Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils und ferner ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauteil.

Stand der Technik

Die standardmäßig beim martensitischen oder bainitischen Härten bzw. Einsatz härten von aus Stahl gebildeten Bauteilen zum Einsatz kommenden Wärmebe handlungen, welche üblicherweise aus voneinander getrennten Verfahrensstufen des Aufkohlens, des Härtens und des Anlassens gebildet sind, führen zu Verzü gen im Gefüge der Bauteile, so dass eine anschließende Nachbearbeitung erfor derlich ist, damit eine für die Bauteile typischerweise im Mikrometerbereich lie gende Form- und Maßtoleranz eingehalten werden kann. Bei dieser Nachbear beitung werden jedoch die durch das Härten bzw. Einsatzhärten erzielten und dadurch mit positiven Bauteileigenschaften versehenen Oberflächenbereiche teilweise oder vollständig abgetragen; im ersteren Fall erfolgt dies beispielsweise mittels Schleifen, um Fertigungstoleranzen einhalten zu können, oder mittels elektrochemischem Verrunden typischerweise von Bohrungsverschneidungen, und im letzteren Fall mittels Erodieren oder Laserabtragung, um beispielsweise Bohrungen bzw. Spritzlöcher in Düsenkörpern für Dieseleinspritzsysteme präzise ausbilden zu können. Dabei freigelegte Bauteilbereiche mit niedriger Festigkeit können im späteren Bauteilbetrieb aufgrund von auf das Bauteil einwirkenden statischen oder dynamischen Beanspruchungen zu einem Bauteilversagen füh ren.

Zusätzlich im Fertigungsprozess zur Festigkeitssteigerung eingesetzten Maß nahmen, wie z.B. Festwalzen, Autofrettieren oder Kugelstrahlen, haftet jedoch der Nachteil an, dass sie meist nur in eingeschränktem Umfang, zumindest je doch relativ aufwendig und somit kostensteigernd umsetzbar sind. Um nämlich den bei der Autofrettage erforderlichen Betriebsdrücken von mehreren 1000 bar standzuhalten, muss ein damit zu bearbeitendes Bauteil eine ausreichende Wandstärke aufweisen; auch beim Festwalzen und bei Strahlverfahren ist eine Mindestwandstärke des damit zu bearbeitenden Bauteils erforderlich, wobei rela tiv kleine oder komplexe Bauteilgeometrien, beispielsweise Spritzlöcher oder Bohrungsverrundungen, praktisch nicht damit bearbeitbar sind. Zwar werden mit derartigen oder ähnlichen Verfahren in Randbereiche eines damit bearbeiteten Bauteils an sich vorteilhafte Druckeigenspannungen eingebracht, welche einer statischen oder dynamischen Beanspruchung im späteren Bauteilbetrieb entge genwirken, jedoch können sich solche Druckeigenspannungen wieder signifikant abbauen, wenn im Bauteilbetrieb relativ hohe Temperaturen, z.B. oberhalb von 300 °C, einwirken.

Ein anders gelagerter Stand der Technik ist aus der DE 197 52 051 CI bekannt. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zum Herstellen von maßgenauen Form teilen mit nitrierter oder nitrocarburierter Oberflächenschicht. Auf eine Nachbear beitung des nitrierten oder nitrocarburierten Formteils bei Erhalt der vollständigen nitrierten oder nitrocarburierten Oberflächenschicht kann dann verzichtet werden, wenn vorgesehen wird, dass die vorgefertigten Formteile gehärtet und entgegen der üblichen Praxis nur bei einer Temperatur von 200 °C bis 300 °C angelassen werden, dass die gehärteten und angelassenen Formteile danach durch Nach bearbeitung auf das geforderte Fertigmaß gebracht werden und dass die nach bearbeiteten Formteile nitriert oder nitrocarburiert werden. Bei diesem Stand der Technik wird jedoch lediglich ein Vergüten mit unüblich niedriger Anlasstempera tur des Bauteils vor dem anschließenden Nitrieren oder Nitrocarburieren vorge sehen. Dadurch kompensiert die Volumenänderung beim Nitrieren die Volu menänderung beim Anlassen.

