AT526716A2

AT526716A2 - Verfahren zum Nitrieren von Bauteilen

Info

Publication number: AT526716A2
Application number: ATA50964/2023A
Authority: AT
Inventors: Pöckl Gottfried
Original assignee: Gottfried Poeckl
Priority date: 2022-12-01
Filing date: 2023-11-30
Publication date: 2024-06-15
Also published as: AT526716A3; DE102023133600A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nitrieren von Bauteilen aus ledeburitischen Werkzeugstählen, wobei das Nitrieren mit Zugabe von zumindest 1 Gew.-% Kohlenstoff zum Nitriergas erfolgt.

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nitrieren von Bauteilen

aus ledeburitischen Werkzeugstählen. Stand der Technik

Die DE 198 52 450 C2 betrifft eine Karbidzerfallsglühung von Gusseisen in einer entkohlenden Atmosphäre. Damit der Kohlenstoff an der Oberfläche nicht ganz aus dem Bauteil entweicht, wird in der entkohlenden Atmosphäre ein gewisser Kohlenstoffpegel (0,15 Vol-%) eingestellt.

Die DE 21 05 549 A betrifft unlegierte und niedriglegierte Stähle, die in einem zweistufigen Prozess nitriert werden, in der zweiten Stufe wird Kohlenstoff in die Atmosphäre eingebracht. Gelöst wird dadurch ein Sprödigkeitsproblem der Verbindungsschicht

(übermäßiges Dickenwachstum und Porosität).

Die DE 100 03 526 Al optimiert die Atmosphäre in einem Karburierprozess („Karbonitrieren“ ist ein Karburierprozess) damit auch höher legierte Stähle als Einsatzstähle (ca. 0,1 Gew-% bis

0,2 Gew-% Kohlenstoff) gut karburiert werden können.

In der Werkstofftechnik ist es Stand der Technik die Gehalte der

Q Q

Legierungselemente in Masse-% bzw. Gew.-% anzugeben.

Eine Gaszusammensetzung wird in Volumen-% bzw. Vol-% angegeben, da auf ein chemisches Molekül H2, N2, NH3, CO2, CH4, etc. bezogen

wird.

Ledeburitische Werkzeugstähle sind Stähle (Eisenlegierungen) mit einem hohen Gehalt an Kohlenstoff und karbidbildenden Legierungselementen. Aufgrund des hohen Kohlenstoffgehaltes werden bei der Erstarrung direkt aus der Schmelze eutektische Karbide ausgeschieden. Die Art, Größe, Menge und Ausbildungsformen dieser Karbide sind abhängig vom Legierungsgehalt. Neben Kohlenstoff sind die wichtigsten Legierungselemente die Karbidbilder Chrom,

Wolfram, Molybdän, Vanadium und Niob.

Die Karbidtypen und ihre Anordnung bestimmen mit der

martensitischen Matrix die erzielbaren Stahleigenschaften. Die

seıte 1

ledeburitischen Werkzeugstähle zeichnen sich durch eine hohe Verschleißbeständigkeit bei entsprechender Zähigkeit aus. Nach ihren Anwendungsgebieten werden sie in Kaltarbeits-, Messer-,

Schnellarbeits- und Kunststoffformenstähle unterteilt.

Kaltarbeitswerkzeuge sind etwa Stempeln, Dorne, Schnittwerkzeuge, Pressmatrizen, usw. Aus Messerstählen werden die diversen Messer für den Einsatz im Haushalt und in der Industrie gefertigt. Schnellarbeitsstähle werden eingesetzt, wenn eine höhere Temperaturbelastung auftritt, wie etwa beim Bohren, Fräsen und Drehen. Häufig treten sie in Konkurrenz zu Hartmetall. Kunststoffformenstähle sind, wie in vielen Fällen auch die Messerstähle, zusätzlich korrosionsbeständig und werden oft als Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung eingesetzt. Gefertigt werden etwa Schnecken, Rückstromsperren und andere

Werkzeuge.

Je nach den benötigten Eigenschaften der unterschiedlichen Werkzeuge unterschieden sich in den Stählen die karbidbildenden

Legierungselemente.

In Kaltarbeitsstählen ist das dominierende Legierungselement Chrom. Chrom bildet relativ grobe Karbidstrukturen des Typus M7C3 und M23C6 (M ... Metall, karbidbildendes Element: Cr, Mo, V; C ... Kohlenstoff). Das M7C3 Karbid hat eine trigonale Gitterstruktur. Die Größe der M7C3 ist neben der Erstarrungsgeschwindigkeit auch von Verhältnis Chrom/Kohlenstoff abhängig. Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto gröber die Karbide. Die M23C6 Karbide haben eine komplexe kubisch

raumzentrierte Struktur.

Bei den Kaltarbeitsstählen werden drei Gruppen an Chromgehalten unterschieden: 5 Gew.-%, 8 Gew.-% und 12 Gew.-%ige ChromKaltarbeitsstähle. Der Chromgehalt korreliert wegen der Chromkarbidbildung mit dem Kohlenstoffgehalt. Je höher der Chromgehalt, desto höher ist auch der Kohlenstoffgehalt und umso spröder aber auch verschleißbeständiger und schneidhaltiger sind die Kaltarbeitsstähle. Bei höheren Anforderungen an Erodier- und

Nitrierbarkeit verwendet man Kaltarbeitsstähle mit niedrigerem

seıte 2

Legierungsgehalt. Zusätzlich sind die Kaltarbeitsstähle mit etwas Molybdän und Vanadium legiert, um eine bessere Warmfestigkeit bei höheren Temperaturen zu erreichen und im eingeschränkten Maße die Karbidausbildung und -verteilung zu

verbessern.

Über die pulvermetallurgische Herstellungsroute werden auch sehr hohe Vanadiumgehalte von 9 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% realisiert. Bei dieser Herstellungsroute fallen zusätzlich folgende Herstellungsschritte an: Die Stahlschmelze wird hier zuerst zu Pulver verdüst. Das Pulver wird anschließend in Kapseln gepackt und durch Heiß-Isostatisches-Pressen wieder vollständig zu einem

kompakten Stahlblock verdichtet.

Vanadium bildet ein kubisch flächenzentriertes MC Karbid und wird üblicherweise als kompaktes, globulares Karbid ausgeschieden. MC Karbide haben eine hohe Härte von etwa 2000 HV. In pulvermetallurgisch hergestellten Kaltarbeitsstählen werden die Vanadiumkarbide durch ihren hohen Gehalt und ihre besonderen Eigenschaften zum Hauptträger des Verschleißwiderstandes. Dadurch werden deutlich höhere

Standzeiten der Werkzeuge erzielbar.

Häufig werden die Kaltarbeitsstähle mit einer Härte von 60 bis

62 HRC (HRC ... Härte Rockwell C) eingesetzt.

Einige der wichtigsten Vertreter der ledeburitischen Kaltarbeitsstähle sind X210Cr12, X155CrVMol2-1, X110CrMo8-2, X110CrMoAl8-2, X100CrMo5, sowie die pulvermetallurgischen Stähle ÄX250VCrMo10-6, +X190VCrMo9-5, -X250VCrMoCoW9-5-3-2.

Messerstähle haben ähnliche Anforderungen an Verschleißbeständigkeit und Schneidhaltigkeit wie Kaltarbeitsstähle, weshalb diese häufig auch als Messer eingesetzt werden. Zusätzlich spielt in vielen Anwendungen die Korrosionsbeständigkeit noch eine bedeutende Rolle, weshalb der Chromgehalt für diese Anwendungen weiter erhöht wird. Typisch sind Chromgehalte von 15 Gew.-% bis 18 Gew.-%. Da bei diesen

Stählen ein Teil des Chroms nicht in Karbiden abgebunden wird,

sondern weiter in der Eisenmatrix gelöst bleibt, ist er reaktiv

seıte 3

und kann an der Werkzeugoberfläche mit dem Sauerstoff aus der Luft reagieren. Das Reaktionsprodukt Chromoxid bildet dann eine dichte Oberflächenschicht mit einer Schichtdicke von wenigen Ängström, welche weitere chemische Reaktionen und somit

Korrosion verhindern.

Bei den Messerstählen gibt es sowohl nicht ledeburitische als auch einige wenige ledeburitische Stähle. Ab einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,4 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% ist in Wechselwirkung mit den jeweiligen karbidbildenden Legierungselementen in den einzelnen Stählen die Löslichkeitsgrenze erreicht, weshalb sich schon bei der

Erstarrung der Schmelze die ersten Karbide ausbilden.

Zu den ledeburitischen Messerstählen gehören neben den oben besprochenen Kaltarbeitsstählen noch zusätzlich die Stähle

X90CrMoV18, X105CrMol7, X105CrCoMol8-2.

Schnellarbeitsstähle zeichnen sich durch hohe Warmhärte und Verschleißbeständigkeit aus. Schnellarbeitsstähle weisen im Vergleich zu den Kaltarbeitsstählen einen höheren Gehalt an Sonderkarbidbildnern auf. Die Karbidbildung wird von den Elementen Wolfram, Molybdän und Vanadium übernommen. Chrom mit einem Gehalt von ca. 4 Gew.-% spielt hier eine untergeordnete Rolle. Für hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten und hohe Anforderung an die Warmfestigkeit werden auch noch höhere

Gehalte an Kobalt von 5 Gew.-%, 8 Gew.-%, 10 Gew.-% oder mehr

zugesetzt.

Wolfram bildet bevorzugt M6C Karbide eines komplexen kubisch flächenzentrierten Gittertyps. M6C bilden sich in den Schnellarbeitsstählen in einer fischgrätenartigen, eher groben

Form aus, welche sich nachteilig auf die Zähigkeit auswirken.

Die Zugabe von höheren Gehalten an Molybdän führt zur Bildung

von deutlich feineren M2C Karbiden eines hexagonalen Gittertyps. Die M2C Karbide aus der Erstarrung sind metastabil und zerfallen bei der Stahlherstellung (Glühen, Warmumformung) zu MC Karbiden

und M6C Karbiden.

Sseıte 4

Vanadium führt, wie bereits bei den Kaltarbeitsstählen

beschrieben, zur Bildung von MC Karbiden.

Schnellarbeitsstähle haben eine eigene Nomenklatur. „HS“ steht als Symbol für „high speed steel“, „PM“ für die pulvermetallurgische Stahlherstellungsroute. Die Legierungselemente werden in Prozentzahlen in der Reihenfolge

Wolfram, Molybdän, Vanadium und Kobalt angegeben.

Die wichtigsten Schnellarbeitsstähle sind HS10-4-3-10, HS6-5-2, HS6-5-2-5, HS2-10-1-8 und die pulvermetallurgischen Stähle PM HS6-5-3, PM HS6-5-4, PM HS6-5-3-8 und PM HS10-2-5-8,

Über die pulvermetallurgische Stahlherstellungsroute gibt es auch einige ledeburitische Kunststoffformenstähle, die ähnlich den Messerstählen eine auf den Anwendungsfall zugeschnittene Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Gegenüber den Messerstählen haben die ledeburitischen Kunststoffformenstähle einen deutlich höheren Karbidgehalt, ermöglicht durch die pulvermetallurgische Herstellungsroute. Die Hauptlegierungselemente neben Kohlenstoff sind Chrom und Vanadium. Die Stähle enthalten daher M7C3 Karbide und MC Karbide.

Einige bedeutende pulvermetallurgischen Kunststoffformenstähle sind -»X190CrVMo20-4, -X260CrVMo26-4, -X230CrVMol4-9, „X170CrVMol8-3,

Nitrieren ist ein thermochemisches Oberflächenverfahren, bei dem durch Zufuhr von Stickstoff eine Härtung der Oberfläche erfolgt. Es stehen mehrere Verfahren zur Verfügung Je nach Mittel, das zur Nitrierung verwendet wird. Es gibt Gas-, Plasma-, Pulverund Salzbadnitrierverfahren. Der Stickstoff wird an der Oberfläche aufgebracht und gelangt durch Diffusion ins

Werkstoffinnere.

Dabei entsteht an der Oberfläche die sogenannte Verbindungsschicht. Bei unlegierten Stählen besteht die Verbindungsschicht aus Fe4N und Fe2-3N. Das Fe4N Eisennitrid oder y-Nitrid hat eine kubisch dichte Kristallstruktur. Die Eisenatome bilden ein kubisch flächenzentriertes Gitter. Der

Stickstoff besetzt die raumzentrierte Lücke der kubischen Zelle.

seıte 5

Das Fe2-3N Eisennitrid oder 8&-Nitrid hat eine hexagonal dichte Kristallstruktur. Bei legierten Stählen geht der Stickstoff bevorzugt mit den Elementen Titan, Aluminium, Vanadium, Chrom und Molybdän Verbindungen ein und bildet neue Nitridformen

sogenannte Sondernitride,.

Die durch den Transport von Stickstoff erzeugte Diffusionsschicht hat nur eine geringe LöÄÖslichkeit an

Stickstoff. Im reinen Eisen ist sie mit 0,115 Gew.-% begrenzt.

Bei höheren Stickstoffgehalten scheiden sich an bevorzugten

Gitterplätzen yY-Nitride aus. Bei legierten Stählen ist die Löslichkeit weiter abgesenkt und es scheiden sich Sondernitride

aus.

