CH414302A

CH414302A - Verfahren zur Oberflächenhärtung von Metallkörpern aus Titan, einer Titanlegierung, Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung

Info

Publication number: CH414302A
Application number: CH134961A
Authority: CH
Inventors: Takao Zenichiro; Inomata Shigeo; Nakano Koichi
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1960-08-01
Filing date: 1961-02-06
Publication date: 1966-05-31
Also published as: GB906895A; DE1182016B; CA713159A; FR1271837A; US3111434A

Description

Verfahren zur Oberflächenhärtung von Metallkörpern aus Titan, einer Titanlegierung, Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Metallkör pern aus Titan, einer Titanlegierung, Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung, wobei oberflächengehär- tete Metallkörper aus Titan, einer Titanlegierung,

Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung erhalten werden, die dank der gehärteten Oberflächenschicht ausgezeichnete Verschleissfestigkeit und Abriebbe- ständigkeit aufweisen.

Die zur Titangruppe des Periodensystems gehö renden Metalle, insbesondere Titan, Zirkonium und Titan und Zirkonium enthaltende Legierungen, haben verhältnismässig niedrige spezifische Gewichte und weisen ausgezeichnete Zugefestigkeit und Korro- sionsbeständigkeitseigenschate:n auf und sind daher in ausgedehntem Masse als Materialien für verschie dene Gegenstände, Konstruktionen, Apparaturen usw., einschliesslich chemische Apparaturen und Ge räte, verwendet worden.

Jedoch besitzen Titan und Zirkonium eine niedrige Härte und schlechte Ver- schleissbeständigkeit und weisen darüberhinaus den Nachteil auf, dass sie Schaden nehmen, besonders wenn sie der Reibung ausgesetzt werden. Aus ,diesen Gründen sind diese Materialien nicht völlig befriedi gend trotz ihrer verschiedenen ausgezeichneten Eigenschaften.

Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Ver fahren zur Oberflächenhärtung von Metallkörpern aus Titan, Zirkonium, Titanlegierung oder Zirkonium- legierung zu schaffen, um sie verschleissfest und ab riebbeständig zu machen, so dass sie besser verwend bar werden.

Ein nach dem erfindungsgemässen Verfahren er haltener verbesserter Metallkörper besteht aus Titan oder Zirkonium oder einer Titan- oder Zirkoniumle- gierung mit einer oberflächengehärteten Schicht, die aus dem Nitrid .und/oder Oxyd des Metalls oder der Legierung es besagten Grundkörpers besteht.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist .dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Körpers in einem Lichtbogen unter einer Schutzgashülle eine Schicht aus geschmolzenem Metall gebildet und diese Schicht durch dem Schutzgas zugesetzten Sauerstoff und/oder Stickstoff in eine Oxyd- und/oder Nitrid'- schicht übergeführt wind.

Insbesondere kann gemäss der vorliegenden Er findung das Nitrid und/od'er Oxyd durch Anwendung des sogenannten Schutzgas-Lichtbogenschweissens mit oder ohne Zusatzmetalld'raht, der aus dem glei chen Material wie das, Grundmetall oder die Grund, legierung besteht, gebildet werden.

Gasförmiger Sau erstoff und,/oder Stickstoff werden mit dem Schutzgas vermischt, so dass .die Nitrierung und/oder Oxydation eintreten, während die Oberfläche von dem. Schutz gas bedeckt ist.

Wenn kein Zusatzmetall verwendet wird, wird die geschmolzene Oberfläche des Grund- metalls mit Sauerstoff und/oder Stickstoff umgesetzt, um als Ganzes das Oxyd und/oder Nitrid zu bilden, während, wenn das Zusatzmetall verwendet wird,

das geschmolzene Zusatzmetall selbst die Oxyd- und/oder Nitridschieht auf dem Grundimetall bildet.

