Verfahren zur Oberflächenvergütung von Metallgegenständen und nach dem Verfahren hergestellter Metallgegenstand Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenvergütung von Metallge genständen und auf einen nach dem Verfahren her gestellten Metallgegenstand. Insbesondere ist das Verfahren anwendbar für die Oberflächenvergütung von Gegenständen aus Eisen oder Eisenlegierungen.
Unter den bekannten Verfahren zur Oberflächen vergütung von Gegenständen aus Metallen und Me tallegierungen, insbesondere solchen aus Eisen und Eisenlegierungen, sind auch sogenannte Diffusions- behandlungen bekanntgeworden, bei welchen ein Fremdstoff in die Oberfläche der betreffenden Me tallgegenstände eindiffundiert wird. Beispielsweise. ist die Anreicherung der Oberfläche von Gegen ständen aus Metall bzw.
Metallegierungen mittels eindiffundiertem Stickstoff bereits für viele Zwecke angewendet worden, sei es unter Verwendung eines Ionenbombardement in einer elektrischen Gas- und Glimmentladung, besonders für Eisen- und Bunt metall-Gegenstände, sei es durch die sogenannte ther mische Gasnitrierung bei Teilen aus Eisen und Eisen legierungen. Durch die Anreicherung der Metall oberfläche mittels eindiffundiertem Stickstoff wird bekanntlich bei Gegenständen aus Eisen und Eisen legierungen eine bedeutende Steigerung der Ober flächenhärte erzielt, wobei die Eindringtiefe des Stick stoffs meist 0,5 mm nicht überschreitet.
Ausser der sogenannten Diffusionsbehandlung von Metalloberflächen ist aber auch die thermische Här tung der Oberfläche und einer relativ dünnen, meist wenige Millimeter nicht überschreitenden Oberflä chenzone bekanntgeworden, bei welchem Verfahren die meist auf Raumtemperatur befindlichen Metall gegenstände kurzzeitig auf relativ hohe Temperaturen in der Grössenordnung von 800-1000 C erhitzt wer den, vorzugsweise durch Induktionserhitzung, durch Flammenerhitzung oder auf andere geeignete Weise.
Wird diese Erhitzung sehr intensiv und nur kurz zeitig durchgeführt bzw. sofort anschliessend eine rasche Abkühlung bewirkt, so lässt sich, beispiels weise bei einer grossen Zahl von Eisenlegierungen, eine gegenüber dem Kernmaterial wesentlich härtere Oberflächenzone schaffen.
Bei der Untersuchung dieser beiden obengenann ten, für sich alleine bekannten Verfahren der Ober flächenvergütung hat sich nun gezeigt, dass ein we sentlicher Fortschritt dann erzielbar ist, wenn die beiden Verfahren miteinander kombiniert werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenvergütung von Metallgegenständen und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Metall gegenstände sowohl einer Diffusionsbehandlung, bei der ein Fremdstoff in die Oberflächen der Metall gegenstände eindiffundiert wird, als auch einer ther mischen Oberflächenhärtung unterzogen werden.
Ferner betrifft die Erfindung einen Metallgegen stand, hergestellt nach diesem Verfahren und ver sehen mit einer gehärteten Oberfläche, gekennzeich net durch eine mit Fremdstoffen angereicherte Dif fusionszone und eine tiefer reichende und gegen über dem Kernmaterial vorwiegend thermisch ge härtete zweite Zone.
Das obengenannte Verfahren ist besonders für Waffenrohre aus Eisen und eisenhaltigen Legierungen mit einer durch Nitrierung gehärteten Oberflächen schicht vorteilhaft anwendbar, wobei mindestens Tei le der Innenwandung der Waffenrohre nitriert und innerhalb einer vorbestimmten Tiefe thermisch ge härtet werden.
