CH671036A5 - Verfahren zur herstellung eines mechanischen bauteils. - Google Patents

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CH671036A5
CH671036A5 CH758/87A CH75887A CH671036A5 CH 671036 A5 CH671036 A5 CH 671036A5 CH 758/87 A CH758/87 A CH 758/87A CH 75887 A CH75887 A CH 75887A CH 671036 A5 CH671036 A5 CH 671036A5
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surface layer
substrate
layer
thickness
test
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CH758/87A
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Takashi Ishii
Hajime Kohama
Hisao Yabe
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Toshiba Kk
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Description

BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mechanischen Bauteils, der dazu bestimmt ist, eine Berührung mit einem Glied der Gruppe Papier, Gummi, Kunststoff, Harz, Keramik und Metall durchzuführen.
Es ist bekannt, dass aufgrund der Tatsache, dass Eisen und Stahl im Vergleich mit anderen Metallen überlegene mechanische Eigenschaften aufweisen, beispielsweise Festigkeit, Dehnungsvermögen, Zähigkeit, Härte und ähnliches wird Eisen und Stahl als Maschinenwerkstoff, Baustoff und ähnliches grundsätzlich als das meistverwendete Material eingesetzt.
Entsprechend des Kohlenstoffanteils kann Eisen und Stahl in Eisen, Stahl und Gussstahl klassifiziert werden. Weiter kann Stahl in Kohlenstoffstahl und legierter Stahl klassifiziert werden, wobei letzterer erhalten wird, indem dem Kohlenstoffstahl verschiedene Elemente zugegeben werden, um besondere Eigenschaften zu erhalten. Diese werden gemäss ihren Eigenschaften für verschiedene Anwendungen eingesetzt.
Mechanische oder bautechnische Bauteile, die aus Stahl bestehen müssen zusätzlich zur mechanischen Festigkeit gemäss den jeweiligen Einsatzbedingungen oder Umgebungsbedingungen benötigte Eigenschaften aufweisen. Wenn Bauteile, die aus Stahl bestehen, mit anderen Teilen in eine Reibungsberührung gebracht werden, ist eine Abriebfestigkeit und ebenflächige Oberfläche notwendig. Wenn beispielsweise Bauteile wie Lagerteile oder Gleitstücke einer Maschine miteinander in Reibungsberührung gebracht werden, oder wenn Werkzeuge zur Berührung mit anderen Bauteilen gebracht werden, ist die Abriebfestigkeit und die ebenflächige Oberfläche notwendig um die Abnützung der Bauteile zu verhindern und die Gleiteigenschaften relativ zu den anderen Bauteilen zu verbessern. Wenn Bauteile aus Stahl in einer korrosiven Umgebung verwendet werden, beispielsweise Wasser, Säure, Alkali oder weitere, um einige Beispiele zu nennen, wie dies der Fall bei einer Welle oder dem Rad einer Tauchpumpe der Fall ist, ist eine grosse Widerstandsfestigkeit gegen Chemikalien benötigt.
In den vergangenen Jahren sind Versuche durchgeführt worden, auf der Oberfläche von Bauteilen eine Oberflächenschicht anzubringen, welche vom Substrat verschieden ist, so dass die aufgrund der Einsatzumstände oder Umgebungszu-ständen benötigte Eigenschaften bei diesen Bauteilen, die aus Stahl bestehen, zusätzlich zu den ursprünglichen Eigenschaften des jeweiligen Materiales Vorhanden sind. Eine solche Oberflächenschicht muss bei einer Reibung mit anderen Bauteilen eine Abriebfestigkeit und Gleichförmigkeit zur Verbesserung der Gleiteigenschaften relativ zu anderen Teilen verbessern, darf die anderen Bauteile nicht beschädigen und muss chemisch derart stark widerstandsfähig sein, dass sie in einer korrosiven Umgebung nicht korrodiert. Weiter muss die Oberflächenschicht auf der Substrataussenfläche der Maschinenteile mit einer hohen mechanischen Festigkeit ausgebildet sein und derart, dass sie nach der Anordnung die Eigenschaften des Substrates nicht negativ beeinträchtigt und die, nach ihrer Bildung keine Endbearbeitung wie z.B. Schleifen benötigt.
Zum Aufbringen einer Oberflächenschicht auf eine Oberfläche eines Substrates von Bauteilen, die aus Eisen oder Stahl bestehen, sind verschiedene Verfahren bekannt, beispielsweise Plattieren, PVD (physikalische Aufdampfung), CVD (chemische Aufdampfung), Flammsprühen und ähnliches. Jedoch können diese genannten Verfahren nicht in jedem Falle die oben angeführten Bedingungen erfüllen und eine praktische Durchführung derselben ist nicht einfach machbar. Insbesondere weisen Oberflächenschichten, welche durch diese genannten Verfahren gebildet worden sind, eine ungenügende Dichte, eine ungenügende Abriebfestigkeit und eine ungenügende Gleichförmigkeit auf. Auch ist die Stärke der Verbindung zwischen der Oberflächenschicht und des Substrates ungenügend und die Oberflächenschicht wird oft vom Substrat abgeschält. Weiter ist nach der Bildung einer solchen Oberflächenschicht ein Endbearbeitungsschritt notwendig.
Ziel der Erfindung ist, die angeführten Nachteile zu beheben.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet.
Damit kann vorteilhaft ein mechanischer Bauteil erzeugt werden, der eine Oberflächenschicht enthält, welche eine überragende Abriebfestigkeit, Ebenflächigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien aufweisen kann, und welche auf einem Substrat sehr einfach mit hoher mechanischer Festigkeit gebildet werden kann, ohne dass das Substrat beeinträchtigt wird und welche dazu eingesetzt werden kann, eine Berührung mit einem Glied der Gruppe Papier, Gummi, Kunststoff, Harz, Keramik und Metall durchzuführen.
Ein solcher mechanischer Bauteil kann beispielsweise ein Lager oder Gleitstücke einer Maschine sein, z.B. ein Zylinder in Maschinen oder Pumpenteilen, welche in Berührung mit einem O-Ring gebracht werden, der aus Gummi oder Kunststoff besteht.
Beispiele des Substrates des mechanischen Bauteils sind Kohlenstoffstahl, rostfreier Stahl oder andere Eisenlegierungen.
Die gemäss der vorliegenden Erfindung auf dem Substrat der mechanischen Teile gebildete Oberflächenschicht weist eine dichte Struktur aus Chromoxid (Cr203)- teilchen auf, welche nach dem Erwärmen und einer gegenseitigen festen
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Bindung aus einer Chromzusammensetzung umgewandelt worden ist. Die Oberflächenschicht kann ebenflächig sein und eine sehr gute Abriebfestigkeit aufweisen. Weil die Abmessungen der niedergeschlagenen Cr203 -keramischen Teilchen sehr klein sind (1 |im oder weniger), kann die Oberflä-chenschicht eine dichte, ebenflächige Schicht sein, die weitgehend porenfrei ist und sehr dünn ausgebildet sein kann. Damit können innewohnende Eigenschaften (z.B. Elastizität) des Substrates wirksam ausgenützt werden. Die Vickers-Härte (HV) der Oberflächenschicht beträgt 500 oder mehr. Die Zwischenschicht als Erzeugnis einer Umsetzung, d.h. als Reaktionsprodukt zwischen dem Material und dem Chromoxid wird bei der Grenzfläche zwischen der Oberflächen-schicht und dem Substrat gebildet. Die Oberflächenschicht kann auf dem Substrat mit einer sehr grossen Adhäsionsstärke (500 kgf/cm2) gebildet werden. Die Dicke der Zwischenschicht ist vorteilhaft im Bereich zwischen 0,5 bis 3,0 |im. Die Oberflächenschicht weist vorteilhaft auch eine hohe Korrosionsfestigkeit auf, eine Eigenschaft zum Eliminieren von Fremdstoffen und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien.
Das Chromoxid (Cr203), welches in der Oberflächenschicht enthalten ist, dient dazu die Härte zu erhöhen und den Reibungskoeffizient zu vermindern.
Mechanische Bauteile mit einer solchen Oberflächen-schicht werden durch folgendes Verfahren hergestellt. Bei diesem Verfahren wird eine Lösung aus einer Chromzusammensetzung, beispielsweise eine wässrige Lösung von Cr03 mittels einem Auftragen oder einem Tauchen auf die Oberfläche des Substrates aufgebracht. Das Substrat, auf dem die Cr03-Lösung aufgebracht worden ist, wird in einer Umsetzungsbehandlung bei einer Temperatur von 500-600 °C (bevorzugt ungefähr 550 °C) wärmebehandelt, so dass auf einem Oberflächenbereich des Substrates eine Schicht gebildet
Tabelle 1
Prüfmuster
Herstellungsverfah
Nr.
ren der Oberflächen
schicht
1
Keine Oberflächen
schicht
2
Keine Oberflächen
schicht
3
vorliegende Erfin
dung
4
vorliegende Erfin
dung
5
PVD
6
PVD
7
CVD
8
CVD
Auf den Oberflächen der Substraten der Prüfmuster Nr. 1 und Nr. 2 wurde ein Endbearbeitungsverfahren durchgeführt und auf den Prüfmustern Nr. 3 und Nr. 4 wurde nach dem Erzeugen der Oberflächenschichten kein Endbearbeitungsverfahren durchgeführt. Die Prüfmuster Nr. 5 bis Nr. 8 wurden nach dem Bilden der Oberflächenschichten einem Endbearbeitungsverfahren unterworfen.
Bei den Prüfmustern Nr. 3 und Nr. 4 wurde die Oberflä-chenschicht wie folgt auf der Oberfläche des Substrates gebildet. Ein Substrat wurde in eine 50 %ige wässrige Lösung von Chromsäure (Cr03) während einer Zeitdauer von 1-2 Minuten eingetaucht. Nachdem das Substrat trocken war wurde es bei einer Temperatur von 500-600 °C in Luft aufgewärmt, gebacken. Diese Arbeitsschritte wurden 16 mal wird, die als hauptsächlichster Anteil Cr203 enthält. Die Wärmebehandlungstemperatur vonn 500-600 °C erlaubt ein Umbilden von Cr03 zu Cr203. Der Arbeitsschritt des Aufbringens von Cr203 und der Wärmebehandlung, z.B. Backen 5 wird mehrere Male wiederholt, so dass auf der Oberfläche des Substrates eine dichte, harte, keramische Überzugsschicht gebildet wird, die Cr203 enthält. Eine Dicke dieser Schicht beträgt 1-50 um. In dieser Weise wird die Dicke der Schicht durch die Anzahl Wiederholungen der oben genann-10 ten Arbeitsschritte gesteuert. Eine Dicke der Oberflächen-schicht der mechanischen Teile beträgt vorzugsweise 1-10 |xm und mehr bevorzugt 2-6 [im. Weil die Wärmebehandlungstemperatur im Bereich innerhalb von 500-600 °C durchgeführt wird, wird das Substrat nicht zersetzt. 15 Es kann irgendwelche Chromiumzusammensetzung, die Cr03 enthält, das zu Cr203 durch Erhitzen umgebildet wird, verwendet werden. Beispiele solcher Chromzusammensetzungen sind NaCr04 • 10H20, Na2Cr207 • 2H20, K2Cr04, K2Cr207 und (NH4)2Cr207. Zusätzlich ist die Lösung nicht 20 auf eine wässrige Lösung begrenzt, sondern kann durch geschmolzenes Salz ersetzt sein. Eine Konzentration einer solchen Lösung liegt bevorzugterweise bei 10-85%.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.
25
Beispiel 1
Als Substrate wurde ein rostfreier austenitischer Stahl (ASTM304) und ein rostfreier ferritischer Stahl (ASTM430) verwendet und es wurden acht Prüfmuster hergestellt, einschliesslich einem ohne Oberflächenschicht, einem mit einer Oberflächenschicht, die gemäss der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, und einem mit einer Oberflächenschicht, die gemäss eines bekannten Verfahrens hergestellt worden ist, so wie in der nachstehenden Tabelle 1 eingetragen ist.
wiederholt, wobei eine 5 |im dicke Oberflächenschicht auf 55 dem Substrat gebildet wurde. Die Oberflächenschicht setzte sich aus einer Zwischenschicht einschliesslich einem Erzeugnis der (FeO • Cr203) der Umsetzung zwischen dem Substrat und Cr03 sowie Cr203 als hauptsächlichster Bestandteil und einer Cr203 enthaltenden Schicht zusammen, die aus Cr03 60 als hauptsächlichster Anteil umgebildet worden ist.
Diese Prüfmuster wurden nun geprüft um ihre Abriebfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien zu untersuchen.
65 Prüfung der Abriebfestigkeit
Die Abriebfestigkeit wurde anhand einer Hochgeschwin-digkeits-Fasergleitprüfung untersucht. Die Prüfbedingungen waren wie folgt:
35
Material der Dicke der Härte der Material des Oberflächen- Oberflächen- Oberflächen- Substrates schicht schicht ((im) schicht (Hv)
-
-
300
ASTM(304)
-
-
250
ASTM(430)
Cr203
4 bis 5
600
ASTM(304)
Cr203
4 bis 5
550
ASTM(430)
TiC
2 bis 3
2,000
ASTM(304)
TiC
2 bis 3
2,000
ASTM(430)
TiN
6 bis 7
3,000
ASTM(304)
TiN
6 bis 7
3,000
ASTM(430)
671 036
Faser:
Geschwindigkeit:
Zugspannung:
Prüfdauer:
Polyester 50d/48f 3,5 m/sec 65 g
24 Stunden
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse. Tabelle 2
Prüfmu- Herstellungs- Material der ster Nr. verfahren der Oberflächen-Oberflächen- schicht schicht
1 keine Oberflä—
chenschicht
3 vorhegende Cr203
Erfindung
PVD
CVD
TiC
TiN
Ausmass und Zustand des Schadens x Markierung grosser Abrieb: Kein Fadenbruch während 24 h © Keine Abriebspuren: Kein Fadenbruch während 24 h
A Kleine Abriebspuren: Faden zer-riss nach 20 h A Mittlere Abriebspuren: Faden zer-riss nach 12 h
Aus der Tabelle 2 kann entnommen werden, dass das Prüfmuster, welches gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, keine Abriebspuren zeigte und nach einer 24-stündigen Bewegung des Fadens kein Reissen des Fadens entstand.
Prüfung der Korrosionsfestigkeit
Die Korrosionsfestigkeit der Prüfmuster wurde geprüft, indem die Gewichtsabnahme der Prüfmuster aufgrund eines Eintauchens derselben in eine wässrige Lösung von Chlorwasserstoff gemessen wurde. Die Prüfbedingungen waren wie folgt:
Konzentration der Lösung: 5%, 10%
Temperatur: Umgebungstemperatur
Eintauchzeitspanne: 24 Stunden
Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse.
Tabelle 3
Prüfmuster Nr.
Herstellungsverfah- Konzentration der Chlorren der Oberflächen- wasserstoffsäure schicht keine Oberflächenschicht vorliegende Erfindung
5% 10%
0.72 mg/cm2 2.5 mg/cm2
Aus der Tabelle 3 geht hervor, dass das gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellte Prüfmuster eine ausgezeichnete Korrosionsfestigkeit zeigt.
Beispiel 2
Als Substrat wurde ein Zylinder aus einem rostfreien austenitischen Stahl (ASTM304) verwendet, welcher Zylinder einen Aussendurchmesser von 34 mm, einen Innendurch-10 messer von 30 mm und eine Länge von 100 mm aufwies und es wurden zwei Arten von Prüfmustern hergestellt. Ein Prüfmuster enthielt eine Oberflächenschicht die gemäss der vorliegenden Erfindung ausgebildet war und das andere Prüfmuster enthielt eine Oberflächenschicht, die gemäss einem 15 bekannten Verfahren hergestellt worden war.