Offenbarung

Vorteile der Erfindung

Das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass es eine kosteneffiziente Fertigung von hochbeanspruchbaren Bauteilen mit höchsten Anforderungen an Lage- und Formtoleranzen ermöglicht, wobei der Hart- bzw. Nachbearbeitungsaufwand kostensenkend lediglich einmalig und zwar in der Mitte der Prozesskette anfällt und gleichzeitig eine hohe mechanische Be- lastbarkeit der Bauteile erzielbar ist. Dazu ist vorgesehen, dass zunächst das Bauteil einsatzgehärtet wird, sodann wenigstens ein einstufiges Anlassen des Bauteils, eine Bauteil-Nachbearbeitung, um das Bauteil innerhalb vorbestimmter Toleranzen auf ein erforderliches Endmaß zu bringen, und ein Nitrieren des Bau teils nacheinander durchgeführt werden, wobei eine zum Nitrieren vorgesehene Prozesstemperatur deutlich niedriger als eine bei der der Nachbearbeitung vor geordneten und zum Anlassen des Bauteils dienenden Wärmebehandlung ein gestellte Behandlungstemperatur gewählt wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik gemäß DE 197 52 051 CI, wonach lediglich ein Härten des Bauteils - im Unterschied zum Einsatzhärten bei der Erfindung - erfolgt, wobei die Anlass temperatur nach dem Härten in einem relativ niedrigen Temperaturbereich und zudem weit unterhalb der Nitrierprozesstemperatur liegt, besteht demgegenüber der anders gelagerte Grundgedanke der Erfindung darin, sowohl ein Aufkohlen, ein Härten wie auch ein Anlassen umfassendes Einsatzhärten vorzunehmen, und die Anlasstemperatur und die Nitrierprozesstemperatur so aufeinander abzu stimmen, dass beim Nitrieren festigkeitssteigernde Eigenschaften wie z.B.

Druckeigenspannungen ausgebildet werden, womit eine hohe mechanische Be- anspruchbarkeit des Bauteils erzielbar ist, und gleichzeitig ein zusätzlicher Nach bearbeitungsschritt kostensenkend verzichtbar bzw. einsparbar ist, was dadurch erreicht wird, dass das Nitrieren bei einer deutlich niedrigeren Prozesstemperatur als die beim Anlassen angewandte Wärmebehandlungstemperatur erfolgt, wodurch ein Verzug im Bauteilgefüge während des Nitrierens vermieden wird.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die zum Nitrieren des Bauteils gewählte Prozesstemperatur um mindestens etwa 30 °C, bevorzugt etwa 50 °C, niedriger als die Anlasstemperatur liegt. Von den Erfindern durchgeführte experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Prozesstemperaturabstand TA - TP von etwa 30 °C zwischen Nitrierpro zesstemperatur TP und der zuvor erfolgten Anlass-

Wärmebehandlungstemperatur TA einen minimalen Abstand darstellt, bei dessen Wahrung ein Verzug im Bauteilgefüge durch das Nitrieren vermeidbar ist und mithin die Form- und Maßstabilität während des Nitrierens aufrechterhalten wird, so dass für eine ein- oder mehrstufige Nachbearbeitung nach dem Nitrieren kei ne Notwendigkeit besteht.

Dabei umfasst der Schritt des Einsatzhärtens einen Anlassvorgang, welcher im Temperaturbereich zwischen etwa 450 °C und 550 °C, bevorzugt bei etwa 500 °C, durchgeführt wird, da erst ab einer Temperatur, welche höher als 450 °C liegt, bei dem zum Ende der Prozesskette erfolgenden und auf den Anlassvor gang abgestimmten Nitrieren eine Bildung von Sondernitriden wie z.B. von Chromnitrid im Gefüge eines Bauteils einsetzt. Höhere Temperaturen als 550 °C sind demgegenüber weniger geeignet, da insbesondere bei niedrig legierten Stählen die Kernfestigkeit stark reduziert und damit die Bauteilfunktionalität ein geschränkt wird.