Die vorliegende Erfindung ist nachstehend in einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Bei der Herstellung von Metallkörpern aus Eisen und Eisenlegierungen mit einer durch Nitrierung gehärteten Oberflächenschicht reicht diese durch ein diffundierten Stickstoff erzeugte gehärtete Zone meist nur einige Zehntelsmillimeter, kaum mehr als 0,5 mm tief, in den Gegenstand hinein. An die derart gehärtete Oberflächenzone schliesst sich dann das weniger harte, ungeänderte Kernmaterial an.
Be sonders bei der sogenannten thermischen Gasnitrie- rung kann häufig ein relativ scharfer übergang zwischen der harten Oberflächenschicht und dem Kernmaterial beobachtet werden, auf welche Er scheinung meist die grosse Sprödigkeit solcher ther misch erzeugten Nitrierschichten zurückgeführt wird.
Bei der beispielsweise in den Patentschriften Nrn. 355 233 und 373 484 näher beschriebenen elektri schen Nitrierung durch ein Ionenbombardement in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre mittels elek trischer Gas- und Glimmentladungen kann zwar ein sehr allmählicher Übergang von der durch eindif- fundierten Stickstoff gehärteten äusseren Randzone zum unveränderten Kernmaterial geschaffen werden und eine praktisch splitterfeste, duktile gehärtete Oberfläche erzeugt werden, jedoch ruht die harte und zähe Oberfläche nach wie vor auf dem weniger harten,
weil ungeänderten Kernmaterial. Bei be stimmten Beanspruchungen ist deshalb ein soge nanntes Einbrechen der mechanisch stark belaste ten harten Oberfläche in das weichere Kernmaterial zu beobachten.
Die Erscheinung des sogenannten Einbrechens könnte natürlich dadurch weitgehend beseitigt wer den, indem eine Stickstoffanreicherung bis in eine Tiefe von etwa 2 mm vorgenommen wird, was besonders bei der elektrischen Glimmnitrierung durchaus möglich ist. Diese Massnahme würde aber eine sehr lange Behandlungszeit von beispielsweise 60 bis 100 Stunden für jeden zu härtenden Gegen stand notwendig machen, weshalb in der Praxis eine grössere Nitriertiefe als etwa 0,4 bis 0,6 mm kaum angewendet wird.
Die gleiche Verbesserung lässt sich jedoch sehr viel einfacher und mit nur geringem Zeitaufwand gemäss dem vorliegenden Verfahren erzielen. Hierbei wird z. B. ausser der Nitrierung mittels eindiffun diertem Stickstoff auch eine thermische Härtung einer Oberflächenzone vorbestimmter Tiefe verwen det, beispielsweise durch eine Induktionshärtung mit anschliessender rascher Abkühlung. Mittels einer sol chen Induktionshärtung, einer Flammenhärtung oder mittels anderer bekannter Verfahren lässt sich eine thermische Härtung einer Oberflächenzone von bei spielsweise 2 mm Tiefe unschwer verwirklichen.
Hier zu ist meist nur eine Erhitzung während weniger Minuten auf über 650 C, vorzugsweise auf 800 bis 1000 C, ausreichend, wenn die Erhitzung ge nügend intensiv durchgeführt wird oder eine an schliessende rasche Abkühlung erfolgt. Wie bekannt, muss hierbei vermieden werden, dass das Kernmaterial selbst auf höhere Temperaturen als einige 100 C kommt.
Durch die Kombination der beiden Ver fahren, nämlich der thermischen Härtung einer Ober flächenzone und der Nitrierhärtung der Oberfläche, lassen sich Metallgegenstände herstellen, bei wel chen die harte Nitrierzone an eine thermisch ge härtete Materialzone anschliesst und diese dann in das nicht gehärtete Kernmaterial übergeht. Zweck mässigerweise wird die Eindringtiefe der thermischen Härtung grösser als die Eindringtiefe des eindiffun dierten Stickstoffes gemacht.
