Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus einem hochlegierten Stahl

bestehenden Werkstücks

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus einem hochlegierten Stahl bestehenden Werkstücks.

Stand der Technik

Zur Erhöhung der Schwingfestigkeit, der Korrosionsbeständigkeit sowie der

Verschleißfestigkeit metallischer Bauteile ist es bekannt, diese in

oberflächennahen Bereichen zu nitrieren. Durch das Nitrieren scheiden sich unterschiedliche Nitride innerhalb des metallischen Werkstoffs im

Oberflächenbereich aus. Dies führt zum Aufbau von Druckeigenspannungen, welche im Randbereich teilweise sehr hohe Werte annehmen. In Abhängigkeit des Oberflächenabstandes nehmen die Eigenspannungen mit zunehmender Entfernung vom Randbereich ab. Das Vorliegen von Druckeigenspannungen führt zu verbesserten Schwingfestigkeiten. Das Nitrieren wird u.a. auch für hochlegierte Stähle insbesondere für Bauteile wie Düsenkörper, Ventilkörper oder Drosselplatten eingesetzt.

Hochlegierte Stähle bilden aufgrund der hohen Sauerstoffaffinität ihrer

Legierungselemente eine natürliche Oxidschicht von wenigen Nanometern aus. Diese Oxidschicht entsteht bei Kontakt mit Luft und besteht beispielsweise aus Chromoxid, Vanadiumoxid, Eisenoxid und anderen Oxiden. Da die Oxidschicht sehr kompakt und teilweise diffusionsdicht ausgebildet ist, kann eine nachträgliche Eindiffusion von Stickstoff bei erhöhten Temperaturen, insbesondere zwischen 480 °C und 590 °C negativ beeinflusst und sogar vollständig unterbunden werden. Inhomogene

Verbindungsschichten sowie Diffusionsschichten mit unterschiedlichen funktionalen Eigenschaften sind die Folge. Die natürlich entstandene Oxidschicht lässt sich vor dem eigentlichen Nitrierprozess beispielsweise chemisch über einen Beizvorgang mit einer Säure entfernen. Ferner lässt sich die Oxidschicht auch mechanisch durch Bürsten und/oder Schleifen, oder aber elektrisch durch das Anlegen einer entsprechenden Spannung entfernen.

Die Bildung einer Oxidschicht auf dem mit Luft in Kontakt tretenden hochlegierten Stahl birgt Nachteile in der Nachbearbeitung der Oberfläche beziehungsweise der

Entfernung der Oxidschicht. Durch das Beizen mit Säure bilden sich oft lokale Narben infolge unterschiedlicher Oxidschichtdicken oder bei der mechanischen

Nachbearbeitung müssen die Rückstände mittels aufwändiger Reinigungs- bzw.

Entfernungsprozesses aufwendig entfernt werden. Es hat sich ferner herausgestellt, dass bei Bauteilen mit komplizierten Geometrien eine chemische, mechanische oder elektrische Nachbehandlung vielfach aufgrund der komplexen Realgeometrie nicht den gewünschten Effekt mit sich bringt. Insbesondere Sacklöcher sind schwer zugänglich, ein optimaler Abtrag der Oxidschicht ist hier nicht sicherzustellen. Dies führt

zwangsläufig zu Fehlstellen nach der Nitrierung bzw. zu inhomogenen Verbindungsund Diffusionsschichten und könnte zu einem frühzeitigen Bauteilversagen führen.

Aus der EP 1 122 331 Bl ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zum Nitrieren oder Nitrocarburieren von legierten

Eisenwerkstoffen bekannt. Zunächst werden die Werkstücke in einem Nitrierofen auf eine Temperatur zwischen 400 °C und 500 °C in einer ammoniakhaltigen

Gasatmosphäre erwärmt. Anschließend werden die Werkstücke auf eine

Temperatur zwischen 500 °C und 700 °C in einer Ammoniak und ein zugesetztes Oxidationsmittel enthaltenden Gasatmosphäre erwärmt. Die Werkstücke werden dieser Temperatur und dieser Gasatmosphäre für eine Zeitdauer von bis zu 5 h ausgesetzt.

Aufgabe und Lösung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wärmebehandlung eines Werkstücks aus einem hochlegierten Stahl weiterzuentwickeln. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß dem

Hauptanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen. Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines hochlegierten Stahls entwickelt.