Eine Ausführungsvariante der Erfindung kann darin bestehen, dass zum Nitrieren des Bauteils wenigstens eine Nitrierphase durchgeführt wird, um eine hauptsäch lich mit Stickstoff angereicherte Diffusionsschicht auszubilden, welche sich vor teilhaft insbesondere bei zyklischer Beanspruchung des Bauteils dazu eignet, ei ne hohe Verschleißbeständigkeit und Schwingfestigkeit sicherzustellen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung werden zum Nitrie ren des Bauteils zwei durch eine zwischengeordnete Gaswechselphase zeitlich voneinander separierte Nitrierphasen durchgeführt, wobei eine erste Nitrierphase als Oxinitrieren ausgebildet wird, wodurch die Oberflächenaktivität des zu pro zessierenden Bauteils und mithin die Stickstoffaufnahme signifikant verbessert wird, während die zweite Nitrierphase zum reinen Nitrieren des durch das Oxinit rieren entsprechend vorkonditionierten Bauteils dient, wobei beim reinen Nitrie ren die hauptsächliche Dicke einer Nitrierschicht bzw. Diffusionsschicht ausgebil det wird. Dabei können die zwei Nitrierphasen mit unterschiedlich bemessener Zeitdauer ausgeführt werden, um einerseits die Oxinitrierdauer - zum Aktivieren passivierter Bauteiloberflächen - auf die Oberflächeneigenschaften des verwen deten Ausgangsmaterials abstimmen und andererseits die Dauer des nachge- ordneten reinen Nitrierens in Abhängigkeit von der gewünschten Dicke der aus- zubildenden Diffusionsschicht einstellen zu können. Mit der zwischengeordneten Gaswechselphase wird die das Oxinitrieren charakterisierende Prozessgasmi- schung entfernt, um definierte Anfangsbedingungen für die anschließende zweite Nitrierphase festzulegen.

Zweckmäßigerweise wird die Nitrierschicht bzw. Diffusionsschicht im Oberflä chenbereich des Bauteils mit einer Dicke ausgebildet, welche im Bereich von et wa 5 bis 50 pm liegt, da bereits mit derartigen Nitrierschichtdicken eine gegen über dem Grundwerkstoff signifikante Steigerung der Schwingfestigkeit erzielbar ist. Es sind auch dickere Nitrierschichten ausbildbar, für die jedoch entsprechend längere Nitrierprozesslaufzeiten erforderlich sind.

Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass das Bauteil nach der wenigstens einen Nitrierphase zusätzlich einer Nitrocarbu- rierphase unterworfen wird, um eine Verbindungsschicht auf dem Bauteil auszu bilden. Die Ausbildung einer derartigen Verbindungsschicht über einer aufgrund der zuvor erfolgten Nitrierphase erzeugten Diffusionsschicht ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Bauteil im späteren Einsatz nicht nur Verschleiß, son dern auch korrosiven Beanspruchungen unterliegt.

Unter dem Begriff Nitrieren ist ein Vorgang zu verstehen, bei dem ein Stickstoff und/oder Kohlenstoff abgebendes Medium Stickstoff und/oder Kohlenstoff in ein Bauteil einbringt mit dem Ziel, Ausscheidungen wie z.B. Nitride oder Carbonitride auszubilden. Demgemäß umfasst der Begriff des Nitrierens auch ein Nitrocarbu- rieren.

Eine nochmals abgewandelte Ausführungsform der Erfindung kann darin beste hen, dass das Bauteil mittels einer Nitrocarburierphase nitriert wird, welche aus schließlich zur Ausbildung einer aus Eisennitriden gebildeten Verbindungsschicht führt, die aufgrund ihres keramischen Charakters und hohen Härte Beanspru chungen durch Reibung entgegenwirkt.

Die Zufuhr von Prozessgasen und/oder Prozessgasgemischen in eine zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Behandlungs- bzw. Pro zesskammer erfolgt während des Prozesses mit Festgasmengen. Alternativ dazu kann die Zufuhr auch kennzahlgeregelt, beispielsweise nach Nitrierkennzahl und/oder Oxidationskennzahl und/oder Kohlungskennzahl erfolgen. Ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauteil, insbesondere ein Dü senkörper, kann je nach Prozessführung eine hohe Schwingfestigkeit und/oder verbesserte Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen und eignet sich beispielsweise für den Einsatz als Komponente in Hochdruckeinspritzsystemen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Letztere zeigen in schematisch gehaltenen Ansichten:

Fig. 1 ein Schema zur groben Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils, wobei im unteren Teil des Schemas entlang der Ordinate die Prozess-Temperatur in Abhängigkeit von der entlang der Abszisse aufgetragenen Zeit dargestellt ist und im oberen Teil des Schemas das Bauteil jeweils in seinen verschiedenen Prozessstadien eingezeichnet ist,

Fig. 2A ein Diagramm, das die Abfolge aufeinanderfolgender Verfahrensschritte in Abhängigkeit von der jeweils einzustellenden Prozess-Temperatur gemäß ei ner ersten Ausführungsform darstellt,