Die Dicke der Diffusionsschicht wird als Nitrierhärtetiefe bezeichnet. Sie wird anhand des Härteprofils ermittelt. Als Grenzwert der Härte wird Grundwerkstoffhärte plus 50HV (HV...Härte Vickers) herangezogen. Die Diffusion und damit die Dicke der Diffusionsschicht ist stark (exponentiell) von der Temperatur und etwas vermindert (linear) von der Dauer abhängig. Die Nitriertemperatur ist wegen ungünstiger Phasenumwandlungen nach oben hin begrenzt und liegt bei unlegierten Stählen und Nitrierstählen bei 500°C bis 570°C. Bei Bauteilen aus hochlegierten Werkzeugstählen kommen noch weitere Faktoren dazu wie Verzug und Härteabfall, weshalb eine weitere Absenkung der Nitriertemperatur nötig sein kann. Bei unlegierten Stählen erreicht man in Abhängigkeit der Nitrierdauer ca. 0,3mm bis 0,8mm Nitrierhärtetiefe. Die Legierungselemente haben auch einen Einfluss auf die Diffusion, im speziellen die Transportgeschwindigkeit des Stickstoffs. In legierten Stählen

sinkt die Nitrierhärtetiefe daher auf unter 0,1mm.

Sind im Stahl Kohlenstoff und Karbide vorhanden, tritt der Stickstoff auch mit diesen in Wechselwirkung. Beide Elemente Stickstoff und Kohlenstoff - sind interstitielle Einlagerungsatome und treten in Wettbewerb um die günstigsten Gitterplätze. Eine hohe Konzentration an Stickstoff bewirkt ein

Verdrängen des Kohlenstoffes, der ins Metallinnere diffundiert.

7721 seıte 6

Der Stickstoff wechselwirkt auch mit den vorhandenen Karbiden. Durch das Verdrängen ins Innere stehen die Karbide nicht mehr im Gleichgewicht mit dem gelösten Kohlenstoff. Die Karbide beginnen sich am Rand aufzulösen. Der frei gewordene Kohlenstoff diffundiert ins Innere. Die metallischen Legierungselemente können bei Nitriertemperatur nur geringe Strecken diffundieren. Sie regieren mit dem neu angelieferten Stickstoff und bilden Nitride. Auch der freie Kohlenstoff sucht sich bevorzugte Gitterstellen, wie Korngrenzen oder andere Gitterdefekte, um sich bei hohen Gehalten dort wieder als Karbide oft in Form von

Eisen- oder Chromkarbiden auszuscheiden.

Die in den ledeburitischen Stählen vorhandenen Karbide zeigen unterschiedliches Verhalten auf das Eindiffundieren des Stickstoffs abhängig von der Größe und der Zusammensetzung der

Karbide.

Vor dem Nitrieren werden die Bauteile aus ledeburitischen Werkzeugstählen gehärtet und angelassen. Dabei bilden sich etwa 10 bis 20um große Sekundärhärtekarbide. Diese bewirken durch ihre Verspannung des Gitters die hohe Härte der Stähle typischerweise 55HRC bis 68HRC. Chemisch sind die Sekundärhärtekarbide Mischkarbide der vorhandenen karbidbildenden Legierungselemente in der jeweiligen Stahllegierung der Stöchiometrie MC oder M2C. Im Gegensatz dazu sind die bereits aus der Schmelze ausgeschiedenen und bei der Warmumformung - Walzen und Schmieden - umgeformten und gebrochenen Karbide in einer Größe von 1 bis 50um vorhanden. Während die feinen nanometergroßen Karbide sich schnell umwandeln, ist dies bei den großen Karbiden ein Vorgang der bei

den Nitriertemperaturen mehrere Stunden dauert.

Eine wichtige Rolle spielt hier die Affinität der Elemente zueinander. Zu Kohlenstoff haben die Elemente Vanadium, Wolfram, Molybdän, Chrom und Eisen in der angegebenen Reihenfolge eine hohe Affinität. Zu Stickstoff haben die Elemente Vanadium und Chrom eine hohe Affinität und Molybdän und Eisen eine deutlich

geringere. Wolfram hat keine in der Werkstofftechnik der

seıte 7

ledeburitischen Werkzeugstähle bedeutende Affinität zu

Stickstoff.

Demzufolge reagieren die in den ledeburitischen Stählen vorhandene Karbide MC, M2C, M7C3 und M6C unterschiedlich auf das

Eindiffundieren des Stickstoffes.

Die in den Kaltarbeits-, Messer- und Kunststoffformenstählen vorhandenen M7C3 neigen durch ihren hohen Gehalt an Chrom und dem teilweise vorhandenen Vanadium zu einem vollständigen Umwandeln in Nitride. MC Karbide mit dem Hauptlegierungselement Vanadium wandeln langsamer um, wobei zu unterscheiden ist zwischen den Schnellarbeitsstählen, deren MC Karbide durch höhere Anteile an Wolfram, Molybdän und Chrom entsprechend reaktionsträge sind, und den restlichen ledeburitischen Stählen, die neben Vanadium nur Chrom enthalten und schneller reagieren. Die von Haus aus metastabilen, molybdänreichen M2C Karbide haben auch eine gewisse Neigung zum Reagieren, während die

wolframreichen M6C kaum mit Stickstoff reagieren.

Beim Vorhandensein einer größeren Anzahl von zur Umwandlung neigenden Karbiden werden größere Mengen an Kohlenstoff freigesetzt. Diese diffundieren weiter ins Innere und scheiden sich an Gitterfehlern wieder als Karbide aus. Die großen Mengen an freigesetzten Kohlenstoff führen zu einer vollständigen Belegung der früheren Austenitkorngrenzen durch plattenförmige Karbide und bilden ein durchgängiges Karbidnetzwerk. Dieses Netzwerk hat ungünstige versprödende Eigenschaften, da es die Eisenmatrix vollständig unterbricht. Bei höheren Belastungen des Bauteils beim Einsatz kann es zu Ausbrüchen entlang des Netzwerkes kommen und damit einen vorzeitigen Ausfall der

Bauteile bewirken.

Fig 1 veranschaulicht das Gefüge eines pulvermetallurgisch hergestellten, ledeburitischen, nitrierten Werkzeugstahles mit Netzwerkbildung (A), und mit einem Ausbruch (B) und dem Erscheinungsbild (C) eines Ausbruchs an der Oberfläche des

Stahls.

seıte 8

Diese Versprödung ist auch am Härteverlauf zu beobachten. Bei einem günstigen Nitrierergebnis kommt es zu einem konstanten Härteabfall von der Oberfläche nach innen. Bei einer Netzwerkbildung steigt die Härte von der Oberfläche nach innen zuerst noch weiter an, wodurch auch die versprödende Wirkung

begründet ist, bevor es zu einem Abfall kommt.

Fig. 2 veranschaulicht den Härteverlauf mit Netzwerk (obere Kurve) und ohne Versprödung (untere Kurve) dabei ist HV

Härte Vickers und x ... Abstand von der Werkstückoberfläche in um.

Plasmanitrieren ist für ledeburitischen Werkzeugstähle das bevorzugte Nitrierverfahren, da der Nitrierprozess damit am besten kontrolliert und gesteuert werden kann. Üblicherweise

Q

werden beim Plasmanitrieren N; Gehalte von 20 Vol.-% bis 80 Vol.% eingestellt. Der Rest ist Wasserstoff. Eine Nitrierdauer von 10h bis 80h ist üblich. Dazu kommen noch ein Gasdruck von wenigen mbar (etwa 2 bis 3mbar) und die Parameter der Plasmabildung (Strom, Spannung, Impulsdauer, Impulspause, ...). Häufig wird die Nitrierung in verschiedenen Programmschritten

durchgeführt, bestehend aus dem Aufheizen, Sputtern, Nitrieren

und Abkühlen.

Gibt es Probleme mit Versprödungen wird bei höher legierten Stählen das N2/H2; Verhältnis vermindert bis das Nitrierergebnis das gewünschte Ergebnis zeigt. Zeigen die ledeburitischen Werkzeugstähle das Verhalten der Netzwerkbildung, ist auch eine Verringerung des N2-Gehaltes auf 3 Vol.-% oder 1 Vol.-% nicht ausreichend. Sobald Stickstoff eindiffundiert, erfolgt die

Freisetzung des Kohlenstoffes und die Netzwerkbildung an den

Korngrenzen. Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es ein verbessertes Nitrierverfahren

für Bauteile aus ledeburitischen Werkzeugstählen zu schaffen. Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird dies mit einem Verfahren nach Anspruch 1

gelöst.

seıte 9

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Zugabe von Kohlenstoff während des Nitrierens der ledeburitischen

Werkzeugstähle.

Bevorzugt wird der Kohlenstoff zugeführt, wenn bzw. sobald die

Nitriertemperatur erreicht ist.

Bevorzugt wird Stickstoff bereits zugeführt, wenn mit dem

Aufheizen begonnen wird. Bevorzugt wird Kohlenstoff mit einem Hilfsgas zugeführt.

Bevorzugt beträgt der Anteil des Kohlenstoffs im Nitriergas

(Gasgemisch in der Nitrieranlage) mindestens 1 Gew.-%.

Besonders bevorzugt beträgt der Anteil des Kohlenstoffs im Nitriergas (Gasgemisch in der Nitrieranlage) zwischen 2 und 5

Gew.-%, ganz besonders bevorzugt zwischen 3 und 4 Gew-%.

Bevorzugt wird, dass Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid (CO2) oder als Kohlenwasserstoff (CxHy) zugeführt wird. Der Kohlenwasserstoff ist bevorzugt gasförmig. Der Kohlenwasserstoff

ist besonders bevorzugt Methan (CH).

Beim Gasnitrieren kann CO2 als Kohlenstoffträger verwendet

werden. Beim Plasmanitrieren wird bevorzugt CH4 verwendet.

Die Zugabe von weiteren Hilfsgasen ist im Rahmen des

erfindungsgemäßen Verfahrens nicht ausgeschlossen.

Das Verfahren umfasst bevorzugt einen Reinigungszyklus, welcher

in Folge beschrieben wird.

Durch die Zugabe der relativ großen Menge an Kohlenstoff (CHa beim Plasmanitrieren, CO; beim Gasnitrieren) wird der Ofeninnenraum mit Kohlenstoff kontaminiert (nach einiger Zeit ist überall im Ofen Grafit zu sehen). Diese Kohlenstoffablagerungen beeinträchtigen den nachfolgenden Nitrierprozess und die Qualität entgleitet. Die Härte der Nitrierschicht fällt deutlich und relativ rasch ab, wodurch schon bei der dritten Fertigungscharge die Härtevorschriften

nicht mehr eingehalten werden können.

seıte 10

Um dies zu verhindern, ist es für das Nitrieren der ledeburitischen Werkzeugstähle notwendig zwischen den Chargen einen sogenannten Reinigungszyklus zu fahren. Bei diesem wird der Ofen ohne Werkstücke und ohne Zugabe von Kohlenstoff gefahren, damit der Kohlenstoff durch abtragende Wirkung des Gases (Sputtern mit dem entstehenden Plasma) aus der Anlage wieder entfernt werden kann. Beim Reinigungszyklus wird bevorzugt ein Gasgemisch aus Hz, N; und Ar (Argon) verwendet. Beim Reinigungszyklus können geeignete Parameter der Nitrieranlage verwendet werden, welche sich von den Parametern des Nitriervorgangs unterscheiden können. Geeignete Parameter sind dem Fachmann geläufig oder lassen sich durch Versuch

ermitteln.

Bevorzugt wird, dass für jede Stahlsorte eine eigene Nitriercharge gefahren wird, also nur sortenrein chargiert wird. Dadurch können die Nitrierparameter für Jede Stahllegierung optimiert werden für einen homogenen und gleichbleibenden Qualitätsstandard. Geeignete Parameter und deren Optimierung hängen von der Nitrieranlage und den Eigenschaften der zu nitrierenden Bauteile ab und lassen sich durch Versuch ermitteln. Da es sehr schwierig ist, beim Nitrieren der ledeburitischen Stähle ein enges Qualitätsfenster einzuhalten, wird in einer Ausführungsvariante der Erfindung ein sogenanntes

Vornitrieren durchgeführt.

Das Vornitrieren findet statt, wenn der Ofen und die Charge, in Form der eingelegten Bauteile, bereits auf Haltetemperatur sind. Das Vornitrieren erfolgt bevorzugt über eine Dauer von ein bis zehn Stunden, besonders bevorzugt von ein bis drei Stunden. Dies ist variabel für den Jeweiligen Werkstoff oder den Zustand des Ofens. Beim Vornitrieren wird noch ohne Zugabe von Kohlenstoff nitriert. Mit diesem Prozessschritt wird sichergestellt, dass eine ausreichende Menge an Stickstoff an der Bauteiloberfläche für den Transport ins Innere zur Verfügung steht, bevor Kohlenstoff zugesetzt wird. So wird ein hohes Härteniveau

sichergestellt. Kohlenstoff hat eine bremsende Wirkung auf das

seıte 11

Eindiffundieren des Stickstoffs, da sich beide die gleichen

Gitterplätze teilen und so in Konkurrenz zu einander stehen.

Somit ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass Kohlenstoff zu einem späteren Zeitpunkt nach Erreichen der Nitriertemperatur bzw. Haltetemperatur zugeführt wird. Bevorzugt wird der Kohlenstoff ein bis zehn Stunden nach Erreichen der Nitriertemperatur zugeführt. Besonders bevorzugt wird der Kohlenstoff ein bis drei Stunden nach Erreichen der

Nitriertemperatur zugeführt.

