DD276306A1 - Verfahren zur verbesserung der verschleissbestaendigkeit von leichtmetallen oder deren legierungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleissbestaendigkeit von Leichtmetallen oder deren Legierungen, welches fuer Werkstoffe aus Leichtmetall oder dessen Legierungen bei Reibung mit einem Partner aus einem Oxid, keramischem Werkstoff oder keramisch metallischem Werkstoff mittels Ionenimplantation den adhaesiven Verschleiss ausschliesst. Gleichzeitig wird auch der abrasive Verschleisswiderstand erhoeht. Das wird dadurch erreicht, dass in den Oberflaechenbereich des Leichtmetallwerkstoffs bei Raumtemperatur Sauerstoffionen der Dosis 2...121017 Ionencm 2 und einer Stromdichte von 5-30 mAcm 2 implantiert werden. Die verschleissfesten Leichtmetallwerkstoffe sind besonders als schmiermittelfreie Lagerwerkstoffe ueberall dort anwendbar, wo aus Leichtbauerfordernissen nur Substratmaterialien mit geringem spezifischen Gewicht einsetzbar sind.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Leichtmetallen oder deren Legierungen mittels Implantation von Metalloidionen. Die verschleißfesten Leichtmetallwerkstoffe sind besonders als schmiermittelfreie Lagerwerkstoffe überall dort anwendbar, wo aus Leichtbauerfordernissen nur Substratmaterialien mit geringem spezifischem Gewicht einsetzbar sind.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Aus der Fach- und Patentliteratur sind eine Reihe von Beispielen bekannt, bei denen Werkstoffoberflächen zum Lwecke des Verschleiß- und Korrosionsschutzes mit Nitriden, Karbiden, Oxiden oder Karbonitriden beschichtet werden. In den Patentschriften DE-OS 3532733 und DD 224882 werden einmal verschleißfeste Überzüge aus einem Metallcarbid, -nilrid oder -carbonitrid, die aus mehreren granular übereinander gewachsenen Schichten gleicher chemischer Beständigkeit und unterschiedlichen Gefüges bestehen, und das andere Mal ein Verfahren zur Herstellung von Oberflächenschichten aus Titan-Bor-Nitrid-Verbindungen, speziell einer Titan-Bor-Oxinitridschicht auf Metallkarbiden der IV.-Vl. Nebengruppe und Bindemetalle der Eisengruppe, vorgestellt. Die DE-OS 2800854 beschreibt ein Präzisionswälzlager, dessen einer Partner eine Hartmetallkugel mit einer Oberflächenschicht aus Karbiden und/oder Nitriden und/oder Karbonitriden und/oder Bork'on und/oder Suiziden und/ oder Oxiden der Gruppe Hl-Vl in Form einer Mischung oder eines Mischkristalls und der andere Partner keramische oder keramisch metallische Werkstoffe darstellen. Bei den aufgeführten Beispielen erfolgt die Schichtabscheidung auf dem Substrat mit Hilfe des CVD-Vorfahrens (chemical vapour deposition - chemische Abscheidung aus der Gasphase). Problematisch dabei sind die erforderlichen hohen Abscheidungstemperaturen. Stähle wie Wälzlagerstahl 100 Cr 6 zeigen bei dieser Beschi(.htungstemperatur so starken Verzag, daß sie beispielsweise nicht als Lager eingesetzt und auch kein sonstiger Einsatz in der Feinmechanik und -optik gewährleistet werden kann. Weitere Probleme bringt dabei oft die geringe Haftung der aufgebrachten Schicht auf dem Gasiswerkstoff. Infolge von Abplatzungen der harten Oberflächenschicht kommt es dann häufig zu einem verstärkten Abrieb.

Die Oberflächenhärte und damit verbunden die Verschleißresistenz kann durch Ionenimplantation ebenfalls beträchtlich gesteigert werden. Bekannt ist der Einschluß von Bor-, Kohlenstoff-, und Stickstoffionon (rad. effects. 44,1979, (191). Die besten Resultate beider Metalloidimplantation wurden mit Stickstoff erreicht (Schmierungstechnik, Berlin 16,19G5,324). Nachteilig dabei ist jedoch die Gefahr der Blisterbildung (Scripte metall. 17,1983,459), die durch Gefugeaufweitung zu verstärkter Ani'ißbildung und damit zur Fostigkeitsminderung des Hanmetalis führt. Einige Patentschriften beschreiben Vorfahren zur Vo'bossorung der Verschleißrosistenz durch Kornpensation der Blisterbildung bei der Ionenimplantation von Hcrtmetalloberflächen auf Wolframkarbid-Basis mit Stickstoff. In der PS DD 251362 wird dabei ein Verfahren dargestellt, bei dem neben der Stickstoff ionenimplantation unter üblichen Bedingungen das Werkstück zusätzlich mit üinem Gas, speziell einem Kohlenwasserstoff - (Acetylen) - umspült wird. Nachteilig dabei ist der hohe technologische Aufwand. Durch Implantation von Arsenionen - DD PS 227988 oder Indiumionen in Verbindung mit Stickstoff- DD-PS 227455 läßt sich die Verschleißbeständigkeit ebenfalls merklich erhöhen. Neben der relativ geringen Verfügbarkeit der Indium- und Arsenionen birgt diese Implantation in sich ein hohes Maß an sicherheitstechnischen Aufwendungen. Die DD-PS 22 74 56 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißboständigkeit bei Werkstücken aus Hartmetall auf Wolframkarbid-Basis und aus vergütetem kohlenstoffreichem Stahl. Dabei werden in die auf Verschleiß beanspruchten Oberflächenbereiche der Werkstücke Metall- und Motalloidionen gemeinsam implantiert, es wird ein Tiofenprofil von 100-500nm Dicke erreicht. Nachteilig an dieser Lösung ist der ebenfalls hohe technologische Aufwsnd. Problematisch dabei ist, daß die mit diesem Verfahren erzielten verschleißbeständigen Werkstoffe nur begrenzt einsatzfähig sind, z. B. nicht als Lagerwerkstoff, dessen anderer Partner ein Oxid, ein keramischer oder keramisch metallischer Werkstoff ist, da dann eine den adhäsiven Verschleiß begünstigende Wechselwirkung zwischen dem Metali des Oberflächenbereiches des implantierten Werkstoffes und dem Sauerstoff den anderen Partners stattfindet.

Ziel der Erfindung

ζϊοΙ der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Werkstoffen aus Leichtmetall oder dessen Legierungen, die unkompliziert hergestellt werden können und die eine optimale Anwendung ermöglichen.

-2- 276 306 Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches für Werkstoffe aus Leichtmetall oder dessen Legierungen bei Reibung mit einem Partner aus einem Oxid, keramischem oder keramisch metallischem Werkstoff den adhäsiven Verschleiß ausschließt.

Erfindungsgomäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Leichtmetallen oder deren Legierungen mittels Implantation von Metalloidionen dadurch gelöst, daß in den Oberflächenbereich des Leichtmetallwerkstoffes bei Raumtemperatur Sauerstoffionen und Stickstoffionen der Dosis 2... 12 · 10" Ionen cm"² und einer Stromdichte von 5-3OuA cm"² implantiert werden.Vorteilhafterweise können als Leichtmetallwerkstoffe Aluminium oder Titan oder deren Legierungen eingesetzt werden. Durch die Ionenimplantation entsteht im Oberflächenbereich des Leichtmetallwerkstoffes eine feinverteilte heterogene Mischung von Oxiden, Nitriden und Oxynitriden des jeweilig eingesetzten Leichtmetallwerkstoffes oder dessen Legierung. Die Konzentration der einzelnen Bestandteile der heterogenen Mischung bzw. deren Grad der Verteilung ist beeinflußbar durch die zeitliche Reihenfolge der Verfahrensschritte der Ionenimplantation. Dabei kann eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung darin bestehen, daß die Sauerstoff- und Stickstoffionen gemeinsam implantiert werden

Die Vorteile der Lösung ergeben sich im wesentlichen dadurch, daß

- durch die Verringerung des metallischen Charakters des Leichtmetallwerkstoffes durch den erhöhten Saueistoffgehalt eine „reaktionsträgere" Oberfläche entsteht

- bei Reibung mit einem Partner aus einem Oxid, einem keramischem oder keramisch metallischem Werkstoff eine Wechselwirkung dessen Sauerstoffs mit dem Metall des Leichtmetallwerkstoffes unterbunden wird und dadurch der adhäsive Verschluß nahezu ausgeschlossen wird

- ein hoher Verschleißschutz trotz relativ geringer Dicke der Diffusionsbarriere realisiert wird

- durch Bildung von Verbindungen des Leichtmetallwerkstoffes mit Sauerstoff und Stickstoff der abrasive Verschlelßwiderstand erhöht wird

- geometrische Veränderungen des Präzisionsbauteils durch Aufwachsen einer Schicht bzw. durch thermische Beanspruchung hervorgerufene Verzugserscheinungen ausgeschlossen werden.

Ausführungsbolsplel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In den Oberflächenbereich eines Präzisionsteils aus EMO - Ti 140 - einer Titanlegierung - werden gleichzeitig Sauerstoffionen und Stickstoffionen bei etwa 5 · 10"³Pa der Dosis 2...12 · 10" Ionen · cm"² und einer Stromdichte von 5-30μΑ · cm"² bei Raumtemperatur implantiert. Durch die Ionenimplantation entsteht im Oberflächenbereich des EMO- Ti 140 eine feinvertoilte heterogene Mischung von Oxiden, Nitriden und Oxynitriden des Titans. Je nach der zeitlichen Reihenfolge der Verfahrensschritte der Ionenimplantation ist der Grad der Verteilung der einzelnen Bestandteile in der heterogenen Mischung beeinflußbar. Anhand des Ausführungsbeispiels erwoist sich die gemeinsame Sauerstoff- und Stickstoffionenimplantation als optimale Variante, da hier der adhäsive Verschleiß bei Reibung mit einem Partner aus einem Oxid, keramischen oder keramisch metallischen Werkstoff nahezu ausgeschlossen wird. Gleichzeitig wird jedoch auch der abrasive Verschleißwiderstand durch Bildung von Verbindungen der Titanlegierung mit dem Sauerstoff und Stickstoff erhöht.

Es wird ein hoher Verschleißschutz trotz relativ geringer Dicke der Diffusionsbarriere - max. 200 nm realisiert. Die Prüfung des Verschleißverhaltens ergab eine Verringerung des Verschleißvolumens beim Kontakt mit einem Gegenkörper aus 100 Cr6 im Vergleich zur ausschließlich mit Stickstoffionen implantierten Variante um etwa 60% bei einem Reibweg von 200m (System Stift-Scheibe; Last 50p, ohne Schmierung).

Claims (3)

1. Verfahren zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Leichtmetallen oder deren Legierungen mittols Implantation von Metalloidionen, gekennzeichnet dadurch, daß in den Oberflächenbereich des Leichtmetallwerkstoffes bei Raumtemperatur Sauerstoffionen und Stickstoff ionen der Dosis 2...12 · 10¹⁷ Ionen · cm"² und einer Stromdichte von 5-30 μΑ · cm"² implantiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Leichtmetallwerkstoffe Aluminium, Titan oder deren Legierungen eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Sauerstoff- und Stickstoff ionen gemeinsam implantiert werden.