Titan ist unterha=lb 500 C chemisch beständig, wird aber bei höheren Temperaturen sehr reaktions fähig und reagiert bei höheren Temperaturen als Rotglut (500 C) mit Sauerstoff unter Bildung von Titanoxyd in, Form einer festen Lösung oder Disper- sionsschichb, die hauptsächlich aus' Titandioxyd be steht, und reagiert bei höheren Temperaturen als 800 C mit Stickstoff unter Bildung einer festen Lösung oder Dispersionsschicht von Titannitrid. In ,

diesem Zusammenhang sollte bemerkt werden, dass die Löslichkeit von Sauerstoff und Stickstoff in Titan beträchtlich, höher als in anderen technisch verwen deten Metallen ist. In ähnlicher Weise reagiert Zirko- nium bei erhöhten Temperaturen (500 C) mit Sauer stoff und Stickstoff. Das Gleiche trifft hinsichtlich der Legierungen auf Titan- oder Zirkoniumgrundlage zu. In jedem Fall bildet das Oxyd und/oder Nitrid sehr harte Oberflächenschichten auf dem Grundmetall oder der Grundlegierung.

Erfindungsgemäss kann wie gesagt die Bildung des gewünschten Oxyds und/oder Nitrids bewirkt werden, indem man die Oberfläche des Grundmetall körpers mit einem Schutzgas, wie z. B.

Argon oder Helium, umgibt und im Lichtbogen: schmilzt, wonach man dem Schutzgas die vorherbestimmte Menge Sau erstoff und/oder Stickstoff zusetzt. Man kann auch dien Grundmetallkörper durch Verwendung eines Zu satzdrahtes mit zusätzlichem geschmolzenem Metall überziehen, wonach man dem Schutzgas die vorher bestimmte Menge Sauerstoff und/oder Stickstoff zu setzt.

Bekanntlich ist atmosphärische Luft reich an Sauerstoff und Stickstoff, und offensichtlich dienen, wenn Luft verwendet wird, .der darin enthaltene Sau erstoff und Stickstoff als Reaktionsgase unter Bildung des Oxyds und Nitrids. Auf den ersten Blick mag die Verwendung atmosphärischer Luft bequem und wirt- schaftlich erscheinen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dies vom praktischen Standpunkt aus nicht der Fall ist.

D. h. der Luftstrom in die Reaktionszone ist sehr unbeständig und ungleichmässig, und überdies sind die Bedingungen der Lichtbogenerzeugung, wie z. B. der elektrische Strom, nicht zu allen Zeiten konstant und gewöhnlich von einem Augenblick zum andern veränderlich, so dass das Oxyd und Nitrid in un gleichmässigem Ausmass und mit ungleichmässiger Struktur gebildet werden.

Vorzugsweise wird daher nicht atmosphärische Luft verwendet, sondern getrennt hergestellter Sauer stoff und/oder Stickstoff in das Schutzgas eingeführt. Auf .diese Weise können die Menge und die Mengen verhältnisse von Sauerstoff und/oder Stickstoff ganz leicht wie gewünscht geregelt werden,

um die Oxyda- tions- und/oder Nitrierungsreaktion zu stabilisieren und die gewünschte und gleichmässig gehärtete Ober fläche zu bilden.

Wie vorstehend erwähnt, kann eine Schutzgas Lichtbogenschweissung angewendet werden, welche, wie ,dem Fachmann so gut bekannt ist, dass keine ins einzelne gehende Erklärung erforderlich ist, eine in einer Schutzgasatmosphäre ausgeführte Lichtbogen- schweissung ist. Wie üblich kann eine Elektrode des hochschmelzenden Materials, wie z. B. Wolfram, ver wendet werden.

Wenn die gehärtete Schicht, die ge bildet werden soll, verhältnismässig dünn ist (0,01 bis 0,10 mm oder weniger), wird vorzugsweise kein Zu satzmetalldraht verwendet, und die Oberfläche, die gehärtet werden soll, wird im Lichtbogen geschmol zen und mit Sauerstoff und/oder Stickstoff umgesetzt, während sie mit dem Schutzgas umgeben ist, um das harte Oxyd und/oder Nitrid zu bilden. Wenn die ge- härtete Schicht, die gebildet werden soll,

verhältnis- mässig dick ist (ca. 5 mm oder dicker), wird vorzugs weise in .der üblichen Weise ein Zusatzmetall ver wendet. Das Zusatzmetall, welches aus dem gleichen Material besteht wie das Grundmetall, welches über zogen werden soll, wird in ähnlicher Weise im Licht bogen geschmolzen und mit Sauerstoff und/oder Stickstoff umgesetzt, während es mit dem Schutzgas umgeben ist, um das harte Oxyd und,/oder Nitrid zu bilden, welche auf der besagten Oberfläche niederge schlagen werden.

Es ist offensichtlich, dass die Menge an Sauer stoff und/oder Stickstoff, die dem Schutzgas zugesetzt werden soll, die: Härte der gebildeten Schicht in star kem Masse beeinflussen wird. Wenn daher die Menge des Reaktionsgases geringer als erforderlich ist, würde keine ausreichende Härte erzielt werden, während, wenn die Menge .des Reaktionsgases über schüssig ist, die Brüchigkeit des Oxyds und/oder Nitrids in unzulässiger Weise verstärkt wird, so dass die Oberfläche spröde werden würde.

Die Menge des Reaktionsgases wird in Abhängig keit von der gewünschten Härte, die zuwege gebracht werden soll, von dem besonderen Metall oder der besonderen Legierung, die den Körper bilden, und von der Stärke der gehärteten Schicht oder des ge härteten Überzugs gewählt. Diese Menge kann vom Fachmann leicht mittels eines Vorversuchs in klei nem Massstab ausgewählt werden. Die Menge des Reaktionsgases (Sauerstoff und/oder Stickstoff) wird durch den Anteil, den es in dem Schutzgas einnimmt, bestimmt. Im allgemeinen ist gefunden; worden, dass die Menge des.

Reaktionsgases vorzugsweise weniger als 15 Vol. % des Schutzgases betragen soll, wenn die Metalloberfläche selbst geschmolzen und gehärtet wird ohne Verwendung eines ,aufgetragenen Metalls aus dem Zusatzme:

talldraht, während die Menge des Reaktionsgases, vorzugsweise weniger als, 10 Vol. o/o des Schutzgases beträgt, wenn die Auftragsschweis- sung angewandt wird. Im letztern Fall verursacht die Verwendung des Zusatzme@tall.drahtes für den aufge tragenen Überzug die besagte geringere erforderliche Menge.

D. h. wenn ein derartiger Zusatzmetalldraht verwendet wird, kommt es .dazu, dass, sich atmosphä rische Luft daruntermischt, auch wenn die Schutzgas umhüllung vorhanden ist, und in dieser Luft enthal tener Sauerstoff und Stickstoff würden an: :der Reak tion teilnehmen, sodass,dies von vornherein in Rech nung gestellt werden muss.

Im allgemeinen soll der Schweiss- oder Bogen strom vorzugsweise im Bereich von 60 bis; 130 Anip. geregelt werden, obgleich er nicht absolut notwendi gerweise auf diesen besonderen Bereich beschränkt werden soll. Gewöhnlich ist die Bogenlänge ca. 2-10 mm. Der Strom von Schutzgas, wie z. B.

Argon oder Helium, zur Erzeugung der Schutzgasatmo- sphäre oder -umhüllung um den Teil herum, der ge- schweisst oder geschmolzen werden soll, kann in den meisten Fällen ca. 0,283 bis 0,850 m3 pro Stunde betragen.

Die aus einer festen Lösung oder Dispersion be stehende Schicht aus Oxyd und/oder Nitrid, die so auf dem Grundmetallkörper gebildet wird, ist sehr gleichmässig und hat im allgemeinen eine Härte von 250 bis 550, gemessen mit dem Vickers- Härtemesser (Prüflast 30 kg).

Da gemäss der vorliegenden Erfindung das Reak tionsgas (Sauerstoff und/oder Stickstoff) dem Schutz gas, welches eine Schutzgasumhüllung erzeugt, zuge setzt wird, sind die Stabilität und! Gleichmässigkeit der Reaktion gesichert und ist die Beeinflussung der Reaktion leicht,

so dass eine gleichmässig harte Schicht erhalten wird. Durch Verwendung des Zu satzmetalldrahtes zum Auftragen kann erwünschten falls ein dicker überzug erhalten werden.

In diesem Fall kann durch Beeinflussung der Menge des Auf trages die Stärke des harten überzuges wie ge wünscht geändert werden. Da die bestimmte oder be rechnete Menge Sauerstoff und/oder Stickstoff zuge setzt werden kann und unerwünschtes Eindringen von atmosphärischer Luft (die Ungleichmässigkeit der gebildeten Schicht oder des, gebildeten überzugs hervorrufen würde), durch die Schutzgasumhüllung verhindert wird,

ist ferner die gebildete Schicht oder der gebildete überzug praktisch gleichmässig bezüg lich Härte und Struktur oder Zusammensetzung.

Die Erfindung wird weiter beschrieben werden mit Bezug auf -die! folgenden Beispiele.-- Diese Bei spiele sind jedoch selbstverständlich nur zur Erläute rung und nicht in irgendeiner Weise zur Beschrän kung der Erfindung bestimmt.

Beispiel 1 Ein im Querschnitt kreisförmiger Titanstab von 17 mm Durchmesser wurde durch Auftragen einer Titanoxydschicht auf demselben oberflächengehärte@t.
EMI0003.0058

Beispiel 3 In diesem Beispiel wurden Körper aus Titan und Titanlegierung durch Auftragen einer Titanoxyd- und -nitridschicht auf denselben oberflächengehärtet.
EMI0003.0064

Eine übliche <RTI

ID="0003.0066"> Schu tzgas-Lichtbogenschweissvorrich- tung mit Wolframelektrode wurde zusammen mit einem Titan-Zusatzdraht zum Auftragen verwendet. Zuerst wurde die Auftragsschweissung unter Ver wendung von gebräuchlichem oder gewöhnlichem Argongas (0 0/0 Sauerstoffgehalt) ausgeführt.

Als nächstes wurde das gleiche Verfahren unter Verwen dung von Schweissargongas für das Sigmaverfahren (Sauerstoffgehalt 5 %) und schliesslich mit gleichen Mengen Argangas und Sigma-Schweissargongas wie derholt,

wobei der Sauerstoffgehalt des besagten Ge- misches gemäss Gasanalyse 3,4 % betrug. In jedem Fall waren die Schweissbedingungen die gleichen wie nachfolgend angegeben.

Schweisstrom 75-95 Amp. Bogenstrom 8-9 V Bogenlänge 3-4. mm Gasstrom 0,425 m3/Std. Schweissgeschwindigkeit 100-130 mm/Min. In jedem Fall wurde der aufgetragene überzug oder die Schicht in einer Stärke von 5 mm gebildet, und ihre Härte war erheblich höher als die des Grundmetalls (Titans).

Beispiel 2 In diesem Beispiel wurden Körper aus Titan, Ti- tanlegierungen, Zirkonium und Zirkoniumlegierungen unter Anwendung des Schutzgas-Lichtbogenschweis- sens mit Sauerstoff- und/oder Stickstoff-Inertgas-Ge- mischen ohne Verwendung eines Zusatzmetalles un ter verschiedenen Bedingungen

oberflächengehärtet. Die Ergebnisse waren die in der folgenden Tabelle angegebenen. In jedem Fall wurde die Oberflächen härte mit dem Vickers. Härtemesser (Prüflast 30 kg) gemessen.