Bevorzugt wird, dass die Härte der nitrierten Bauteile nach Entnahme aus der Nitrieranlage kontrolliert wird und die Nitrierparameter bei Abdriften des Zustandes der Nitrieranlage neu angepasst werden, wenn die Härte an eine untere Freigabegrenze abfällt. Das Anpassen der Nitrierparameter bei Feststellung eines Drifts ist ein Vorgang, welchen ein Fachmann

auf dem Gebiet des Nitrierens bekannt ist.

Vorteilhaft am gegenständlichen Verfahren ist, dass trotz Vorhandensein von MC, M2C und M7C3 Karbiden keine Netzwerkbildung und Versprödung auftritt, die im Einsatzfall zu

vorzeitigem Bauteilausfall führen kann.

Dies wird durch den Eingriff in den kinetischen Vorgang der Umwandlung der Karbide in Nitride und insbesondere deren

Verlangsamung erreicht.

Bei den ledeburitischen Werkzeugstählen handelt es sich bevorzugt um Kaltarbeitsstähle, Messerstähle oder

Kunststoffformenstähle.

Bevorzugt werden die Kaltarbeitsstähle, Messerstähle oder Kunststoffformenstähle gehärtet und angelassen werden, bevor

diese nitriert werden.

Bevorzugt handelt es sich bei den nitrierten Bauteilen um Sperrringe, Druckringe oder anderen Sperrenteilen oder um

Schnecken für die Plastifiziereinheit einer Spritzgießmaschine.

seıte 12

Bevorzugt handelt es sich bei den ledeburitischen Werkzeugstählen um pulvermetallurgisch hergestellte,

ledeburitische Kunststoffformenstähle.

Bevorzugt handelt es sich bei den ledeburitischen Werkzeugstählen um X105CrCoMol18-2 oder -X190CrVMo20-4 oder —X260CrVMo26-4,

Die Erfindung betrifft zudem Bauteile aus ledeburitischen Werkzeugstahl, welche nach dem gegenständlichen Verfahren nitriert wurden und sich dadurch auszeichnen, dass diese im Randbereich einen Kohlenstoffgehalt von zumindest 0,4 Gew.-%

aufweisen. Die Erfindung wird Anhand von Figuren veranschaulicht.

Fig. 1 veranschaulicht das Problem der Netzwerkbildung beim

Stand der Technik.

Fig. 2 veranschaulicht das Problem der Versprödung beim Stand

der Technik.

Fig. 3 veranschaulicht Parameter des gegenständlichen

Nitrierverfahrens.

Zu den Fig. 1 und 2 wurde bereits weiter oben bei den

Ausführungen zum Stand der Technik Bezug genommen.

In Folge wird das gegenständliche Verfahren unter Bezugnahme auf

Fig. 3 erläutert.

Wie aus dem Stand der Technik bekannt, werden beim gegenständlichen Verfahren die zu nitrierenden Bauteile in die Nitrieranlage gegeben und für die Nitrierdauer in dieser belassen. Die Nitrierdauer beträgt dabei einige Stunden (beispielsweise zwischen 10 und 80h). Die Dauer ist davon

abhängig, welche Nitriertiefe beim Bauteil gewünscht wird.

Die Nitriertemperatur beträgt beim gegenständlichen Verfahren

bevorzugt zwischen 450 und 540 °C.

Wie nach dem Stand der Technik bekannt, kann der Druck beim Nitrieren eingestellt werden. Im Fall von Plasmanitrieren können bekannte Eingriffe in die Parameter (Strom, Spannung,

Impulsdauer, Impulspause, ...) erfolgen und/oder verschiedene

seıte 13

Programmschritte durchgeführt werden, bestehend aus dem Aufheizen, Sputtern, Nitrieren und Abkühlen. Jeder der Programmschritte kann weiter unterteilt und die Parameter

angepasst werden.

Wie nach dem Stand der Technik bekannt ist, können Hilfsgase dem

Stickstoff zugemischt werden.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das Nitrierverfahren auf ledeburitischen Werkzeugstählen angewandt wird und die dabei resultierenden Probleme damit verhindert werden, indem während

dem Nitrieren Kohlenstoff zugeführt wird.

Der Kohlenstoff verhindert, dass oberflächennahe Karbide in

Nitride umgewandelt werden.

Wenn kein Kohlenstoff zugegeben wird, erfolgt in der Randschicht des nitrierten Bauteils eine Reduktion des Kohlenstoffgehalts

auf null. Mit dem gegenständlichen Verfahren wird erreicht, dass in der Randschicht ein Kohlenstoffgehalt von zumindest 0,4 Gew.-

% verbleibt.

