Experimentelle Untersuchung und Modellierung des Niederdruck-Carbonitrierens*

Abstract

Kurzfassung Das Gas-Carbonitrieren ist ein seit Jahrzehnten etabliertes Wärmebehandlungsverfahren. Im Vergleich zum reinen Aufkohlen, ermöglicht die zusätzliche Zugabe von Stickstoff eine höhere Härtbarkeit sowie eine bessere Anlass- und Verschleißbeständigkeit. Beim klassischen Verfahren besteht die Gefahr der Randoxidation der Bauteiloberflächen. In Abhängigkeit von der Bauteilbeanspruchung muss die Oxidschicht durch eine kostenintensive Nachbearbeitung entfernt werden. Bei komplexen Bauteilgeometrien, wie beispielsweise Tieflochbohrungen, ist eine Nachbearbeitung meist nicht möglich. Die Randoxidation kann durch das Niederdruck-Carbonitrieren vermieden werden. Ohne ein grundlegendes Verständnis über die Wechselwirkungen der Kohlenstoff- und Stickstoffdonatoren bei den Oberflächenvorgängen und des Kohlenstoffs und Stickstoffs beim Stofftransport in der Eisenmatrix ist jedoch eine Prozessauslegung bei diesem neuartigen Verfahren nur mit hohem zeitlichem und experimentellem Aufwand möglich. Daher soll der Stofftransport modelliert werden, um eine schnelle, simulationsgestützte Auslegung zu ermöglichen. In diesem Beitrag wird ein Modell zur vollständigen Beschreibung der Stofftransportvorgänge beim Niederdruck-Carbonitrieren vorgestellt. Ein Vergleich der mathematischen Ansätze mit den experimentellen Ergebnissen erfolgt nur bei der Beschreibung der Diffusion. Es werden die Ergebnisse zur Löslichkeit und zur Diffusion des Stickstoffs in den Einsatzstählen 20MnCr5 und 18CrNi8 präsentiert. Die Wärmebehandlung erfolgte in einem industriellen Vakuumofen. Im ersten Schritt wurde die Stickstofflöslichkeit in Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung, des Drucks und der Temperatur untersucht. Im zweiten Schritt folgte die Modellierung der Diffusionsvorgänge. In erster Näherung zeigen die berechneten Verläufe der Kohlenstoff- und der Stickstoffkonzentrationen im Stahl eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen.