CH650532A5 - Verfahren zur bildung einer haerteschicht im bauteil aus elementen der vierten, fuenften oder sechsten nebengruppen des periodischen systems oder deren legierungen. - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bildung einer Nitridschicht in der Randzone eines aus Elementen der vierten, fünften oder sechsten Nebengruppen des periodischen Systems oder deren Legierungen bestehenden Bauteiles.

Die Nitridschicht soll zur Erhöhung der Verschleissei-genschaften der Oberfläche von beispielsweise Titan oder seinen Legierungen dienen. Aus Titan mit Härteoberfläche werden zum Beispiel Turbinenschaufeln, Fadenführer bei Textilmaschinen, Kugeln zu Prothesenschäften, verschleiss-und korrosionsfeste Teile der Apparate der chemischen Industrie hergestellt.

Es ist bekannt, die Oberfläche des Titanbauteiles durch Erhitzen zu oxidieren. Luft, Sauerstoff verbindet sich mit Titan zu Ti02 und bildet eine Oxidschicht von geringer Dicke. Eine Vertiefung der Oxidschicht ist nicht möglich, da es sonst durch den Sauerstoffangriff zu einem Verfall des Titanbauteiles kommt.

Eine weitere Möglichkeit des Erhärtens der Oberfläche des Titanbauteiles besteht im Eintauchen desselben in eine Salzschmelze cyanidischer Basis bei ca. 800 °C. Durch eine solche Behandlung entsteht eine Mischkristallzone, die Stickstoff, Kohlenstoff und geringe Anteile Sauerstoff enthält. Die Schichtdicke beträgt ca. 0,035 mm bei einer Härte von 700 HV0)025 an der Aussenzone. Dies ist das bekannte Tiduran-Verfahren von Degussa.

Wie Eisen kann weiter Titan und seine Legierungen auch boriert werden; es muss jedoch Schutzgasatmosphäre oder Vakum vorhanden sein. Die Härte der Boridschicht beträgt ca. 3100 HV0 5. Zur Erreichung einer Schichtdicke von 0,03 mm ist eine Behandlungsdauer von sechs Stunden bei 1200 °C nötig. Bei 900 °C wird in der gleichen Zeit eine Schichtdicke von ca. 0,008 mm erreicht.

Die oben erwähnten Verfahren erfordern relativ hohe Behandlungstemperaturen. Bei der Abkühlung der Teile treten Schwierigkeiten durch Verzug auf. Zusätzlich kommt es bei diesen Verfahren zu unerwünschten und irreversiblen Gefügeveränderungen.

Das bekannte Ionitrieren wird bei Behandlungstemperaturen von 400° bis 600 °C durchgeführt. Mit Hilfe einer anormalen Glimmentladung wird Stickstoff in ionisierter

Form erzeugt und in die Werkstückoberflächen eingelagert. Die Härtewerte am Rand betragen ca. 1500 HV0>1 und fallen bis zu einer Tiefe von 30 n auf 400 HV0<1 ab.

In der GB-PS 1 537 891 ist ein Verfahren zum Aufsticken 5 von Hartmetallkörpern nach ihrem Sintern beschrieben. Der Stickstoff wird unmittelbar nach dem Sintern in die Leerstellen des Hartmetallgitters gepresst, was zu einer Verspannung der Hartmetallmatrix und zur Verbesserung der Schneideigenschaften führt. Eine messbare Härtesteigerung wird da-io bei aber nicht erzielt.

Alle bekannten Verfahren dienen dem Zweck, bei Titan oder'seinen Legierungen bessere Verschleisseigenschaften zu erzielen. Dieser Werkstoff erreicht mit seinem niedrigen spezifischen Gewicht mechanische Eigenschaften, die gehärteis tem Stahl entsprechen. Leider ist aber die Eigenhärte des Materials gering, so dass durch die beschriebenen Verfahren versucht wird, wenigstens am Rand zu höherer Härte und somit besseren Verschleisseigenschaften zu gelangen. Nachteile dieser Verfahren sind Verzugs- und Risserscheinungen, 20 hohe Kosten und unerwünschte Gefügeänderungen.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten, oben beschriebenen Verfahren kostengünstig zu beheben. Bei dem Verfahren sollen kein Verzug des Bauteiles und keine unglei-25 che Spannungen an der Oberflächenschicht entstehen.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass der chemisch unbehandelte Bauteil in einem Autoklav mit einer aus Stickstoffgas oder gasförmigen Stickstoffverbindungen be-30 stehenden Atmosphäre während mindestens einer Stunde einem isostatischen Druck von mindestens 100 bar und einer Temperatur von mindestens 200 °C ausgesetzt wird, wonach der Druck und die Hitze im Autoklav gleichmässig langsam abgebaut werden.

35 Mit Vorteil wird am Bauteil eine durchgehende, gleichmässig verteilte Nitridschicht einer Dicke von annähernd 20 n gebildet.