Eine gebräuchliche Schutzgas-Lichtbogen.schweissvor- richtung mit Wolframelektrode wurde zusammen mit einem Zusatzrnetalldraht, wie angegeben, zum Auf- tragen verwendet.

Das Ergebnis war folgendermassen: Beispiel 4 In diesem Beispiel wurden verschiedene, unten aufgeführte Körper aus Titan, Zirkonium und deren Legierungen. durch Anwendung des Schutzga,s-Licht- bogenschweissens mit Sauerstoff- und/oder Stickstoff- Inertgas-Gemischen mit oder ohne Verwendung eines Zusatzmetalldrahtes unter verschiedenen,

aufgezeich neten Bedingungen oberflächengehärtet. Die verschie- denen. Bedingungen und Ergebnisse sind unten wie dergegeben.
EMI0004.0016

In der obigen Tabelle bestand die Legierung von Versuch 8 aus 0,025 /o C, 0,065 % Fe, 0,05 % Si, 1,

06 % Mo, 4,53 % Al, 2 % Cr und Rest Ti, während die Legierung von Versuch 9 aus. 0,2 % C, 0,075 0/0 Fe,

0,015 % Si, 4,36 % Al, 4,54 % Mn und Rest Ti bestand.

Nach dem Schweissvorgang war die Härte dieser Metallkörper wie unten angegeben, wenn, sie mit dem Vickers-Härtemesser (Prüflast 30 kg) gemessene wurde.
EMI0004.0068

Versuch <SEP> Nr. <SEP> Härte <SEP> Versuch <SEP> Nr. <SEP> Härte
<tb> 1 <SEP> 300-350 <SEP> 11 <SEP> 450=550
<tb> 2 <SEP> 350-460 <SEP> 12 <SEP> 400-550
<tb> 3 <SEP> 400-550 <SEP> 13 <SEP> 350-400
<tb> 4 <SEP> 320-350 <SEP> 14 <SEP> 350-450
<tb> 5 <SEP> 300--400 <SEP> 15 <SEP> 250-300
<tb> 6 <SEP> 350-4.80 <SEP> 16 <SEP> 300-420
<tb> 7 <SEP> 470-550 <SEP> 17 <SEP> 350-500
<tb> 8 <SEP> 370-450 <SEP> 18 <SEP> 350-400
<tb> 9 <SEP> 390-510 <SEP> 19 <SEP> 200-250
<tb> 10 <SEP> 400-550

Claims

PATENTANSPRUCH Verfahren zur Oberflächenhärtung eines Metall körpers aus Titan, einer Titanlegierung, Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung, dadurch gekenn zeichnet, dass an der Oberfläche des,

Körpers in einem Lichtbogen unter einer Schutzgashülle eine Schicht aus geschmolzenem Metall gebildet und diese Schicht durch dem Schutzgas zugesetzten Sauerstoff und/oder Stickstoff in eine Oxyd- und/oder Nitrid- schicht übergeführt wird. UNTERANSPRÜCHE 1.

Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass, mit einem Zusatzmetalidraht, der aus dem gleichen Material wie der erwähnte Körper besteht, eine Schicht aus geschmolzenem Metall ge bildet wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch oder Unteran- spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzgas Argon oder Helium verwendet wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch oder Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Schutzgas zuzusetzende Menge Stickstoff und/oder Sauerstoff weniger als 15 Vol. o/o des Schutzgases be trägt.

4. Verfahren nach Patentanspruch oder Unteran- spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schweiss- Bogenstrom im Bereich von 60 bis 130 Amp. eine Bogenlänge von 2 bis 10 mm und ein Gasstrom von 0,283 bis 0,850 mg pro Stunde verwendet wird.