Das vorliegende Verfahren kann beispielsweise derart durchgeführt werden, dass zuerst die betreffen de Metalloberfläche mittels eindiffundiertem Stick stoff mit einer gehärteten Nitrierschicht versehen wird, wobei sowohl die übliche thermische Gas- nitrierung als auch die elektrische Nitrierung durch ein Ionenbombardement in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre anwendbar ist.
Nach erfolgter Be endigung der Nitrierung, die je nach der gewünschten Tiefe der Nitrierzone zwischen 10 und 60 Stunden betragen kann, wird das betreffende Werkstück lang sam abgekühlt, bis es Raumtemperatur angenommen hat. Anschliessend erfolgt eine thermische Härtung einer Oberflächenschicht von beispielsweise 2 bis 3 mm Tiefe, indem die Oberfläche während einiger Minuten durch Induktionsheizung auf etwa 900 C erhitzt wird.
Handelt es sich um ein Werkstück mit grosser Masse, so ist, bei genügend intensiver und kurzzeitiger Erhitzung, eine anschliessende be sondere Abkühlung nicht erforderlich, da die grosse Wärmeleitung innerhalb des Metallkörpers dafür sorgt, däss in einer Tiefe von über 2 bis 3 mm das Kernmaterial höchstens einige 100 warm wird und 400 bis 500 C nicht überschreitet. Ist dagegen ein Gegenstand mit relativ geringer Masse auf die angegebene Weise thermisch zu härten, so empfiehlt es sich, nach einigen Minuten Erhitzung der Ober fläche, den Gegenstand in einem Wasser-. oder Öl bad rasch abzukühlen.
Ein auf diese Weise her gestellter Metallkörper zeichnet sich dadurch aus, dass er von der Oberfläche aus in vorbestimmte Tiefe mit Fremdstoffen, hier also mit Stickstoff, angereichert ist, an welche Diffusionszone sich eine tiefer reichende thermisch gehärtete zweite Zone anschliesst, die in das unveränderte Kernmaterial übergeht. Wird für das Eindiffundieren des Stick stoffs eine Temperatur unterhalb von 650 C, vor zugsweise von 450-580 C, angewendet und für die thermische Härtung die Erhitzung auf über 650 C, vorzugsweise auf 800 bis 1000 C, vorgenommen, so ergibt sich eine Oberflächenvergütung des be treffenden Eisen- bzw.
Stahlkörpers, bei der auch eine punktweise Belastung der harten Oberfläche mittels sehr hoher Drücke kein Einbrechen der harten Nitrierschicht mehr beobachtet werden kann. Das vorliegende Verfahren kann im Prinzip aber auch umgekehrt ausgeführt werden, indem die zu vergütende Eisen- bzw. Stahloberfläche zuerst auf eine vorbestimmte Tiefe thermisch gehärtet wird, an welchen Vorgang sich dann die Diffusionsbe- handlung in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre, sei es durch thermische Gasnitrierung oder durch elek trische Glimmnitrierung, anschliesst.
In der Praxis hat sich jedoch die erstgenannte Reihenfolge der beiden Behandlungen besser bewährt als die letzt genannte Reihenfolge.
Es muss hier besonders betont werden, dass die beschriebene thermische Härtung einer relativ dün nen Oberflächenzone von nur einigen Millimetern Tiefe von dem sogenannten Anlasseng> unterschie den werden muss. Beim bekannten Anlassverfahren wird nicht nur die Oberflächenzone, sondern das gesamte Kernmaterial auf eine vorbestimmte Tem peratur gebracht und erfährt dadurch eine Um wandlung, meist eine grössere Festigkeit oder Härte. Beim vorliegenden Verfahren bleibt dagegen das Kernmaterial praktisch urgeändert, behält also seine mechanischen Eigenschaften, während lediglich eine dünne Oberflächenzone von einigen Millimetern Tiefe in ihrer Festigkeit geändert wird und als Träger schicht für die Nitrierzone dient.
Das vorliegende Verfahren wird mit besonderem Vorteil für die Ober flächenvergütung der Innenwandung von Geschütz rohren oder anderen Waffenrohren angewendet. Für derartige Waffenrohre hat sich bereits die elektrische Glimmnitrierung, beschrieben im Patent Nr. 308 295 besonders bewährt, da die sehr harte, aber zähe und duktile nitrierte Oberfläche eine bedeutende Verringerung des Verschleisses der Rohrinnenwan- dung beim Schiessvorgang ergibt. Für derart nitrierte Waffenläufe kann eine weitere Verbesserung durch Behandlung der Innenwandung gemäss dem oben beschriebenen Verfahren erzielt werden.
Vorzugs weise wird hierzu nach erfolgter Nitrierung der Innenwandung und Abkühlung des betreffenden Waf fenrohres eine kurzzeitige, aber intensive Erhitzung der Innenwandung erfolgt. Beispielsweise kann zu diesem Zweck eine Induktionsspule- mit vorbestimm ter Geschwindigkeit durch das Waffenrohr hindurch geführt und dabei mit Mittel- oder Hochfrequenz strom derart gespeist werden, dass an den jeweils der Spule benachbarten Stellen der Innenwandung die Oberfläche auf eine Temperatur erhitzt wird, die beim jeweils vorliegenden Werkstoff des Rohres eine thermische Härtung einer Oberflächenschicht von wenigen Millimeter .Tiefe bewirkt.
Bei genügend intensiver Erregung der Induktionsspule kann die Durchlaufgeschwindigkeit derselben durch das Waf fenrohr derart bemessen werden, dass tatsächlich nur eine Oberflächenzone an der Innenwandung ge härtet wird, während das anschliessende Kernmaterial unverändert bleibt. Falls erwünscht, kann auf diese Weise auch nur ein Teil des Waffenrohres an seiner Innenseite zusätzlich vergütet werden, beispielsweise der dem Patronenlager benachbarte, besonders hoch beanspruchte Teil des Waffenrohres.
Das vorliegende Verfahren ist oben für solche Ausführungsbeispiele beschrieben, bei welchen Ge genstände aus Eisen oder Eisenlegierungen, beispiels weise Waffenläufe durch eindiffundierten Stickstoff an der Oberfläche nitriert und ausserdem thermisch gehärtet werden.
Das Verfahren ist aber keineswegs hierauf beschränkt, sondern lässt sich auch für Ge genstände aus anderen Metallen und Metallegierun gen verwenden, beispielsweise für Buntmetalle. Ins besondere bei Verwendung einer elektrischen Gas- und Glimmentladung zum Eindiffundieren eines Fremdstoffes in eine Metalloberfläche in einer den betreffenden Fremdstoff enthaltenden Gasatmosphäre kann eine Oberflächenvergütung von Buntmetallen, wie Kupfer, Aluminium usw., erfolgen.
Method for the surface treatment of metal objects and a metal object produced by the method The present invention relates to a method for the surface treatment of metal objects and to a metal object produced by the method. In particular, the method can be used for the surface finishing of objects made of iron or iron alloys.
Among the known methods for surface treatment of objects made of metals and metal alloys, in particular those made of iron and iron alloys, so-called diffusion treatments have also become known, in which a foreign substance is diffused into the surface of the metal objects in question. For example. is the enrichment of the surface of objects made of metal or
Metal alloys by means of diffused nitrogen have already been used for many purposes, be it using ion bombardment in an electric gas and glow discharge, especially for iron and non-ferrous metal objects, be it through the so-called thermal gas nitriding on parts made of iron and iron alloys . By enriching the metal surface by means of diffused nitrogen, a significant increase in the surface hardness is achieved with objects made of iron and iron alloys, with the penetration depth of the stick material usually not exceeding 0.5 mm.
In addition to the so-called diffusion treatment of metal surfaces, the thermal hardening of the surface and a relatively thin surface zone, usually not exceeding a few millimeters, has become known, in which process the metal objects, which are usually at room temperature, are briefly heated to relatively high temperatures in the order of 800- 1000 C heated to whoever, preferably by induction heating, by flame heating or in another suitable manner.
If this heating is carried out very intensively and only for a short time or if a rapid cooling is effected immediately afterwards, a surface zone that is much harder than the core material can be created, for example with a large number of iron alloys.
In the investigation of these two above-mentioned methods of surface finishing, which are known per se, it has now been shown that substantial progress can be achieved if the two methods are combined with one another.
The present invention relates to a method for surface finishing of metal objects and is characterized in that the metal objects are subjected to both a diffusion treatment, in which a foreign substance is diffused into the surfaces of the metal objects, and a thermal surface hardening.
Furthermore, the invention relates to a metal object, produced by this method and see ver with a hardened surface, gekennzeich net by an enriched with foreign matter diffusion zone and a deeper and mainly thermally hardened ge over the core material second zone.
The above method is particularly advantageous for weapon barrels made of iron and ferrous alloys with a surface hardened by nitriding, with at least Tei le of the inner wall of the weapon barrels nitrided and thermally hardened ge within a predetermined depth.
The present invention is explained in more detail below in some exemplary embodiments. When manufacturing metal bodies made of iron and iron alloys with a surface layer hardened by nitriding, this hardened zone created by diffused nitrogen usually only extends a few tenths of a millimeter, hardly more than 0.5 mm deep, into the object. The less hard, unchanged core material then adjoins the surface zone hardened in this way.
In so-called thermal gas nitration, in particular, a relatively sharp transition between the hard surface layer and the core material can often be observed, to which apparently the great brittleness of such thermally generated nitriding layers is attributed.
In the case of the electrical nitration, described in more detail, for example, in Patent Nos. 355 233 and 373 484, by ion bombardment in a nitrogen-containing gas atmosphere by means of electrical gas and glow discharges, a very gradual transition from the outer edge zone hardened by diffused nitrogen to the unchanged Core material can be created and a practically splinter-resistant, ductile hardened surface can be created, but the hard and tough surface still rests on the less hard,
because unchanged nuclear material. With certain stresses, a so-called break-in of the mechanically heavily loaded hard surface into the softer core material can be observed.
The phenomenon of the so-called break-in could of course be largely eliminated by adding nitrogen to a depth of about 2 mm, which is quite possible, especially with electrical glow nitriding. However, this measure would require a very long treatment time of, for example, 60 to 100 hours for each object to be hardened, which is why a greater nitriding depth than about 0.4 to 0.6 mm is hardly used in practice.
However, the same improvement can be achieved very much more easily and with only a small expenditure of time according to the present method. Here z. B. in addition to nitriding by means of diffused nitrogen also a thermal hardening of a surface zone of a predetermined depth verwen det, for example by induction hardening with subsequent rapid cooling. By means of such induction hardening, flame hardening or by means of other known methods, thermal hardening of a surface zone of, for example, 2 mm in depth can be easily achieved.
In this case, only heating for a few minutes to over 650 ° C., preferably to 800 to 1000 ° C., is sufficient if the heating is carried out sufficiently intensively or a subsequent rapid cooling takes place. As is known, it must be avoided that the core material itself reaches temperatures higher than a few 100 ° C.
By combining the two methods, namely the thermal hardening of a surface zone and the nitriding of the surface, metal objects can be produced in which the hard nitriding zone adjoins a thermally hardened material zone and this then merges into the non-hardened core material. Appropriately, the penetration depth of the thermal hardening is made greater than the penetration depth of the diffused nitrogen.
The present method can, for example, be carried out in such a way that first the relevant metal surface is provided with a hardened nitriding layer by means of diffused nitrogen, with both the usual thermal gas nitriding and electrical nitriding by ion bombardment in a nitrogen-containing gas atmosphere.