Insbesondere hatte das Prüfmuster Nr. 9 eine Oberflächenschicht, die gemäss der vorliegenden Erfindung ausgebildet wurde. Das Substrat wurde während einer Zeitdauer von 1-2 Minuten in eine 80 %ige wässrige Cr03-Lösung ge-20 taucht. Danach wurde das Substrat in Luft bei einer Temperatur von 500-600 ° wärmebehandelt. Diese Behandlungsschritte wurden 15 mal wiederholt, wobei eine 5 |im dicke Oberflächenschicht auf dem Substrat gebildet wurde.
Das Prüfmuster Nr. 10 hatte eine Oberflächenschicht, die 25 gemäss einem herkömmlichen Verfahren hergestellt wurde. Auf dem Substrat wurde eine Chromschicht mit einer Dicke von 30-40 um mittels einem Chromplattieren ausgebildet.
Diese zwei Prüfmuster wurden als Zylinder in eine Prüfkolbenpumpe eingesetzt und eine Prüfung der Abriebfestig-30 keit der Innenflächen durchgeführt. Insbesondere wurde eine 2 %ige wässrige Lösung aus gelöschtem Kalk durch die Kolbenpumpe dauernd gefördert. Darauf wurde der Abrieb auf der Oberflächenschicht auf der Zylinderinnenseite nach einer Zeitdauer von 300 Stunden gemessen und der Zustand dieser 35 Innenfläche betrachtet. Zu bemerken ist noch, dass während dem Betrieb der Pumpe ein Gleitteil, der aus Gummi hergestellt war und beim entfernteren Ende der Stange montiert war, im Zylinder mit einem Mass von 120 Hüben/Minute hin- und herbewegt wurde.
4o Als Ergebnis stellt sich heraus, dass der Abrieb bei der Innenfläche des Prüfmusters Nr. 9 2 (im betrug und keine Änderung des Zustandes der Innenfläche ermittelt werden konnte. Jedoch war der Abrieb bei der Innenfläche des Prüfmusters Nr. 10 45 |im und dessen Oberflächenschicht war 45 beinahe vollständig abgerieben und das Substrat wurde freigelegt.
Gemäss der vorliegenden Erfindung, die wie oben beispielsweise beschrieben worden ist, kann ein mechanischer Bauteil der eine Oberflächenschicht enthält, welche eine 50 überlegene Abriebfestigkeit, Ebenflächigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien auf einem Substrat mit hoher mechanischer Festigkeit einfach gebildet werden, ohne dass das Substrat nachteilig beeinflusst würde, welche Ober-flächenschicht mit einem Glied eine Berührung durchführen 55 kann, das aus der Gruppe Papier, Gummi, Kunststoff, Harz, Keramik und Metall gewählt ist.
0
0.1 mg/cm2
C

Claims (9)

  1. 671 036
    PATENTANSPRÜCHE
    1. Verfahren zur Herstellung eines mechanischen Bauteils, der dazu bestimmt ist, eine Berührung mit einem Glied der Gruppe Papier, Gummi, Kunststoff, Harz, Keramik und Metall durchzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche eines Substrates aus einem Eisenmetall eine Chromzusammensetzung aufgebracht wird, dass das Substrat erwärmt wird, um die Chromzusammensetzung zu Chromoxid (Cr203) umzubilden, womit auf der Oberfläche des Substrates eine Oberflächenschicht gebildet wird, die als Hauptbestandteil Chromoxid enthält, wobei beim Grenzbereich zwischen der Oberflächenschicht und dem Substrat eine Zwischenschicht entsteht-, die ein Erzeugnis einer Umsetzung zwischen dem in der Oberflächenschicht vorhandenen Chromoxid und dem Substrat ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Oberflächenschicht 1 bis 50 um beträgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Oberflächenschicht 1 bis 10 um beträgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Oberflächenschicht 1 bis 6 um beträgt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromzusammensetzung Cr03 ist.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zwischenschicht 0,5 bis 3,0 um beträgt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht FeO • Cr203 und Cr203 enthält.
  8. 8. Bauteil, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe ein Lagerteil einer Maschine ist,
  9. 9. Bauteil, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe ein Gleitstück in einer Maschine oder Pumpe ist.
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