DE19626833A1

DE19626833A1 - Verfahren zur Erzeugung einer hochkorrosionsbeständigen martensitischen Randschicht über einem ferritisch-martensitischen Kern in Bauteilen aus nichtrostendem Stahl

Info

Publication number: DE19626833A1
Application number: DE1996126833
Authority: DE
Inventors: Hans Prof Dr Ing Berns
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-04
Filing date: 1996-07-04
Publication date: 1998-01-08

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch Einsatzhärten erhalten Bauteile aus konventionellem niedriglegierten Einsatzstahl, wie z. B. 16 MnCr 5, eine aufgekohlte martensitische Randschicht hoher Härte über einem weicheren Kern. Für korrosionsbeständige Bauteile aus hochlegiertem nichtrostenden Stahl ist es zweckmäßig, das Aufkohlen durch Aufsticken zu ersetzen, da Stickstoff wie Kohlenstoff zur Aufhärtung der Randschicht führt, aber im Gegensatz zu Kohlenstoff die Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle erhöht. DE 40 33 706 beschreibt ein entsprechendes Verfahren zur Wärmebehandlung martensitischer nichtrostender Stähle, das als Einsatzhärten mit Stickstoff bezeichent werden kann. DE 44 11 795 behandelt einen für das Einsatzhärten mit Stickstoff geeigneten nichtrostenden Stahl, der nach dieser thermochemischen Behandlung neben einem hochkorrosionsbeständigen martensitisch harten Randgefüge auch ein martensitisches aber weicheres Kerngefüge aufweist. Aufgrund des hohen Legierungsgehaltes liegt die Härte des Kerngefüges im nichtrostenden Einsatzstahl über der des konventionellen Einsatzstahles. Die höhere Kernhärte senkt die Duktilität des Kernes. Dadurch wird das Vermögen des Bauteilkernes verringert, im Rand gebildete Risse aufzufangen. Deshalb reicht dieses bekannte Verfahren für manche Einsatzfälle nicht aus.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung einer hochkorrosionsbeständigen martensitisch harten Randschicht über einem möglichst weichen Kern zu schaffen, wobei die Randschichteigenschaften nach DE 40 33 706 durch Einsatzhärten mit Stickstoff erzielt werden sollen. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verfahrenseinzelheiten sind in den Ansprüchen 2 bis 6, vorteilhafte Verwendungen in den Ansprüchen 7 und 8 angegeben. Zur Absenkung der Kernhärte wird auf ein vollständig martensitisches Kerngefüge verzichtet und ein Anteil an weicherem δ-Ferrit, kurz Ferrit genannt, zugelassen. Um ein weicheres Ferritnetz um die härteren Martensitkörner und die damit verbundene Gefahr lokalisierter Gleitung bei mechanischer Beanspruchung zu vermeiden, soll der Ferritanteil im ferritisch-martensitischen Kerngefüge mindestens 40 Vol.-% betragen. Er soll 90 Vol.-% nicht überschreiten, um durch Zweiphasigkeit des Gefüges das Kornwachstum bei Aufsticktemperatur einzudämmen. Mit steigendem Ferritanteil geht das Kerngefüge von einem Duplex- in ein Dualphasengefüge aus Ferrit und Martensit über.

Um das ferritisch-martensitische Kerngefüge mit 40 bis 90 Vol.-% Ferrit durch Einsatzhärten zu erzielen, müssen Legierungszusammensetzung und Wärmebehandlungsbedingungen aufeinander abgestimmt werden. Wegen der Korrosionsbeständigkeit und Stickstofflöslichkeit wird der Gehalt an Cr auf mindestens 12 Gew.-% festgelegt. Die Mittelwerte der Legierungsgehalte an ferritstabilisierenden Elementen Cr, Si, Mo und W sowie an austenitstabilisierenden Elementen Ni, Mn, C und N werden gewichtet und zu einem Chromäquivalent Cr_Äq bzw. einem Nickeläquivalent Ni_Äq zusammengefaßt. Für das erfindungsgemäße Verfahren sind solche Stähle geeignet, die im Legierungsfeld B nach Fig. 1 liegen. Die Legierungsgehalte können erzeugungsbedingt im üblichen Rahmen um den Mittelwert schwanken.