After completion of the nitriding, which can be between 10 and 60 hours depending on the desired depth of the nitriding zone, the workpiece in question is slowly cooled until it has reached room temperature. This is followed by thermal hardening of a surface layer, for example 2 to 3 mm deep, by heating the surface to around 900 ° C. for a few minutes by induction heating.
In the case of a workpiece with a large mass, if the heating is sufficiently intense and brief, a subsequent special cooling is not necessary, as the great heat conduction within the metal body ensures that the core material is over 2 to 3 mm deep does not warm to more than a few hundred and does not exceed 400 to 500 C. If, on the other hand, an object with a relatively low mass is to be cured thermally in the specified manner, it is advisable, after heating the upper surface for a few minutes, to place the object in a water. or oil bath to cool quickly.
A metal body produced in this way is characterized by the fact that it is enriched from the surface to a predetermined depth with foreign substances, in this case with nitrogen, which diffusion zone is followed by a deeper, thermally hardened second zone, which is inserted into the unchanged core material transforms. If a temperature below 650 ° C., preferably 450-580 ° C., is used for the diffusion of the stick material, and the heating to over 650 ° C., preferably 800 to 1000 ° C., is carried out for thermal curing, the surface finish is achieved relevant iron resp.
Steel body in which even a point-wise loading of the hard surface by means of very high pressures, no break-in of the hard nitride layer can be observed. In principle, the present method can also be carried out the other way round, in that the iron or steel surface to be tempered is first thermally hardened to a predetermined depth by electrical glow nitriding.
In practice, however, the first-mentioned sequence of the two treatments has proven to be more effective than the last-mentioned sequence.
It must be particularly emphasized here that the described thermal hardening of a relatively thin surface zone only a few millimeters deep must be differentiated from the so-called tempering. In the known tempering process, not only the surface zone, but the entire core material is brought to a predetermined temperature and thus undergoes a conversion, usually greater strength or hardness. In the present process, however, the core material remains practically unchanged, so it retains its mechanical properties, while only a thin surface zone a few millimeters deep is changed in its strength and serves as a carrier layer for the nitriding zone.
The present method is used with particular advantage for the surface treatment of the inner wall of gun barrels or other weapon barrels. Electrical glow nitriding, described in patent no. 308 295, has already proven particularly useful for weapon barrels of this type, since the very hard but tough and ductile nitrided surface results in a significant reduction in wear on the inside wall of the barrel during the firing process. For weapon barrels nitrided in this way, a further improvement can be achieved by treating the inner wall according to the method described above.
Preference is given to this after nitriding of the inner wall and cooling of the weapon in question, a brief but intensive heating of the inner wall takes place. For example, for this purpose, an induction coil can be passed through the weapon barrel at a predetermined speed and fed with medium or high frequency current in such a way that the surface is heated to a temperature at the points on the inner wall adjacent to the coil The existing material of the pipe causes thermal hardening of a surface layer a few millimeters deep.
If the induction coil is excited sufficiently, the speed at which it passes through the Waf fenrohr is such that actually only a surface zone on the inner wall is hardened while the subsequent core material remains unchanged. If desired, only part of the weapon barrel can be additionally remunerated on its inside in this way, for example the particularly highly stressed part of the weapon barrel adjacent to the cartridge chamber.
The present method is described above for those exemplary embodiments in which objects made of iron or iron alloys, for example weapon barrels, are nitrided by diffused nitrogen on the surface and are also thermally hardened.
However, the process is by no means restricted to this, but can also be used for objects made of other metals and metal alloys, for example for non-ferrous metals. In particular when using an electric gas and glow discharge to diffuse a foreign substance into a metal surface in a gas atmosphere containing the foreign substance in question, non-ferrous metals such as copper, aluminum, etc., can be coated.