Fig. 2B ein Diagramm, das die Abfolge aufeinanderfolgender Verfahrensschritte in Abhängigkeit der jeweils einzustellenden Prozesstemperatur gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt,

Fig. 2C ein Diagramm zur Darstellung der Abfolge aufeinanderfolgender Verfah rensschritte in Abhängigkeit der jeweils einzustellenden Prozesstemperatur ge mäß einer dritten Ausführungsform,

Fig. 2D ein Diagramm zur Darstellung der Abfolge aufeinanderfolgender Verfah rensschritte in Abhängigkeit der jeweils einzustellenden Prozesstemperatur ge mäß einer vierten Ausführungsform, Fig. 3 ein Messdiagramm mit anhand von GDOES-Messungen an zwei unter schiedlich prozessierten Proben ermittelten drei Messkurven, wobei zwei der Messkurven die jeweiligen Kohlenstoff-Konzentrationsverläufe der beiden Proben und die dritte Messkurve den Stickstoff- Konzentrationsverlauf in der zweiten Pro be in funktionaler Abhängigkeit vom Randabstand zur Probenoberfläche darstel len,

Fig. 4A eine mikroskopisch erstellte Schnittansicht eines Gefüges eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Düsenkörpers im Bereich einer Spritzlochbohrung, und

Fig. 4B ein Diagramm zur Darstellung des Härteverlaufs im Gefüge des Düsen körpers von Fig. 4A im Bereich einer Spritzlochbohrung, wobei auf der Ordinate die Vickershärte in Abhängigkeit von dem entlang der Abszisse aufgetragenen Randabstand bezüglich der Oberfläche der Spritzlochbohrung dargestellt ist.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 veranschaulicht stark schematisch die wesentlichen Verfahrensstufen ei nes im Ganzen mit 10 bezeichneten Verfahrens, das zum Herstellen eines metal lisch ausgebildeten Bauteils 11 dient, welches im Ausführungsbeispiel als im Wesentlichen rotationssymmetrischer Düsenkörper aus Stahl mit einer entlang der Rotationssymmetrieachse verlaufenden Sacklochbohrung 11 ^' ausgebildet ist. Nach einer ersten Verfahrensstufe 12, in welcher die Weichbearbeitung des Bau teils 11 erfolgt, wird in einer darauf folgenden zweiten Verfahrensstufe 13 das Einsatzhärten des Bauteils 11 durchgeführt, wobei das Einsatzhärten das Auf kohlen 13 ^' bei einer Temperatur Ti, das Härten 13 ^{' '} bei einer Temperatur To und das Anlassen 13 ^{' ' '} bei einer Temperatur T ₂ umfasst. Danach weist das Bauteil 11 eine Einsatzhärteschicht 11 ^{' '} im oberflächennahen Bereich auf. Im Anschluss daran erfolgt in einer dritten Verfahrensstufe 14 die Nachbearbeitung des Bau teils 11, um das beim Einsatzhärten zwangsläufig auftretende Verziehen des Bauteils 11 auszugleichen, wobei die Einsatzhärteschicht 11 ^{' '} teilweise, d.h. bei spielsweise im Planflächenbereich 11-2 durch Spanabheben soweit entfernt wird, bis eine vorbestimmte Geometrietoleranz im Mikrometerbereich erzielt wird. Zu dem wird das Bauteil 11 bei der Nachbearbeitung mit Bohrungen 11-1 versehen, welche hinsichtlich ihrer Lagetoleranz und Ausrichtung ebenfalls im Mikrometer bereich engtoleriert ausgebildet sind. Danach wird das derart nachbearbeitete Bauteil 11 in einer vierten Verfahrensstufe 15 einem Nitriervorgang unterworfen. Dabei wird die Behandlungstemperatur bzw. Prozesstemperatur T ₃ so eingestellt, dass T ₃ mindestens 30 °C unterhalb der Anlasstemperatur T ₂ liegt, um ein noch malig auftretendes Verziehen des Bauteils 11 zu vermeiden. Aufgrund des Nit riervorgangs entsteht auf dem Bauteil 11 insbesondere auch im Randbereich der Bohrungen 11-1 eine Nitrierschicht 11 ^{" '} , mit welcher eine höhere Festigkeit und/oder Schwingfestigkeit und/oder Verschleißfestigkeit des Bauteils erzielbar ist. Nach dem Nitriervorgang 15 ist das Bauteil 11 bereit zur Montage 16.

Fig. 2A zeigt die zeitlich aufeinanderfolgenden Prozessphasen des Nitriervor gangs 15 anhand eines Diagramms, wobei die jeweilige Prozesstemperatur T für die einzelnen Prozessphasen gegenüber der Zeitachse t aufgetragen ist und die einzelnen Prozessphasen mit ihrer jeweiligen Zeitdauer entlang der Zeitachse definiert sind. Der Nitriervorgang 15 umfasst nacheinander eine erste Auf heizphase 20, eine Temperaturvergleichmäßigungsphase 21, eine Voroxidati onsphase 22, eine erste Gaswechselphase 23, eine zweite Aufheizphase 24, ei ne zweite Temperaturvergleichmäßigungsphase 25, eine erste Nitrierphase 26 ^' , eine zweite Gaswechselphase 27, eine zweite Nitrierphase 26 ^" , eine dritte Gas wechselphase 29 sowie eine Abkühlphase 30. In der ersten Aufheizphase 20 wird die Temperatur kontinuierlich mit einer konstanten Aufheizrate bis auf eine Behandlungstemperatur von etwa 400 °C erhöht. Bei Erreichen der Behand lungstemperatur schließt sich die Temperaturvergleichmäßigungsphase 21 an, in welcher die Behandlungstemperatur konstant auf etwa 400 °C gehalten wird. Sowohl während der Aufheizphase 20 als auch während der Temperaturver gleichsmäßigungphase 21 erfolgt in der zur Durchführung des Verfahrens die nenden Behandlungskammer (nicht dargestellt) keine Zufuhr von Stickstoffspen dergas. In der auf die Temperaturvergleichmäßigungsphase 21 folgenden Voroxidationsphase 22, die bei 400 °C stattfindet, wird zur Voroxidation des her zustellenden Bauteils der Behandlungskammer ein Prozessgas, wie z.B. Luft o- der Wasserdampf oder Gemische daraus oder auch mit Stickstoff angereicherte Gemische aus Luft und Wasserdampf, mit einem Druck von mehreren 100 mbar, vorzugsweise mit einem Absolutdruck im Bereich zwischen ungefähr 200 und 400 mbar oder mit einem gegenüber Atmosphärendruck erhöhten Druck von mehreren 10 mbar, vorzugsweise ungefähr 20 bis 50 mbar, zugeführt. Im An schluss an die Voroxidationsphase 22 erfolgt bei konstant gehaltener Temperatur die erste Gaswechselphase 23, um die oxidierende Prozessgasatmosphäre aus der Behandlungskammer zu entfernen. Dies kann beispielsweise durch Evakuie ren mittels Vakuumpumpen unterhalb eines Prozessgasdrucks p < lxlO ¹ mbar, vorzugsweise bei p < lxlO ² mbar, oder auch durch Spülen mit einem Inertgas, wie z.B. Stickstoff oder Argon, erfolgen. Die darauf folgende zweite Aufheizphase 24 dient dazu, die Temperatur kontinuierlich mit einer konstanten Aufheizrate bis auf eine Prozesstemperatur von etwa 490 °C zu erhöhen. Bei Erreichen der Pro zesstemperatur von etwa 490 °C wird in der daran anschließenden Temperatur vergleichmäßigungsphase 25 die erreichte Prozesstemperatur konstant gehalten. In der darauf folgenden ersten Nitrierphase 26 ^' , die bei der konstant bei etwa 490 °C gehaltenen Prozesstemperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer Ati durchge führt wird, wird der Behandlungskammer ein stickstoffabgebendes Prozessgas zugeführt, welches beispielsweise aus Ammoniak oder aus Mischungen aus Ammoniak, Stickstoff und/oder Wasserstoff gebildet ist; das Prozessgas kann für eine Intensivierung des Nitriervorgangs 26 ^' auch oxidierende Anteile, die bei spielsweise aus Luft oder Wasserdampf oder Lachgas gebildet sein können, ent halten. Nach der ersten Nitrierphase 26 ^' erfolgt die Gaswechselphase 27, die dazu dient, die während der Nitrierphase 26 ^' eingestellte Prozessgaszusammen setzung aus der Behandlungskammer kontrolliert zu entfernen, beispielsweise durch Evakuieren mittels Vakuumpumpen unterhalb eines Prozessgasdrucks p < lxlO ¹ mbar, vorzugsweise bei p < lxlO ² mbar, oder durch Spülen mit einem Inertgas, wie z.B. Stickstoff oder Argon. Im Anschluss daran wird die zweite Nit rierphase 26 ^{' '} bei der konstant gehaltenen Prozesstemperatur von etwa 490 °C, also isotherm bezüglich der ersten Nitrierphase 26 ^' , für eine vorbestimmte Zeit dauer Ät ₂ durchgeführt. Die darauf erfolgende Gaswechselphase 29 dient dazu, die während der zweiten Nitrierphase 26 ^{' '} eingestellte Prozessgaszusammen setzung - wie in der Phase 26 ^' - kontrolliert aus der Behandlungskammer zu entfernen; zudem wird dadurch eine unerwünschte, durch Temperaturunter schiede verursachte, inhomogene Nitrierwirkung an dem noch im Prozess befind lichen Bauteil während der Abkühlphase vermieden. In der abschließenden Ab kühlphase 30 wird das Bauteil auf Raumtemperatur abgekühlt. Die für die zwei Nitrierphasen 26 ^' , 26 ^{' '} isotherm eingestellte Prozesstemperatur T ₃ wird in Ab hängigkeit von der Anlasstemperatur T ₂ so gewählt bzw. eingestellt, dass die Prozesstemperatur T3 um etwa 30 °C niedriger als die Anlasstemperatur T ₂ liegt; da die beim Einsatzhärten vorgesehene Anlasstemperatur T ₂ in diesem Ausfüh rungsbeispiel T ₂ = 520 °C beträgt, wird demgemäß die Prozesstemperatur T3 für die zwei Nitrierphasen 26 ^' , 26 ^” auf T3 = 490 °C eingestellt.

Eine geringfügige Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 2A besteht da rin, dass das Anlassen bei einer Anlasstemperatur von T ₂ = 500 °C ausgeführt wird und in Abhängigkeit davon die für die zwei Nitrierphasen 26 ^' , 26 ^” aufrecht erhaltene Prozesstemperatur auf T3 = 470 °C eingestellt wird, um einen Tempe raturunterschied von 30 °C zwischen dem Anlassvorgang und dem Nitrieren zu wahren. Dabei wird die erste Nitrierphase 26 ^' als Oxinitrieren bei einer Prozess atmosphäre aus Ammoniak, Stickstoff und Luft ausgebildet, um eventuell passi vierte Oberflächen des Ausgangsmaterials zu beseitigen, während die zweite Nit rierphase 26 ^” als eigentlicher Nitriervorgang bei einer Prozessatmosphäre aus Ammoniak und Stickstoff ausgebildet ist, wobei die Zeitdauern Ati und Ät ₂ unter schiedlich bemessen sein können. Reproduzierbare Ergebnisse sind durch Akti vieren der Bauteiloberfläche erzielbar, indem die Zeitdauer Ati der ersten Phase 26 ^' so gewählt wird, dass Ati > 1 h gilt.

Fig. 2B zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche sich von der ersten Ausführungsform darin unterscheidet, dass zusätzlich zu den beiden Nitrierphasen 26 ^' , 26 ^” noch eine nachgeordnete Nitrocarburier- phase 26 ^'” mit einer Zeitdauer h durchgeführt wird. Dabei erfolgt zwischen der zweiten Nitrierphase 26 ^” und der nachgeordneten Nitrocarburierphase 26 ^'” eine Gaswechselphase 29, um definierte Startbedingungen für die Nitrocarburierpha se 26 ^'” zu erhalten, und im direkten Anschluss an die Nitrocarburierphase 26 ^'” wird eine Gaswechselphase 29 ^' nachgeschaltet, welche als definierter Übergang zur abschließenden Abkühlphase 30 dient. Die Nitrocarburierphase 26 ^'” wird vorteilhaft isotherm bezüglich der zeitlich vorgeordneten Nitrierphasen 26 ^' , 26 ^” durchgeführt, da sich dadurch ein zwischengeordneter Aufheizschritt einsparen lässt. In der Nitrocarburierphase 26 ^'” wird der Behandlungskammer ein Stick stoff- und kohlenstoffabgebendes Prozessgas zugeführt, welches beispielsweise aus mit C0 ₂ , CO oder Acetylen angereichertem Ammoniak gebildet sein kann. Dabei ist die Prozessgaszusammensetzung im Wesentlichen frei von oxidieren den Anteilen, wie z.B. von Luft oder Wasserdampf, um die Ausbildung uner- wünschter Oxidschichten im Oberflächenrandbereich des zu prozessierenden Bauteils zu vermeiden. Mit der im Anschluss an die Nitrierphasen 26 ^' , 26 ^” durchgeführten Nitrocarburierphase 26 ^'” wird zusätzlich zu einer während des Nitrierens ausgebildeten Nitrierschicht noch eine Verbindungsschicht ausgebildet oder eine bereits ausgebildete Verbindungsschicht weiter verstärkt, was bei spielsweise dann besonders vorteilhaft ist, wenn die Bauteiloberflächen im späte ren Einsatz im Wesentlichen einer Beanspruchung durch Reibungsverschleiß un terliegen.

Fig. 2C zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche im Unterschied zu den beiden Ausführungsformen gemäß Fig. 2A und 2C lediglich eine einzige Nitrierphase 26 mit einer Zeitdauer At aufweist, die nach der auf die zweite Aufheizphase folgenden Gaswechselphase 25 durchgeführt wird, wobei nach dem Ende der einzigen Nitrierphase 26 eine Gaswechselphase 29 erfolgt, die als definierter Übergang zur abschließenden Abkühlphase 30 dient. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn als Aus gangsmaterial eine Stahlsorte vorliegt, bei der aufgrund materialspezifischer Ei genschaften keine Neigung zur Bildung passivierender Oberflächen gegeben ist, so dass eine Oxinitrierphase - wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2A - als aktivierende bzw. konditionierende Vorstufe für den eigentlichen Nitriervorgang verzichtbar ist.

Fig. 2D zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche eine Abwandlung der dritten Ausführungsform von Fig. 2C darstellt und im Unterschied dazu anstatt der Nitrierphase 26 eine Nitrocarburierphase 26 ^'” mit einer Zeitdauer At ^' durchgeführt wird. In der Nitrocarburierphase 26 ^'” erfolgt die Zufuhr eines Stickstoff- und/oder kohlenstoffabgebenden Prozessgases, wel ches beispielsweise Ammoniak oder Mischungen aufweist, die mit Stickstoff und/oder Wasserstoff verdünnten Ammoniak aufweisen können und mit Kohlen dioxid oder Kohlenmonoxid oder Acetylen oder Mischungen daraus angereichert sind. Dabei ist die Prozessgaszusammensetzung praktisch frei von oxidierenden Anteilen, wie z.B. von Luft oder Wasserdampf, um das Ausbilden einer uner wünschten Oxidschicht im Oberflächenrandbereich des prozessierten Bauteils zu vermeiden. In der Nitrocarburierphase 26 ^'” erfolgt ausschließlich die Ausbildung einer aus Eisennitriden gebildeten Verbindungsschicht, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn das Bauteil bei späterem Einsatz einer Reibungsbeanspru chung und/oder Korrosionsbeanspruchung unterliegt.

Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass die Prozessgase bzw. Prozess gasgemische der Behandlungskammer als Festgasmengen zugeführt werden können; alternativ kann deren Zufuhr auch nitrierkenn- und/oder oxidationskenn- zahl- und/oder kohlungskennzahlgeregelt erfolgen.

Fig. 3 zeigt ein Messdiagramm mit drei Messkurven 40, 41, 42 von mittels GDO- ES G,glow discharge optical emission spectroscopy“: Glimmentladungsspektro skopie) an zwei unterschiedlich prozessierten Proben bzw. Ronden vorgenom menen Messungen. Auf der Ordinate ist die Konzentration C in Massenprozent M% und auf der Abszisse ist der Randabstand d in mhh bezüglich der Oberfläche aufgetragen. Die Messkurve 40 stellt den Kohlenstoff- Konzentrationsverlauf in einer nur einsatzgehärteten Probe bzw. Ronde als Tiefenprofil dar, während die Messkurve 41 den Kohlenstoff- Konzentrationsverlauf in einer gemäß dem erfin dungsgemäßen Verfahren nach der Ausführungsform 1 hergestellten bzw. be handelten Probe bzw. Ronde darstellt. Aus dem Konzentrationsverlauf der Mess kurve 41 ist ersichtlich, dass durch die sowohl das Einsatzhärten wie auch das nachgeschaltete Nitrieren umfassenden Wärmebehandlungen nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren im Vergleich zur Messkurve 40 praktisch kein zusätz licher Kohlenstoff in die Randschicht, d.h. in den oberflächennahen Bereich, ein gebracht wurde, da beide Messkurven 40, 41 vergleichbare Konzentrationswerte im oberflächennahen Randbereich aufweisen. Die Messkurve 42 gibt den Stick stoff-Konzentrationsverlauf in einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Probe bzw. Ronde wieder, wobei anhand der Messkurve 42 eine hohe Nitrid- Konzentration bis zu einer Tiefe von ungefähr 50 - 60 mhh bezüglich der Oberfläche der Probe erkennbar ist und sich mithin aus dieser Nitrierwirkung eine Nitrierschichtdicke von ungefähr 50 - 60 mhh ableiten lässt.