Das Einsatzhärten besteht in der Regel aus einem Aufsticken in N₂-Gas bei 1050 bis 1150°C, gefolgt von der Direkthärtung. Da das Ferrit/Austenit Phasengleichgewicht mit steigender Temperatur zu einem höheren Ferritgehalt verschoben wird, hängt bei gegebener Legierungszusammensetzung das Volumenverhältnis von Ferrit zu Martensit nach dem Härten von der gewählten Aufsticktemperatur ab. Das Nickeläquivalent nach Fig. 1 wird daher temperaturabhängig um ΔNi_Äq = (T_A - 1050)/100 in Gew.-% erhöht, so daß mit steigender Aufsticktemperatur T_A(°C) das Ferrit/Martensit-Verhältnis unverändert bleibt.

Wie erfolgreich die Kernhärte durch den Übergang vom vollmartensitischen zum ferritisch- martensitischem Gefüge gesenkt werden kann, geht aus Tafel 1 hervor. Während die Ausführungsbeispiele A und B des bekannten Stahles mit vollmartensitischem Kerngefüge nach dem Härten von 1100°C eine Härte von über 320 HV30 erreichen, zeigen die erfindungsgemäßen Stähle C bis E mit mehr als 40 Vol.-% Ferrit eine Härte von < 300 HV30. Entsprechend liegt die Duktilität, ausgedrückt durch die Bruchdehnung A₅, bei den erfindungsgemäßen Stählen C bis E höher als bei den bekannten Stählen A und B.

Die niedrige Härte des ferritisch-martensitischen Kerngefüges ist besonders dann mit einer höheren Duktilität verbunden, wenn übermäßiges Kornwachstum beim Aufsticken vermieden wird, weil die Übergangstemperatur zum Sprödbruch mit der Korngröße steigt. Das kann durch geringe kornfeinende Legierungszusätze wie (V + Nb + Ti) 0,25 Gew.-% erreicht werden. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 wiedergegeben.

Einsatzgehärtete Bauteile aus nichtrostendem Stahl werden zum einen im klimabedingten Temperaturbereich verwendet, zum anderen auch bei erhöhter Betriebstemperatur. Für diesen Fall ist eine hohe Anlaßbeständigkeit im Rand erforderlich. Auch hier bietet das Aufsticken Vorteile gegenüber dem Aufkohlen, da stickstoffhaltiger Martensit bis zum Sekundärhärtemaximum bei 450°C angelassen werden kann, ohne daß die Korrosionsbeständigkeit spürbar nachläßt, während sich die Korrosionsbeständigkeit des kohlenstoffhaltigen Martensits ganz deutlich verschlechtert. Diese bekannte Kombination von hoher Anlaß- und Korrosionsbeständigkeit im Rand der mit Stickstoff einsatzgehärteten Bauteile aus nichtrostendem Stahl wird durch das erfindungsgemäße Verfahren um einen weichen Kern auch nach Anlassen im Sekundärhärtebereich ergänzt. Wie aus Tafel 1 hervorgeht bleibt bei den Ausführungsbeispielen C bis E die Anlaßhärte unter 320 HV30.

Der Erfolg des neuen Verfahrens läßt sich wie folgt zusammenfassend darstellen: Das Ziel, die Kernhärte eines mit Stickstoff einsatzgehärteten Bauteiles aus nichtrostendem Stahl zu senken, wird durch den Übergang von einem vollmartensitischen zu einem ferritisch-martensitischen Kerngefüge erreicht. Dabei sind zwei Grenzen für den Ferritgehalt zu beachten. Bei einem Ferritgehalt bis 40 Vol.-% besteht die Gefahr lokalisierter Gleitung mit einem nachteiligen Einfluß auf die Duktilität. Bei mehr als 90 Vol.-% Ferrit und insbesondere bei vollständig ferritischem Kerngefüge kommt es zu verstärktem Kornwachstum während des Aufstickens mit ebenfalls nachteiligen Folgen für die Duktilität. Die Verwendung eines Kerngefüges mit 40 bis 90 Vol.-% beruht auf grundsätzlichen werkstofftechnischen Überlegungen und ist die Voraussetzung dafür, daß die geringere Härtte des weicheren Ferrits in Duktilität umgesetzt werden kann, ohne daß dieser Vorteil durch Kornwachstum wieder aufgezehrt wird.