Der z.B. aus chemisch nicht behandeltem Titan oder seinen Legierungen bestehende Bauteil wird in einen Autoklav 40 versetzt, in welchen reines Stickstoffgas gepumpt wird. Anstelle des Titans können auch die übrigen Elemente der vierten, fünften oder sechsten Nebengruppen des periodischen Systems oder deren Legierungen verwendet werden. Die Atmosphäre im Autoklav kann anstelle von reinem Stick-45 stoffgas aus gasförmigen Stickstoffverbindungen, wie Ammoniak (NH3) oder Lachgas (N20), bestehen.

Durch die Kombination des im Autoklav herrschenden Druckes und der dort herrschenden Hitze entsteht in der Randzone des Titanbauteiles eine TiN-Schicht von ca. 20 |a. so Um eine solche Schicht zu bilden, muss der Titanbauteil im Autoklav während mindestens einer Stunde einem isostatischen Druck von mindestens 100 bar und einer Temperatur von mindestens 200 °C ausgesetzt werden. Durch den isostatischen Druck im Autoklav wird eine durchgehende, gleich-55 massige Verteilung des Stickstoffes in der Oberfläche des Titanbauteiles an jedem geometrischen Ort gesichert. Bei der Abkühlung fallen Druck und Hitze gleichmässig langsam ab. Dadurch tritt kein Verzug des Bauteiles und keine ungleichen Spannungen in der Oberflächenschicht auf. 60 Da die Oberflächenreaktion von Titan nach einem parabolischen Zeitgesetz erfolgt, nimmt die Nitriergeschwindigkeit mit zunehmender Nitrierzeit ab. Die Diffusionsgeschwindigkeit von Stickstoff in der äusseren Titannitridschicht ist also geringer als in der darunter liegenden Zone 65 des Titanmischkristalls. Es können sich also naturgemäss keine dicken Nitridschichten bilden. Stickstoff oder Ammoniak müssen von hoher Reinheit sein, da Sauerstoff die Bildung einer Nitridschicht verhindern würde.

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Die wichtigsten Parameter, wie Druck, Temperatur und Zeit sind exakt messbar und einstellbar. Der Autoklav ist in der Technik unter dem Namen «Heissisostatische Presse» bekannt und wird mit einigen Änderungen in der Gaszu-und -abfuhr für diese Behandlung verwendet.

Auf die in dem oben erwähnten Verfahren hergestellte Titannitridschicht in der Randzone des Titanbauteiles können eine oder mehrere zusätzliche Härteschichten durch chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung aufgetragen werden. Ohne die zuerst gebildete Titannitridschicht in der Randzone des Titanbauteiles wäre dies nicht möglich, weil die auf einen Bauteil aus Titan, dessen Oberfläche nicht wie oben beschrieben behandelt wurde, aufgetragenen Härteschichten einem Schälabrieb unterliegen.

Nach dem oben beschriebenen Verfahren verbindet sich der Stickstoff mit Titan zu einer TiN-Schicht, die in der Randzone des Titanbauteiles gebildet wird und eine Dicke von annähernd 20 n aufweist. Es ist möglich, während der Haltezeitphase der Stickstoffdiffusion in den Titanbauteil den isostatischen Druck auf bis 5000 bar und die Temperatur auf bis 1200 °C zu halten. Je höher diese Werte, desto begrenzt dicker wird die Nitridschicht. Dabei kommt es zu keinem Materialauftrag auf den Bauteil; die Härteschicht wächst nach innen des Bauteiles.

Um die oben beschriebenen Verfahrensschritte besser zu erläutern, werden zwei Beispiele erwähnt.

Beispiel 1

Ein Bauteil der Legierung Ti6 A14 V wurde während drei Stunden einem Druck von 900 bar Stickstoff und einer Temperatur von 1000 °C ausgesetzt. Die Härte am Rand beträgt 800 HV0j05 bei einer Schichtdicke von 20 n (siehe Fig. 1).

Beispiel 2

Ein Bauteil der Legierung Ti6 A14 V wurde während drei Stunden einem Druck von 1300 bar Stickstoff und einer Temperatur von 930 °C ausgesetzt. Die Härte am Rand beträgt 800 HV0 05 bei einer Schichtdicke von 0,012 mm (siehe Fig. 2).

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1 Blatt Zeichnungen

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1. Verfahren zur Bildung einer Nitridschicht in der Randzone eines aus Elementen der vierten, fünften oder sechsten Nebengruppen des periodischen Systems oder deren Legierungen bestehenden Bauteiles, dadurch gekennzeichnet, dass der chemisch unbehandelte Bauteil in einem Autoklav mit einer aus Stickstoffgas oder gasförmigen Stickstoffverbindungen bestehenden Atmosphäre während mindestens einer Stunde einem isostatischen Druck von mindestens

100 bar und einer Temperatur von mindestens 200 °C ausgesetzt wird, wonach der Druck und die Hitze im Autoklav gleichmässig langsam abgebaut werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Bauteil eine durchgehende, gleichmässig verteilte Nitridschicht einer Dicke von annähernd 20 |4. gebildet wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verwendung der im Verfahren nach Patentanspruch 1 gebildeten Nitridschicht als Unterlage für die Auftragung mindestens einer weiteren Härteschicht durch chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung.