FI90439B

FI90439B - Method for manufacture of workpieces of ferritic steel

Info

Publication number: FI90439B
Application number: FI893613A
Authority: FI
Inventors: Knut Jansen; Andreas Franziskus; Hans-Joachim Pluemer
Original assignee: Itw Ateco Gmbh
Priority date: 1989-07-28
Filing date: 1989-07-28
Publication date: 1993-10-29
Also published as: FI893613A; FI893613A0; FI90439C

Description

1 904391 90439

Menetelmä valmistaa työkappaleita ferriittisestä teräksestä. -Förfarande för framställning av arbetstycken av ferritiskt stal.The method manufactures workpieces from ferritic steel. -Frange for the processing of ferritic stal.

Keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen menetelmään työkappaleiden valmistamiseksi ferriittisestä teräksestä.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 for producing workpieces from ferritic steel.

Useissa käyttötapauksissa on työkappaleella oltava suuri kovuus ja korkea kulumisenkestävyys. Lisäksi sen on oltava korroosion-kestävä. Hiiliteräkset eivät sovellu näihin käyttötapauksiin, koska ne ovat erityisen herkkiä syövyttäville aineille. Tämän johdosta on tunnettua käyttää ruostumattomia seosteräksiä, jotka sisältävät esim. kromia, nikkeliä, kobolttia, molybdeeniä ja vastaavia. Sellaiset seostetut teräkset ovat tavallisesti suhteellisen korroosionkestäviä ja ne voidaan säätää haluttuun kovuuteen johtuen niiden karkenevuudesta. Sittenkään ei esim. kromiteräs ole hyväksyttävä kiinnityselimien, esimerkiksi ruuvien valmistamiseen, erityisesti poraruuvien valmistamiseen rakennusalalla. Syynä tähän on vedyn indusoimat säröilyt (vety-haurastuminen). Jatkuvassa staattisessa kuormituksessa pidemmällä ajanjaksolla voi kiinnityselimen alun alkujaan sisältämä vety johtaa mainittuun säröilyyn. Saman vaikutuksen aikaansaa vety, joka ulkoa päin - esim. korroosiotapauksen katodisessa reaktiossa - siirtyy kiinnityselimeen. Sellainen tapahtuma vähentää esim. ruuvin kestävyyttä, jolloin rakennuksen turvallisuus heikkenee. On tosin ajateltavissa työkappaleen alun alkujaan sisältämän vedyn poistaminen termisesti ja suojakerroksen muodostaminen pinnoittamalla, esim. galvanoimalla, joka muodostaa esteen vedylle. On olemassa kuitenkin vaara, että paikoilleen panon yhteydessä suojakerros vahingoittuu tai ei luonteeltaan estä täysin säröjen muodostumista, joten tällä tavoin ei voida estää vetyhaurautta.In many applications, the workpiece must have high hardness and high wear resistance. In addition, it must be corrosion-resistant. Carbon steels are not suitable for these applications as they are particularly sensitive to corrosive substances. As a result, it is known to use stainless alloy steels containing, for example, chromium, nickel, cobalt, molybdenum and the like. Such alloy steels are usually relatively corrosion resistant and can be adjusted to the desired hardness due to their hardness. However, chromium steel, for example, is not acceptable for the production of fastening elements, for example screws, in particular for the production of drill screws in the construction industry. This is due to hydrogen-induced cracking (hydrogen embrittlement). Under continuous static loading for a longer period of time, the hydrogen initially contained in the fastening member can initially lead to said cracking. The same effect is produced by hydrogen, which is transferred to the fixing member from the outside - e.g. in the cathodic reaction in the case of corrosion. Such an event reduces, for example, the durability of the screw, which reduces the safety of the building. However, it is conceivable to thermally remove the hydrogen initially contained in the workpiece and to form a protective layer by coating, e.g. galvanizing, which forms a barrier to hydrogen. However, there is a risk that the protective layer will be damaged or not completely prevented by cracking during application, so that hydrogen embrittlement cannot be prevented in this way.

2 904392 90439

Keksinnön tehtävänä on tarjota menetelmä valmistaa työkappa-leita ferriittisestä teräksestä, jossa työkappaleella on suuremmalla kovuudella ja lujuudella hyvä korroosionkestävyys, joka tulee lähelle austeniittisia kromi-nikkeli-teräksiä ja joissa vältetään vedyn indusoima säröily.The object of the invention is to provide a method for manufacturing workpieces from ferritic steel, in which the workpiece has good corrosion resistance with higher hardness and strength, which comes close to austenitic chromium-nickel steels and in which hydrogen-induced cracking is avoided.

Tämä tehtävä ratkaistaan patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkien mukaisesti.This object is solved according to the features of claim 1.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä muodostetaan työkappale rakenteeltaan muuttumattomasta ferriittisestä kromiteräksestä, jolla on vähintään 13% kromipitoisuus. Keksinnön taustana on se tieto, että useissa käyttötapauksissa ei ole tarpeen karkaista työkappaletta läpikotaisin vaan pintakarkaisu on riittävä. Keksintö perustuu edelleen siihen tietoon, että diffuusiohehku-tuksen ja siihen liittyvän soveliaan jäähdytyksen avulla voidaan muodostaa pintakerros, jolla on sovelias kovuus ja vety-tiiveys. Keksinnön mukaisessa menetelmässä työkappale varustetaan nikkeliä tai olennaisesti nikkeliä tai kobolttia sisältävää seosta olevalla pinnoitteella, jonka paksuus on vähintään 5 Atm. Seuraavana työkappale diffuusiohehkutetaan hapettomassa tilassa vähintään 850°C, jolloin samanaikaisesti teräksessä oleva vety tulee poistetuksi termisesti ja pinnoitteesta ja perusmateriaalista muodostuu diffuusiokerros jolla on erityiset ominaisuudet. Seuraavassa sopivassa jäähdytyksessä uusi muodostettu diffuusiokerros saatetaan martensiittimuodostuksella haluttuun kovuuteen.In the method according to the invention, the workpiece is formed from a ferritic chromium steel having an unchanged structure and a chromium content of at least 13%. The background of the invention is the information that in many applications it is not necessary to harden the workpiece thoroughly, but surface hardening is sufficient. The invention is further based on the knowledge that a surface layer having a suitable hardness and hydrogen tightness can be formed by diffusion annealing and the associated suitable cooling. In the method according to the invention, the workpiece is provided with a coating having a thickness of at least 5 Atm of nickel or a mixture containing essentially nickel or cobalt. Next, the workpiece is diffusion annealed in an oxygen-free state at a temperature of at least 850 ° C, whereby at the same time the hydrogen in the steel is thermally removed and the coating and the base material form a diffusion layer with special properties. In the next suitable cooling, the newly formed diffusion layer is brought to the desired hardness by martensite formation.

Tekniikan tasoon nähden keksinnön mukainen menetelmä käyttää hyväksi rakenteeltaan muuttumatonta kromiterästä, jolloin työ-kappale varustetaan vain pintaosassaan karkaistulla pinnoitteella. Tämä pinnoite on muodostettu siten, että se muodostaa jäähdytyksen jälkeen esteen vedylle.With respect to the prior art, the method according to the invention utilizes chromium steel of unchanged structure, whereby the workpiece is provided only with a hardened coating in its surface part. This coating is formed so as to form a barrier to hydrogen after cooling.

3 904393,90439

Keksinnön mukaisen menetelmän mukaan on käsitellyillä työkappa-leilla nikkelivaippa yhdessä sen alapuolisen kromi-nikkeli-rau-takerroksen kanssa, jolla on vaihteleva koostumus. Lämpökäsittelyllä poistetaan esiintyvä vety. Vety, jota voi muodostua * esim. korroosiotapauksessa, ei voi tunkeutua nikkeli-rauta- diffuusio-kerroksen lävitse. Keksinnölle on olennaista se, että myös työkappaleen ydin muodostuu korkealaatuisesta, rakenteeltaan muuttumattomasta teräksestä ja joka nikkelin diffuusiolla kromiteräkseen tai päinvastoin kromin diffuusiolla nikkelipin-noitteeseen antaa austeniittiselle välikerrokselle suhteellisen suuren paksuuden, joka muodostaa tehokkaan esteen vedyn tunkeutumiselle. Keksinnön mukaisessa menetelmässä ei tarvita mitään kovuutta aikaansaavien aineiden diffuusiota nikkelikerroksen lävitse, työkappaleen käyttökelpoisuuden saavuttamiseksi.According to the method of the invention, the treated workpieces have a nickel sheath together with a chromium-nickel-iron layer below which has a variable composition. The heat treatment removes the hydrogen present. Hydrogen, which can be formed * e.g. in the case of corrosion, cannot penetrate through the nickel-iron diffusion layer. It is essential to the invention that the core of the workpiece also consists of high-quality, structurally unchanged steel and which, by diffusion of nickel into chromium steel or vice versa by diffusion of chromium into the nickel coating, gives the austenitic interlayer a relatively large thickness. In the method according to the invention, no diffusion of hardening agents through the nickel layer is required in order to achieve the usability of the workpiece.

Karkaisu- ja korroosionkestävyyden muodostaminen kromi- ja mahdollisesti molybdeenipitoisen austeniittisen kerroksen johdosta jo luonteeltaan korroosionkestävän materiaalin päälle tapahtuu yhdessä yksittäisessä toimenpiteessä. Mikäli kromiteräs sisältää keksinnön eräässä kehitysmuodossa molybdeeniä, vaikuttaa austeniittisen välikerroksen molybdeenipitoisuus edullisesti uudelleenpassivoitumiseen (Repassivierung).The formation of hardening and corrosion resistance due to a chromium- and possibly molybdenum-containing austenitic layer on a material which is already corrosion-resistant takes place in a single operation. If the chromium steel contains molybdenum in one embodiment of the invention, the molybdenum content of the austenitic interlayer preferably has an effect on repassivation (Repassivierung).

Keksinnön mukaisessa menetelmässä vaaditaan vain yksi yksittäinen kerros halutun korroosionkestävyyden saavuttamiseksi ja vedyn indusoiman säröilyn välttämiseksi.In the method according to the invention, only one single layer is required to achieve the desired corrosion resistance and to avoid hydrogen-induced cracking.

Keksinnön erään kehitysmuodon mukaisesti nikkelipinnoitteen tai vast, pinnoitteen, joka muodostuu nikkeliä tai kobolttia sisältävästä seoksesta, päälle levitetään pinnoite, jossa on kromia, kobolttia, molybdeeniä tai kuparia vähintään kahden «n paksuuteen. Edellä esitetyssä diffuusiohehkutuksessa kromiteräksen päälle muodostuu austeniittinen kromi-nikkeli-rautakerros, joka ylimenovaiheetta vaihtuu ferriittiseksi kromiteräkseksi.According to an embodiment of the invention, a coating with chromium, cobalt, molybdenum or copper is applied to a nickel coating or a coating consisting of a mixture containing nickel or cobalt to a thickness of at least two. In the diffusion annealing described above, an austenitic chromium-nickel-iron layer is formed on the chromium steel, which in the transition phase changes to ferritic chromium steel.

4 90439 Päinvastoin kuin tunnetuissa kiinnityselimissä, jotka valmistetaan korroosionsuojauksen perusteella rakenteeltaan muuttumattomasta austeniittisesta ruostumattomasta- ja haponkestävästä teräksestä, johtaa keksinnön mukainen menetelmä työkappalei-siin, jotka lähes yhtä hyvillä korroosionkestävyyksillä voidaan säätää haluttuun kovuuteen.4,90439 In contrast to known fasteners made of austenitic stainless and acid-resistant steel of unaltered structure on the basis of corrosion protection, the method according to the invention results in workpieces which can be adjusted to the desired hardness with almost equal corrosion resistance.

Eräässä keksinnön mukaisen menetelmän vaihtoehdossa on järjestetty, että työkappale muodostetaan nikkeli- tai molybdeeni-pitoisesta teräksestä, työkappale varustetaan sen jälkeen kromipinnoitteella, jonka paksuus on vähintään 5 m ja seuraa-vana hapettomassa tilassa lämpökäsittelyllä vähintään 850°C:ssa saatetaan haluttuun kovuuteen. Tällä menetelmällä saadaan vastaava korroosionsuojapinnoite kuin edellä on esitetty.In an alternative to the method according to the invention, it is provided that the workpiece is formed of nickel or molybdenum-containing steel, the workpiece is then provided with a chromium coating with a thickness of at least 5 m and subsequently heat-treated at least 850 ° C to the desired hardness. This method gives a corrosion protection coating similar to that described above.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan lisäkorroosionsuojaus galvanoimalla tai kadmioimalla jättää pois. Epäilemättä voidaan lisäkerroksia levittää liukuominaisuuksien parantamiseksi (kitkan pienentämiseksi kiinnityselintä käytettäessä). Orgaanisesta materiaalista valmistettujen kerroksien sijaan ovat myös metalliset pinnoitteet ajateltavissa.In the method according to the invention, additional corrosion protection by galvanizing or cadmium can be omitted. Undoubtedly, additional layers can be applied to improve the sliding properties (to reduce friction when using the fastener). Instead of layers made of organic material, metallic coatings are also conceivable.

Keksinnön mukainen menetelmä soveltuu erilaisiin korkealaatuisiin työkappaleisiin, esimerkiksi veitsenteriin, kirurgisiin laitteisiin tai muihin kulumista kestäviin työkaluihin ja laitteisiin. Erityisen edullinen se on kiinnityselimien valmistukseen, kuten ruuvit ja vastaavat, erityisesti poraruuvit, rakennusalalla, joissa vaaditaan hyvää korroosionkestävyyttä ja suurta kovuutta turvallisuuden kannalta. Kovuus on esim. pora-ruuveissa tarpeen, jotta ne pystyisivät poraamaan sydänreiän myös suhteellisen kovaan kantoaineeseen.The method according to the invention is suitable for various high-quality workpieces, for example knife centers, surgical devices or other wear-resistant tools and devices. It is particularly advantageous for the manufacture of fastening members, such as screws and the like, in particular drill screws, in the construction industry, where good corrosion resistance and high hardness are required for safety. Hardness is required, for example, in drill screws, so that they can also drill a core hole in a relatively hard carrier.

Julkaisusta DE-OS 24 18 908 on tunnettu menetelmä teräsosien korroosionkestävyyden parantamiseksi teräspohjalla, erityisesti vaippaputkisauvavastukset, lipeäsäiliö, pesukoneiden rummut, 5 90439 kuivauskoneiden rummut ja linkojen rummut, jossa menetelmässä teräsosat varustetaan nikkelikylvyssä 5 - 10 wn nikkelikerrok-sella. Seuraavana teräsosat hehkutetaan 800 - 1000°C:ssa hapettavassa atmosfäärissä. Tällä tavoin muodostettu nikkelioksidi-pinnoite aikaansaa tietyn lämpötilan- ja korroosionkestävyyden. Vedyn indusoimaa säröilyä ei tällä tavalla voida kuitenkaan välttää. Lisäksi sellaisilla teräsosilla ei ole esim. poraus-ruuvia varten tarvittavaa kovuutta.DE-OS 24 18 908 discloses a method for improving the corrosion resistance of steel parts on a steel base, in particular jacketed pipe resistors, lye tank, washing machine drums, drum drum drums and centrifugal drums, in which the steel parts are provided in a nickel bath with a nickel layer of 5 to 10. Next, the steel parts are annealed at 800 to 1000 ° C in an oxidizing atmosphere. The nickel oxide coating formed in this way provides a certain temperature and corrosion resistance. However, hydrogen-induced cracking cannot be avoided in this way. In addition, such steel parts do not have the hardness required for a drilling screw, for example.

Seuraavassa annetaan muutamia esimerkkejä käytetyistä materiaaleista ja menetelmästä.The following are a few examples of the materials and method used.

Kromiteräs:Chrome steel:

Materiaali DIN 17006 mukaan: 1,1% Hiiltä; 15% kromia; 0,5 molybdeeniäMaterial according to DIN 17006: 1.1% Carbon; 15% chromium; 0.5 molybdenum

Materiaali Nr, 4112 DIN 17006 mukaan: 0,9% Hiiltä; 18% kromia; 1,2 molybdeeniäMaterial No. 4112 according to DIN 17006: 0.9% Carbon; 18% chromium; 1.2 molybdenum

Poraruuvi, esimerkiksi ylläolevasta kromiteräksestä varustetaan galvaanisesti 10 «n paksuisella nikkelipinnoitteella tai 5 m paksuisella nikkeli- ja noin 2 m kromipinnoitteella.A drill screw, for example made of the above chrome steel, is galvanically equipped with a 10 «n thick nickel coating or a 5 m thick nickel and about 2 m chromium coating.

Galvanointiolosuhteet nikkelikerrosta varten:Electroplating conditions for nickel layer:

Lämpötila: 50 - 70°CTemperature: 50 - 70 ° C

pH: 6-3pH: 6-3

Virrantiheys: 2 - 9 A/d cm2 nikkelikylpy: nikkelisulfaatti: 300 g/1 nikkelikloridi: 40 g/1 nikkeliboorihappo: 40 g/1Current density: 2 - 9 A / d cm2 nickel bath: nickel sulphate: 300 g / l nickel chloride: 40 g / l nickel boric acid: 40 g / l

Galvanointiolosuhteet kromikerrosta varten: 6 90439Electroplating conditions for chromium layer: 6 90439

Lämpötila: 55eCTemperature: 55eC

Virrantiheys: 40 A/d cm2 kromikylpy: kromihappo: CrO3 350g/l rikkihappo: tiheys 1,84 2,5 g/1Current density: 40 A / d cm2 chromium bath: chromic acid: CrO3 350g / l sulfuric acid: density 1.84 2.5 g / l

Luonnollisestikin myös virrattomalla menetelmällä voidaan galvanoida.Of course, the electroless method can also be galvanized.

Lämpökäsittely tapahtuu uunissa hapettomassa tilassa lämpötilassa esim. 1000°C 10 minuutin ajan. Lämpötila riippuu käytetystä ydinmateriaalista ja aika säädettävästä kovuudesta.The heat treatment takes place in an oven in an oxygen-free state at a temperature of e.g. 1000 ° C for 10 minutes. The temperature depends on the core material used and the time-adjustable hardness.

On tarkoituksenmukaista vastaavasti jäähdyttää osat lämpökäsittelyn jälkeen perushiilipitoisuudesta riippuen, martensiittisen karkaisurakenteen saamiseksi. Seuraavana osat edullisesti säädetään haluttuun kovuuteen päästämällä, esimerkiksi kuumentamalla lämpötilaan välillä 100 - 700°C.Accordingly, it is expedient to cool the parts after the heat treatment, depending on the base carbon content, in order to obtain a martensitic hardening structure. Next, the parts are preferably adjusted to the desired hardness by allowing, for example, heating to a temperature between 100 and 700 ° C.

Claims

7 90439

A method of making workpieces from ferritic steel, characterized in that the workpiece is formed of unchanged chromium steel having a chromium content of at least 13%, then the workpiece is provided with a nickel coating or an alloy coating containing substantially nickel or cobalt with a coating thickness of at least next, the workpiece is diffusion annealed at at least 850 ° C in an oxygen-free state, and thus the layer doped with nickel or cobalt is hardened by martensite formation.

2. A method of making workpieces from ferritic steel, characterized in that the workpiece is formed of unstructured nickel or molybdenum-containing steel, then the workpiece is provided with a chromium coating of at least 5 m thickness, followed by diffusion annealing at least 850 ° C the chromium-doped layer is hardened by martensite formation-la.

Process according to Claim 1, characterized in that the chromium steel contains molybdenum.

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that a coating of chromium, cobalt, molybdenum or copper with a coating thickness of at least 2 m is applied to the nickel coating.

Fastening member, such as a screw or the like, in particular a drill screw, characterized in that it is produced by a method according to any one of claims 1 to 4. β 90439