Das aus einem hochlegierten Stahl bestehende Werkstück wird in einer

Vakuumumgebung auf eine erste Temperatur erwärmt, wobei die erste

Temperatur während einer ersten Haltephase konstant gehalten wird, wobei das Werkstück anschließend auf eine gegenüber der ersten Temperatur höhere zweite Temperatur erwärmt wird, wobei die zweite Temperatur während einer zweiten Haltephase konstant gehalten wird, und wobei das Werkstück im Anschluss an die zweite Haltephase vorzugsweise in gasförmigen, oder verdampfenden Medien abgeschreckt wird. Eine Oberfläche des Werkstücks insbesondere auch die Innenkonturen werden während der ersten Haltephase in einem ersten Behandlungsschritt mit einem Wasserstoff abgebenden

Prozessgas und/oder Prozessgasgemisch zur Reinigung und Aktivierung der Oberfläche umströmt, wobei die Oberfläche während der ersten Haltephase in einem zweiten Behandlungsschritt mit einem Stickstoff abgebenden Prozessgas und/oder Prozessgasgemisch zur Ausbildung einer dünnen nitridhaltigen Schicht umströmt wird, und wobei die nitridhaltige Schicht dazu vorgesehen ist, einen nachgelagerten Gasnitrierprozess zu optimieren.

Die erfindungsgemäße Wärmebehandlung gliedert sich in dem

Fertigungsprozess eines aus einem hochlegierten Stahl bestehenden

Werkstücks hinter die anfängliche Weichbearbeitung, insbesondere die

Herstellung des Werkstücks aus einem Rohling. Im Anschluss an die

erfindungsgemäße Wärmebehandlung, insbesondere Härtung findet das Anlassen des Werkstücks z.B. in einem evakuierbaren sauerstofffreien

Anlassofen statt. Mit anderen Worten ist das Anlassen der Werkstücke eine zweite Wärmebehandlung. Vor der abschließenden Hartbearbeitung des Werkstücks zum Fertigbauteil und der damit einhergehenden Endmaßeinstellung durch Schleifen, Hartdrehen oder ähnliche Verfahren findet der dritte

Wärmebehandlungsschritt statt, in dem mittels Gasnitrieren bei vorzugsweise 480 - 590°C die für das Werkstück, insbesondere der Werkstückoberfläche geforderten Eigenschaften durch Eindiffundieren von Stickstoff in das Werkstück eingestellt werden.

Unter der Vakuumumgebung ist ein technisches Vakuum mit einem Druck von höchstens 50 mbar zu verstehen. Der Vakuumofen wird dabei luftdicht verschlossen und eine mit dem Innenraum des Vakuumofens verbundene Pumpe stellt die Vakuum-Umgebungsbedingungen im Vakuumofen her. Durch den erfindungsgemäßen Härteprozess wird die natürlich gebildete Oxidschicht bzw. Passivschicht aufgebrochen und die Oberfläche des hochlegierten Stahls gereinigt. Die Prozessdurchführung im Vakuum bzw. sauerstofffreien

Atmosphäre verhindert bzw. verlangsamt dabei die Bildung einer neuen

Passivschicht und/oder die Repassivierung des hochlegierten Stahls. Eine randnahe Verarmung an härtesteigenden Legierungselementen wird somit zusätzlich vermieden.

Unter dem Begriff„Haltephase" ist das konstante Halten einer Temperatur zu verstehen, in der das Werkstück die Innentemperatur des Vakuumofens zur

Durchführung des ersten und zweiten Behandlungsschritts annimmt. Während der ersten Haltephase wird der hochlegierte Stahl in einem ersten

Behandlungsschritt von einem Wasserstoff abgebenden Prozessgas und/oder Prozessgasgemisch umströmt. Vorzugsweise findet das Eindüsen des Gases konstant statt. Ein gepulster, variabler oder druckgesteuerter Verlauf des

Durchflusses ist aber auch denkbar.

Das Umströmen des Werkstücks im ersten Behandlungsschritt stellt einen Reinigungs- und Aktivierungsschritt dar, um das Eindiffundieren von Stickstoff in die Oberfläche des Stahls im zweiten Bearbeitungsschritt aufgrund der dadurch gereinigten und aktivierten Oberfläche und der hohen Temperatur im

Vakuumofen zu begünstigen. Die erste Temperatur für den ersten

Behandlungsschritt liegt vorzugsweise zwischen 800 und 1090°C, bevorzugt bei 900 °C, um eine optimale Wechselwirkung des Wasserstoff abgebenden Prozessgases und/oder Prozessgasgemisches mit der Oberfläche des Werkstücks zu gewährleisten. Im ersten Behandlungsschritt wird die Oxidschicht aufgebrochen und eine Repassivierung der Oberfläche mit Hilfe des Vakuums verhindert. Die Oberfläche des Werkstücks ist damit hoch reaktiv gegenüber der Eindiffusion von Stickstoff im zweiten Behandlungsschritt.

Nach Abschluss des ersten Behandlungsschritts beginnt der zweite

Behandlungsschritt bei der konstanten ersten Temperatur des Ofens. Dabei wird der hochlegierte Stahl mit einem Stickstoff abgebenden Prozessgas und/oder Prozessgasgemisch zur Ausbildung einer nitridhaltigen Schicht umströmt.

Vorteilhafterweise wird reiner Stickstoff (N2) oder aber Ammoniak (N H3) oder aber ein Gemisch aus Stickstoff/Ammoniak verwendet. Legierte oder

hochlegierte Stähle eignen sich bevorzugt zum Nitrieren, da sich die

Legierungselemente dieser Stähle bevorzugt mit dem atomaren Stickstoff zu Nitriden verbinden. Unlegierte Stähle können hingegen während der Nitrierung spröde, zum Abplatzen neigende Nitrierschichten bilden. Für das Nitrieren eignen sich insbesondere Stähle mit Kohlenstoffanteilen zwischen 0,3 und 0,6 Masse-% und Legierungselemente wie Chrom oder Vanadium, die bei hohen

Temperaturen Randschichtnitride bilden.

Der sich durch das sogenannte Vornitrieren im erfindungsgemäßen Härteprozess ergebende Vorteil gegenüber herkömmlichen Herstellungsmethoden von

Werkstücken aus hochlegierten Stählen ist, dass sich aufgrund der

Vakuumumgebung und der Reinigung und Aktivierung durch das Wasserstoff abgebende Prozessgas und/oder Prozessgasgemisch während dem Nitrieren im zweiten Behandlungsschritt des Härteprozesses eine homogene und dichte Nitridschicht auf der Oberfläche bildet. Diese Nitridschicht kann als Keimschicht bzw. Passivierungsschicht betrachtet werden, da der eigentliche Nitrierschritt erst nach dem Anlassen und vor der Hartbearbeitung des Werkstücks stattfindet.

Ferner optimiert das Vornitrieren im Härteprozess auch das Gasnitrieren im nachgelagerten Herstellungsschritt. Aufgrund der homogenen Keimschicht aus dem Härteprozess bildet sich beim Gasnitrieren im Kammerofen eine

kompaktere Verbindungsschicht mit dementsprechend geringerem Porenanteil. Die Nitrierwirkung, die mit Hilfe der sogenannten Nitrierkennzahl beschrieben wird, ist dementsprechend aufgrund des Vornitrierens im Härteprozess höher. Die Nitrierkennzahl ergibt sich aus den Partialdrücken des Stickstoff abgebenden Prozessgases und/oder Prozessgasgemisches und dem Partialdruck des Wasserstoffs. Je höher die Nitrierkennzahl ist, desto stärker ist das Potential zur Nitridbildung. Übersteigt der Stickstoffanteil im Werkstoff die maximale

Löslichkeit des Stickstoffs im Grundwerkstoff bilden sich Nitride. Direkt auf der Oberfläche bilden diese Nitridausscheidungen die Verbindungsschicht aus.

Ausgehend von der Oberfläche bildet sich ein abnehmender Stickstoffgradient aus, dieser Bereich wird als Diffusionsschicht bezeichnet. In diesem Bereich sind kleine Nitridausscheidungen sowie im Metallgitter gelöster Stickstoff vorhanden. In Stählen bildet sich dabei Eisen zu Eisennitriden und in hochlegierten Stählen verbinden sich dabei beispielsweise Chrom, Vanadium zu entsprechenden Nitriden aus. Da durch das Vornitrieren im Härteprozess eine nitrierte

Keimschicht vorliegt, ist eine niedrigere Nitrierkennzahl beim Nitrierprozess erforderlich, wodurch die Prozessführung erleichtert und vereinfacht wird.

Ebenso kann der Gasnitriervorgang dadurch verkürzt und/oder bei tieferen Temperaturen durchgeführt werden, was den Prozess zusätzlich kostengünstiger macht.

Des Weiteren macht die nitrierte Schicht nach dem Härteprozess den

Anlassprozess unempfindlicher, da durch eine erneute Temperaturerhöhung unterhalb der Umwandlungstemperatur Spannungen abgebaut, je nach

Zusammensetzung des Stahls weitere Sonderkarbide ausgeschieden sowie eine niedere Härte eingestellt werden kann, ohne eine Wechselwirkung der

Legierungselemente an der Oberfläche des Grundwerkstoffs mit der Ofen- Atmosphäre zu riskieren.

Bevorzugt wird während des zweiten Behandlungsschritts im Härteprozess von der ersten Haltephase auf die zweite Haltephase gewechselt. In der zweiten Haltephase wird der hochlegierte Stahl auf die zweite Temperatur erwärmt. Die zweite Temperatur ist auch als Austenitisierungstemperatur zu verstehen. Bei Raumtemperatur liegt der hochlegierte Stahl im Wesentlichen als Ferrit und Carbid vor, der bei hohen Temperaturen zum Austenit umwandelt und die Carbide sich teilweise auflösen. Ziel ist es damit die hohe Löslichkeit von

Kohlenstoff bei hohen Temperaturen im Austenit auszunutzen. Bei der Austenitisierungstemperatur diffundiert Kohlenstoff in das Gitter des Austenits. Wird der hochlegierte Stahl im Anschluss abgeschreckt, kann der Kohlenstoff nicht mehr aus dem Gitter heraus diffundieren und verzerrt dieses aufgrund der Volumenzunahme tetragonal, wodurch sich im Wesentlichen Martensit bildet. Je größer die Abschreckgeschwindigkeit ist, desto höher ist der Martensitanteil. Zur Einleitung des Abschreckvorgangs endet der zweite

Behandlungsschritt mit der zweiten Haltephase.

Ferner bevorzugt werden die Dauer des zweiten Behandlungsschritts, die zweite Temperatur des hochlegierten Stahls während des zweiten Behandlungsschritts und/oder der Stickstoffpartialdruck an der Oberfläche des hochlegierten Stahls während des zweiten Behandlungsschritts so gewählt, dass die nitridhaltige Schicht mit einer Dicke kleiner 2 μηι, bevorzugt mit einer Dicke von 0,001 μηι bis 1 μηι, ausgebildet wird.

Bevorzugt weist die nitridhaltige Schicht flächenförmige oder kristallin

ausgeschiedene Nitride auf. Chrom kann flächenförmige Nitride bilden, wobei Eisen bevorzugt kristalline Nitride bildet.

Vorzugsweise umströmt das Wasserstoff abgebende Prozessgas und/oder Prozessgasgemisch die Oberfläche mit einem ersten Behandlungsdruck und das Stickstoff abgebende Prozessgas und/oder Prozessgasgemisch umströmt die Oberfläche mit einem zweiten Behandlungsdruck, wobei der jeweilige

Behandlungsdruck in einem Druckbereich zwischen 10 mbar und 3000 mbar liegt. Der gewählte Druckbereich ist dabei stark abhängig von den Eigenschaften des Werkstücks.

Ferner bevorzugt ist der erste Behandlungsdruck kleiner als der zweite

Behandlungsdruck. Je höher der zweite Behandlungsdruck, desto größer ist das Potential zur Nitridbildung im randnahen Bereich des Werkstücks und desto tiefer diffundiert der Stickstoff in das Werkstück ein.

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

Figur 1 den Verlauf der Temperatur T und des Druck p über die Zeit bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Figuren 2 bis 5 die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur

Wärmebehandlung eines aus einem hochlegierten Stahl bestehenden

Werkstücks.

Figur 1 zeigt beispielhaft die Prozessführung für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei beschreibt die linke Ordinate 4 die Temperaturachse, die rechte Ordinate 5 beschreibt die Partialdruckachse und die Abszisse 6 beschreibt die Zeitachse. Die obere durchgehende Kurve bezeichnet den Verlauf der Temperatur T über der Zeit. Die untere durchgehende Kurve bezeichnet den Verlauf des Partialdrucks p über der Zeit. Entlang der Zeitachse sind Abschnitte AI, Hl, A2, H2, F sowie Bl und B2 definiert, in denen unterschiedliche Aktivitäten stattfinden.

In einer ersten Aufheizphase AI wird das Werkstück S zunächst von

Raumtemperatur auf eine Temperatur Tl von 900°C erwärmt. Die Aufheizrate ist dabei im Wesentlichen konstant. Der Vakuumofen, in dem das Verfahren durchgeführt wird, steht unter einem technischen Vakuum, mit einem Unterdruck von kleiner als 50 mbar (Figur 2). Ferner ist es auch denkbar, dass das Vakuum erst nach dem Erreichen einer bestimmten Temperatur zu erzeugen.

In der an die erste Aufheizphase AI anschließenden ersten Haltephase Hl wird die erste Temperatur Tl konstant auf etwa 900 °C gehalten. Während der Aufheizphase AI wird dabei kein Wasserstoff- oder stickstoffhaltiges Prozessgas oder Prozessgasgemisch Gl, G2 zugeführt. Während der ersten Haltephase Hl beginnt der erste Behandlungsschritt Bl, in dem das Werkstück S mit einem wasserstoffhaltigen Prozessgas oder Prozessgasgemisch Gl mit einem ersten Behandlungsdruck PI umströmt wird. Der erste Behandlungsdruck PI entspricht dem auf die Oberfläche 1 des Werkstücks S wirkenden Wasserstoffpartialdruck. Der Partialdruck entspricht dem Druck, den die einzelne Gaskomponente, in diesem Fall Wasserstoff, bei alleinigem Vorhandensein in einem betreffenden Volumen ausüben würde. Der Durchfluss des wasserstoffhaltigen Prozessgases oder Prozessgasgemisches Gl erfolgt dabei konstant (Figur 3). Während dem ersten Behandlungsschritt wird die natürlich gebildete Oxidschicht 7 bzw.

Passivschicht des hochlegierten Stahls aufgebrochen und die Oberfläche 1 des Werkstücks S gereinigt und gegenüber Eindiffusion von Stickstoff im

nachgelagerten zweiten Behandlungsschritt B2 aktiviert.

An den ersten Behandlungsschritts Bl schließt sich der zweite

Behandlungsschritt B2 an, in dem das Werkstück S mit einem stickstoffhaltigen Prozessgas oder Prozessgasgemisch G2 mit einem zweiten Behandlungsdruck P2 umströmt wird. Der zweite Behandlungsdruck P2 entspricht dem auf die Oberfläche 1 des Werkstücks S wirkenden Stickstoffpartialdruck. Der Durchfluss des stickstoffhaltigen Prozessgases oder Prozessgasgemisches G2 erfolgt dabei konstant (Figur 4). Der zweite Behandlungsdruck P2 ist höher als der erste Behandlungsdruck PI, wobei der jeweilige Behandlungsdruck PI, P2 zwischen 10 mbar und 3000 mbar beträgt.

Während des zweiten Behandlungsschritts B2 folgt auf die erste Haltephase Hl eine zweite Aufheizphase A2 mit anschließender zweiten Haltephase H2. Die Aufheizrate ist dabei konstant. Das Werkstück S wird zunächst von der ersten Temperatur Tl auf die zweite Temperatur T2 erwärmt, die dann konstant gehalten wird. Die zweite Temperatur T2 entspricht der

Austenitisierungstemperatur des Werkstücks S. Im Randbereich findet während dem Halten auf Austenitisierungstemperatur eine Phasenumwandlung zu einem austenitischen Gefüge statt. In dem aus der ersten Haltephase Hl fortlaufenden zweiten Behandlungsschritt B2 umströmt das stickstoffhaltige Prozessgas oder Prozessgasgemisch G2 in der zweiten Haltephase H2 weiterhin mit einem zweiten Behandlungsdruck P2 und konstantem Durchfluss das Werkstück S. Die zweite Haltephase H2 entspricht dabei einer Nitrierphase. Aufgrund der zweiten Temperatur T2 diffundiert atomarer Stickstoff aus dem stickstoffhaltigen

Prozessgas oder Prozessgasgemisch G2 in die Oberfläche 1 des Werkstücks S ein und verbindet sich mit nitridbildenden Legierungselementen wie beispielsweise Chrom, Vanadium oder Eisen. Die Dauer des zweiten

Behandlungsschritts B2, die zweite Temperatur T2 des Werkstücks S während des zweiten Behandlungsschritts B2 und der zweite Behandlungsdruck B2 an der Oberfläche 1 des Werkstücks S während des zweiten Behandlungsschritts B2 beeinflussen die Dicke der nitridhaltigen Schicht 2, die zwischen Ο.ΟΟΙμηι und

Ιμηι liegt (Figur 5).

An die zweite Haltephase H2 und den zweiten Behandlungsschritt B2 folgt abschließend eine Abschreckphase F zur Einstellung eines im Wesentlichen martensitischen Gefüges. Der Vakuumofen 3 und das Werkstück S werden dabei auf Raumtemperatur abgeschreckt.

Die Figuren 2 bis 5 beschreiben die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Wärmebehandlung eines aus einem hochlegierten Stahl bestehenden

Werkstücks S in Schnittzeichnung gemäß der in Figur 1 gezeigten und erläuterten Prozessführung.