Die Einstellung des erfindungsgemäßen Kerngefüges erfordert genaue Kenntnisse über die Konstitution nichtrostender Stähle. Die in Fig. 1 wiedergegebenen Grenzlinien geben das Legierungsfeld an, in dem das Verfahren bevorzugt anwendbar ist. Darüber hinaus wird die Höhe der Aufsticktemperatur berücksichtigt.

Als Ergebnis des neuen Verfahrens wird die Kernhärte an Ausführungsbeispielen von 420 bis 321 HV30 für bekannte vollmartensitische Stähle auf 298 bis 215 HV30 für erfindungsgemäße Stähle gesenkt. Das entspricht einer mittleren Härteabnahme von 113 HV30. Die Duktilität - als Bruchdehnung A₅ - steigt von 9 auf 28%. Damit wird das gesteckte Ziel in überzeugender Weise erreicht.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, den zäh/spröd-Übergang kubisch raumzentrierter Metalle durch Kornfeinung zu tieferen Temperaturen zu verschieben, was vor allem für gekerbte Bauteile von Bedeutung ist. Neben der Kornwachstumsbehinderung beim Aufsticken durch Zweiphasigkeit des Kerngefüges wird eine weitere durch feine Nitrid- oder Karbidausscheidung der Elemente V, Nb und Ti angewendet. Die Effektivität dieser erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ist aus Fig. 2 eindeutig zu ersehen.

Tafel 1

Ausführungsbeispiele

A und B sind bekannte Stähle nach DE 44 11 795 mit vollmartensitischem Kerngefüge des Anspruchs 3 bzw. Anspruchs 2. C bis E sind erfindungsgemäße Stähle mit ferritisch-martensitischem Kerngefüge.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung einer hochkorrosionsbeständigen martensitischen Randschicht über einem ferritisch-martensitischen Kern in Bauteilen aus nichtrostendem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte an ferritstabilisierenden und austenitstabilisierenden Elementen in gewichteter Form innerhalb vorgegebener Grenzlinien (1, 2, 3, 4) liegen, so daß nach dem Einsatzhärten mit Stickstoff der Ferritanteil im Kern zwischen 40 und 90 Vol.-% liegt und die Kernhärte weniger als 300 HV30 beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Stahl mindestens 12 Gew.-% Cr und weniger als 0,12 Gew.-% (C + N) enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte an ferritstabilisierenden Elementen Cr, Si, Mo und W und an austenitstabilisierenden Elementen Ni, Mn, C und N in gewichteter Form innerhalb des schraffierten Bereiches (B) der Fig. 1 liegen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nach Fig. 1 für eine Aufsticktemperatur T_A von 1050°C geltende Nickeläquivalent um einen Betrag ΔNi_Äq = (T_A - 1050)/100 erhöht wird, wobei 1050°C < T_A < 1150°C.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verfahrensbedingte Kornwachstum bei Aufsticktemperatur durch kornfeinende Legierungszusätze von (V + Nb + Ti) 0,25 Gew.-% eingeschränkt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernhärte nach Anlassen bei 400 bis 500°C nicht über 320 HV30 steigt.

7. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6 zur Herstellung nichtrostender oder warmfester Teile für Wälzlager, Kugelgewindetriebe, Zahnräder und Wellen mit integrierten Verzahnungen oder Laufbahnen.

8. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7 für Werkzeuge, Pumpen, Armaturen und Befestigungselemente.