenden diffusiondurchlässigen Oxiden verwendet. Während des Aufheizens verhindert die Stickstoffatmosphäre eine Oberflächenoxidation.

Vorzugsweise sollte im direkten Anschluss an das Aufheizen das Anlassen des Schritts (B) gestartet werden, also ab Erreichen der Voroxidationstemperatur, jedoch spätestens ab einer Bauteiltemperatur zwischen 350 bis 450°C bei einer möglichst homogenen Temperaturverteilung im Ofen. Der letztgenannte Steuerungsparameter kann zur vereinfachten Steuerung des Temperaturverlaufs herangezogen werden. Die Voroxidation kann über synthetische Luft, Atmosphäre oder sauerstoffhaltige Gase durchgeführt werden. Der Start des Anlassschritts wird vorzugsweise dadurch bewirkt, dass nach dem Evakuieren ein Nitrierprozessgas zugeführt wird. Als Nitrierprozessgas eignet sich dafür ein sauerstoffaffines Prozessgas, beispielsweise Ammoniakgas, Ammoniakgas- Spaltgas-Gemisch oder dergleichen. Unter Spaltgas wird eine Gasmischung verstanden, die aus den Gasen Stickstoff und Wasserstoff besteht. Während dieses Anlassschritts ist es unerheblich, ob die Temperatur konstant gehalten wird oder sich aber die Temperatur ändert. Ab einer kritischen Prozesstemperatur von 450 bis 550°C kann jedoch das Nitrierprozessgas über beispielsweise einen Vakuumprozessschritt als Zwischenschritt Bl oder aber über einen Spülvorgang mit Stickstoff entfernt werden.

Im Anschluss an diesen Anlassschritt erfolgt ein weiteres Aufheizen des Bauteils auf die materialspezifische Anlasstemperatur TA unter vorzugsweise Stickstoff oder in Abhängigkeit der Anlasstemperatur auch unter Ammoniak oder Spaltgas, wobei eine Haltezeit von mindestens einer Stunde, vorzugsweise 2 bis 4 Stunden, ganz vorzugsweise 3 +/- 0,5 Stunden, gewählt wird. Die Dauer der Haltezeit ist wiederum abhängig von der Sorte des wärmezubehandelnden Chromstahls. Dabei werden weiterhin Prozessgase zugeführt oder aber reiner Stickstoff.

Das Aufheizen des Bauteils kann vorzugsweise in einem herkömmlichen Kammerofen mit entsprechender Gastauscheinrichtung durchgeführt werden. Nach dem Anlassschritt im Schritt C erfolgt das Abkühlen des Bauteils auf Nitriertemperatur TN zwecks Gas-Nitrieren. Nach dem Durchlaufen einer werkstoffspezifischen Abkühltemperatur kann der Stickstoff gegebenenfalls durch das Nitrierprozessgas ersetzt werden. Nach Erreichen der Nitriertemperatur erfolgt dann das Gas-Nitrieren des Bauteils in herkömmlicher Weise.

Nach dem vorstehend beschriebenen Wärmebehandlungs-Verfahren lassen sich insbesondere Kraftfahrzeugbauteile aus einem Chromstahl, vorzugsweise einem hochlegierten Chrom-x-Stahl, herstellen, welche besonders verschleiß- und schwingungsbelastet sind. Dies können beispielsweise Kraftfahrzeugbauteile sein, wie Düsenkörper, Ventilstücke, Ventilplatten, Ventilkörper, Drosselplatten, Ventilträger oder Kolben, welche vornehmlich im Hochdruckbereich der Kraftstoffzuführung eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen. Figurenbeschreibung

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wärmebehandlung von Chromstählen, und

Fig. 2 eine grafische Darstellung des Temperatur-Zeit-Verlaufs der Wärmebehandlung gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 beinhaltet das erfindungsgemäße Wärmebehandeln eines bereits gehärteten Bauteils aus Chromstahl zunächst in einem Schritt A ein Aufheizen unter Stickstoffatmosphäre von Umgebungstemperatur Tu auf eine materialspezifische Voroxidationstemperatur Tv von ca. 350°C. Das Aufheizen sowie die Durchführung der nachfolgenden Verfahrensschritte wird in einem herkömmlichen Kammerofen durchgeführt, welcher mit einer Gastauscheinrichtung versehen ist.

Nach dem Aufheizen und Voroxidieren erfolgt im Schritt B ein Starten einer Anlassfrequenz zum Anlassen des aufgeheizten Bauteils unter Zugabe eines Nitrierprozessgases, welches in diesem Ausführungsbeispiel Ammoniak ist. Ab Erreichen einer kritischen Prozesstemperatur wird gemäß dem Zwischenschritt Bl das Ammoniak wieder entfernt. Ein weiteres Aufheizen im Schritt Bl wird bis auf die materialspezifische Anlasstemperatur TA von oberhalb 550°C durchgeführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird diese Anlasstemperatur über etwa 3 Stunden gehalten.

Nach dem Anlassen im Schritt C wird das Nitrieren dadurch eingeleitet, dass im Schritt D ein Abkühlen des Bauteils auf dessen materialspezifische Nitriertemperatur erfolgt, so dass ein Gas-Nitrieren einsetzt. Anschließend erfolgt im Schritt E ein weiteres Abkühlen des Bauteils auf die Umgebungstemperatur Tu.

Die Fig. 2 veranschaulicht einen Temperatur-Zeitverlauf des vorstehend beschriebenen Verfahrensablaufs, bei welchem im Schritt A des Aufheizens ausgehend von der Umgebungstemperatur Tu innerhalb einer beliebigen Aufheizzeit tA das Aufheizen des Bauteils unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird. Anschließend wird im Schritt B nach dem Voroxidieren unter Zugabe des Prozessgases Ammoniak ein Anlassschritt gestartet, wobei zunächst die aus dem Aufheizen resultierende Voroxidationstemperatur Tv von ca. 400° aufrechterhalten bleibt. Ab Erreichen einer kritischen Prozesstemperatur Tk von ca. 500°C wird im Zwischenschritt Bl das Prozessgas Ammoniak wieder entfernt und stattdessen Spaltgas eingeleitet. Das weitere Aufheizen erfolgt im Schritt C auf Anlasstemperatur TA, welche unter Stickstoffatmosphäre bis zum Zeitpunkt t« über zirka 3 Stunden aufrechterhalten wird, bis das Anlassen abgeschlossen ist. Nachfolgend erfolgt im Schritt D wieder ein Abkühlen auf Nitriertemperatur TN zum Gas-Nitrieren unter Anwesenheit von Ammoniakgas und Spaltgas. Nach Abschluss des Gas-Nitrierens wird ab dem Zeitpunkt IN ein weiteres Abkühlen des Bauteils im Schritt E auf Umgebungstemperatur Tu durchgeführt.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, den Zwischenschritt Bl wegzulassen. Die konkreten Temperaturen, insbesondere die Voroxidationstemperatur Tv, die Anlasstemperatur TA sowie die Nitriertemperatur TN, richten sich nach der konkreten Zusammensetzung des wärmezubehandelnden Chromstahls, also insbesondere dessen Legierungselemente.