Fig. 3 veranschaulicht den zeitlichen Ablauf des Nitrierens. Nach Beladen der Anlage mit den zu nitrierenden Bauteilen werden zum Zeitpunkt tO0 die Luft abgepumpt, dann Stickstoff sowie

Hilfsgase im mbar-Bereich zugeführt und das Aufheizen beginnt.

Zum Zeitpunkt tl oder später wird Kohlenstoff in Form von CH4 zugeführt. Auch der Anteil an Stickstoff wird auf Kosten von Wasserstoff erhöht. Wie dargestellt kann die Zugabe von CH4 sprunghaft erfolgen. Eine allmähliche Erhöhung des Gehalts ist

aber nicht ausgeschlossen.

Bevorzugt wird CH4 erst nach oder exakt bei Erreichen der gewünschten Nitriertemperatur zugegeben. Eine Zugabe vor Erreichen der gewünschten Nitriertemperatur ist aber nicht

ausgeschlossen.

Bevorzugt bleiben der Stickstoffgehalt und der CH4 Gehalt über den weiteren Verlauf konstant. Er kann aber auch variiert

werden.

seıte 14

Bevorzugt bleiben der Stickstoffgehalt und der CH4 Gehalt bis zum Beginn des Abkühlens zum Zeitpunkt t2 konstant. Er kann aber

auch variiert werden.

Bevorzugt bleiben der Stickstoffgehalt und der CH4 Gehalt bis zum abgeschlossenen Abkühlen der Nitrieranlage konstant. Zum Zeitpunkt t3 kann die Nitrieranlage geöffnet und die Bauteile

entnommen werden.

Beim gegenständlichen Verfahren können als weitere Hilfsgase Wasserstoff (H2) und Argon (Ar) zugegeben werden. Die Zugabe erfolgt bevorzugt zum Zeitpunkt tO0 und kann später variiert

werden.

seıte 15

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Nitrieren von Bauteilen aus ledeburitischen Werkzeugstählen, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitrieren

mit Zugabe von zumindest 1 Gew.-% Kohlenstoff zum Nitriergas

erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid oder als

Kohlenwasserstoff, vorzugsweise Methan, zugeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe von Kohlenstoff im Bereich

von 2 Gew.-% bis 5 Gew.-%, bevorzugt von 3 bis 4 Gew-% zum

Nitriergas erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff nach Erreichen der

gewünschten Nitriertemperatur zugegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff ein bis zehn Stunden, bevorzugt ein bis drei Stunden nach dem Zeitpunkt des

Erreichens der gewünschten Nitriertemperatur zugegeben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitrieren über einen Zeitraum von 10

bis 80h erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitrieren bei einer Temperatur von

450 °C bis 540 °C erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den ledeburitischen Werkzeugstählen um Kaltarbeitsstähle, Messerstähle oder

Kunststoffformenstähle handelt.

seıte 16

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltarbeitsstähle, Messerstähle oder Kunststoffformenstähle

gehärtet und angelassen werden, bevor diese nitriert werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitrieren bei einer Temperatur von

450 °C bis 510 °C erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den nitrierten Bauteilen um Sperrringe, Druckringe oder anderen Sperrenteilen oder Schnecken für die Plastifiziereinheit einer

Spritzgießmaschine handelt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den ledeburitischen Werkzeugstählen um pulvermetallurgisch hergestellte,

ledeburitische Kunststoffformenstähle handelt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch

gekennzeichnet, dass es sich bei den ledeburitischen Werkzeugstählen um X105CrCoMol18-2 oder -X190CrVMo20-4 oder

—X260CrVMo26-4 handelt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem Nitriervorgang ein Reinigungszyklus ausgeführt wird, bei welchem die Leere Nitrieranlage, also ohne eingelegte Bauteile, ohne Zugabe von Kohlenstoff betrieben wird, sodass eine Abtragung des in der

Nitrieranlage angelagerten Kohlenstoffs erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass beim Reinigungszyklus ein Gasgemisch aus H2, N2 und Ar verwendet

wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch

gekennzeichnet, dass für jede Stahlsorte eine eigene

seıte 17

Nitriercharge gefahren wird, also nur sortenrein chargiert

wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte der nitrierten Bauteile nach Entnahme aus der Nitrieranlage kontrolliert wird und die Nitrierparameter bei Abdriften des Zustandes der Nitrieranlage neu angepasst

werden, wenn die Härte an eine untere Freigabegrenze abfällt.

18. Bauteil aus ledeburitischen Werkzeugstahl, welches gemäß einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 17 nitriert wurde, dadurch gekennzeichnet, dass dieses im Randbereich einen

Q

Kohlenstoffgehalt von zumindest 0,4 Gew.-% aufweist.

seıte 18