Fig. 4A zeigt eine Gefügeaufnahme entlang eines Schnitts durch einen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Düsenkörper 50 im Bereich ei ner Spritzlochbohrung 51, wobei an beiden Seiten 52, 53 der Spritzlochbohrung 51 Härteprüfungen mit Messpunkten 52 ^' , 53 ^' vorgenommen wurden. Die Här teprüfungen wurden mit HV 0.05 durchgeführt. Fig. 4B zeigt ein Diagramm, in welchem die Messpunkte 52 ^' , 53 ^' von Fig. 4A aufgetragen sind, um den Härteverlauf H in HV im Gefüge in Abhängigkeit vom Randabstand d in mhh, d.h. vom Abstand zur Oberfläche der Spritzlochbohrung 51 des Bauteils aufzutragen. Die unterhalb der Spritzlochbohrung 51 von Fig. 4A anhand der Härteprüfungen ermittelten Messpunkte 52 ^' sind im Diagramm je weils mittels eines dreieckig geformten Bezugssymbols dargestellt, während die oberhalb der Spitzlochbohrung 51 von Fig. 4A anhand der Härteprüfungen ermit telten Messpunkte 53 ^' jeweils mittels eines quadratisch geformten Bezugssym bols kenntlich gemacht sind. Aus dem im Diagramm dargestellten Härtetiefenpro fil ist die hohe Härte der - nitrierten - Randschichtzone im Vergleich zum tiefer gelegenen Bereich des Gefüges ersichtlich, denn in der Nähe des Randbereichs der Spritzlochbohrung 51 sind die Härtemesswerte (etwa 1200 HV 0.05 bis etwa 1400 HV 0.05) relativ hoch, wobei die Härte mit zunehmender Tiefe bzw. Entfer nung vom Rand abnimmt; diese Abnahme setzt deutlich bei d > 40 pm ein, wobei im Bereich 60 pm < d < 80 pm ein asymptotisch verlaufender Härtewert von etwa 800 HV 0.05 erkennbar ist.

Als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren 10 zum Herstellen von Bauteilen 11 eignet sich warmfester Stahl aus der Gruppe der Einsatzstähle wie z.B. 10CrMo9-10 oder 13CrMo4-5, oder aus der Gruppe der Warmarbeits stähle wie z.B. X38CrMoV5-l, X38CrMoV5-3 oder X40CrMoV5-l, oder aus der Gruppe der nichtrostenden Stähle wie z.B. X10CrMoVNb9-l oder X20CrMoVll- 1.

Zusammenfassend ist das Verfahren 10 zum Herstellen von wenigstens einem metallischen Bauteil 11 vorgesehen, wobei zunächst das Bauteil 11 einsatzge härtet wird, wobei wenigstens eine Wärmebehandlung 13 ^{' ' '} zum Anlassen des Bauteils 11 erfolgt, dass nach der Wärmebehandlung 13 ^{' ' '} das Bauteil 11 nach bearbeitet wird, um das Bauteil 11 auf ein innerhalb vorbestimmter Toleranzen erforderliches Endmaß und/oder eine Endform zu bringen, und dass danach das nachbearbeitete Bauteil 11 nitriert wird, wobei eine zum Nitrieren 15 vorgesehe ne Prozesstemperatur deutlich niedriger als eine bei der der Nachbearbeitung vorgeordneten und zum Anlassen des Bauteils 11 dienenden Wärmebehandlung 13 ^{' ' '} eingestellte Anlasstemperatur gewählt wird. Dabei wird die zum Nitrieren vorgesehene Prozesstemperatur so gewählt, dass sie mindestens etwa 30 °C, bevorzugt mindestens etwa 50 °C, niedriger als die Anlasstemperatur liegt.