DD276306A1

DD276306A1 - METHOD FOR IMPROVING THE WEAR RESISTANCE OF LIGHT METALS OR THEIR ALLOYS

Info

Publication number: DD276306A1
Application number: DD88320987A
Authority: DD
Inventors: Thomas Furche; Edgar Richter; Juergen Schmidt; Ullrich Bayer
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1988-10-10
Filing date: 1988-10-10
Publication date: 1990-02-21

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.The invention relates to a method for improving the wear resistance of light metals or their alloys, which excludes the adhaesive wear for materials made of light metal or its alloys in friction with a partner of an oxide, ceramic material or ceramic metallic material by ion implantation. At the same time, the abrasive wear resistance is increased. This is achieved by implanting oxygen ions of the dose 2... 121017 ion cm 2 and a current density of 5-30 mAcm 2 into the surface area of the light metal material at room temperature. The wear-resistant light metal materials are particularly everywhere as lubricant-free bearing materials applicable where for lightweight construction requirements only substrate materials with low specific weight can be used.

Description

Field of application of the invention

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.The invention relates to a method for improving the wear resistance of light metals or their alloys by implantation of metalloid ions. The wear-resistant light metal materials are particularly suitable as lubricant-free bearing materials everywhere where lightweight materials only substrate materials with low specific weight can be used for lightweight construction requirements.

Characteristic of the known state of the art

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.From the technical and patent literature, a number of examples are known in which material surfaces are coated for Lwecke wear and corrosion protection with nitrides, carbides, oxides or carbonitrides. The patent specifications DE-OS 3532733 and DD 224882 once wear-resistant coatings of a metal carbide, -nilrid or -carbonitrid, which consist of several granular layers of the same chemical resistance and different texture, and the other a method for the production of surface layers Titanium boron nitride compounds, especially a titanium boron oxinitride layer on metal carbides of IV.-Vl. Subgroup and binder metals of the iron group, presented. DE-OS 2800854 describes a precision rolling bearing, one of which partners a hard metal ball with a surface layer of carbides and / or nitrides and / or carbonitrides and / or Bork'on and / or suicides and / or oxides of group Hl-Vl in the form of a mixture or a mixed crystal and the other partners represent ceramic or ceramic metallic materials. In the examples given, the layer deposition takes place on the substrate by means of the CVD ancestor (chemical vapor deposition - chemical deposition from the gas phase). The problem here are the required high deposition temperatures. Steels such as bearing steel 100 Cr 6 exhibit such a high degree of deskew at this tempering temperature that, for example, they can not be used as a bearing and no other use in the precision mechanics and optics can be ensured Further problems often result from the low adhesion of the applied layer As a result of flaking off of the hard surface layer, it often leads to increased abrasion.

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.The surface hardness and associated wear resistance can also be increased considerably by ion implantation. The inclusion of boron, carbon, and nitrogen ionone (Rad effects, 44, 1979, (191) is known.) The best results of both metalloid implantations were achieved with nitrogen (Schmierungstechnik, Berlin 16, 19G5, 324) The danger of blistering (Scripte metal 17,1183,459), which leads to increased Ani'ißbildung by Gefugeaufweitung and thus to Fostigkeitsminderung of Hanmetalis.Some patents describe ancestors to Vo'bossorung the wear rose by grain compensation of the blister formation in the ion implantation of Hcrtmetalloberflächen On the basis of tungsten carbide with nitrogen, PS DD 251362 shows a process in which, in addition to nitrogen ion implantation under normal conditions, the workpiece is additionally flushed with a gas, especially a hydrocarbon (acetylene) Technological expenditure: By implantation of arsenic ions - DD PS 227988 or Indi umionen in conjunction with nitrogen DD-PS 227455, the wear resistance can also increase significantly. In addition to the relatively low availability of the indium and arsenic ions, this implantation entails a high degree of safety-related expenditures. DD-PS 22 74 56 describes a method for improving wear resistance in tungsten carbide-based and tempered carbon-rich steel workpieces. In this case, metal and Motalloidionen be implanted together in the claimed on wear surface areas of the workpieces, it is achieved a Tiofenprofil 100-500nm thickness. A disadvantage of this solution is also the high technological Aufwsnd. The problem with this is that the achieved with this method wear-resistant materials are limited operational, z. B. not as a bearing material whose other partner is an oxide, a ceramic or ceramic metallic material, since then takes place the adhesive wear favoring interaction between the Metali of the surface region of the implanted material and the oxygen to the other partners.

Object of the invention

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.The invention is a method for improving the wear resistance of materials of light metal or its alloys, which can be produced easily and which allow optimal use.

-2- 276 306 Darlegung des Wesens der Erfindung-2- 276 306 Presentation of the Essence of the Invention

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.The invention has for its object to provide a method which excludes the adhesive wear for materials made of light metal or its alloys in friction with a partner of an oxide, ceramic or ceramic metallic material.

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 werdenErfindungsgomäß the object is achieved by a method for improving the wear resistance of light metals or their alloys by implantation of metalloid ions characterized in that in the surface region of the light metal material at room temperature oxygen ions and nitrogen ions of the dose 2 ... 12 · 10 "ions cm" ² and a current density of 5-3OuA cm ^"2 implanted werden.Vorteilhafterweise can be used as light metal materials of aluminum or titanium or their alloys. Due to the ion implantation, a finely dispersed heterogeneous mixture of oxides, nitrides and oxynitrides of the light metal material used in each case or its alloy is formed in the surface region of the light metal material. The concentration of the individual constituents of the heterogeneous mixture or their degree of distribution can be influenced by the time sequence of the process steps of the ion implantation Design of the invention consist in that the oxygen and nitrogen ions are implanted together

Die Vorteile der Lösung ergeben sich im wesentlichen dadurch, daß The advantages of the solution result essentially from the fact that

- durch die Verringerung des metallischen Charakters des Leichtmetallwerkstoffes durch den erhöhten Saueistoffgehalt eine „reaktionsträgere" Oberfläche entsteht- By reducing the metallic character of the light metal material by the increased acid content of a "more reactive" surface is formed

- 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- In friction with a partner of an oxide, a ceramic or ceramic metallic material, an interaction of the oxygen is prevented with the metal of the light metal material and thereby the adhesive closure is almost excluded

- ein hoher Verschleißschutz trotz relativ geringer Dicke der Diffusionsbarriere realisiert wird- A high wear protection is realized despite relatively small thickness of the diffusion barrier

- durch Bildung von Verbindungen des Leichtmetallwerkstoffes mit Sauerstoff und Stickstoff der abrasive Verschlelßwiderstand erhöht wird- By forming compounds of the light metal material with oxygen and nitrogen, the abrasive Verschlelßwiderstand is increased

- geometrische Veränderungen des Präzisionsbauteils durch Aufwachsen einer Schicht bzw. durch thermische Beanspruchung hervorgerufene Verzugserscheinungen ausgeschlossen werden.- Geometric changes of the precision component by growing a layer or caused by thermal stress distortion phenomena are excluded.

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.The invention will be explained below using an exemplary embodiment. In the surface region of a precision part from EMO - Ti 140 - a titanium alloy - simultaneously oxygen ions and nitrogen ions at about 5 x 10 ^'3 Pa dose 2 ... 12 · 10 "ions · cm" ² and a current density of 5-30μΑ · cm " ² implanted at room temperature. The ion implantation produces a finely divided heterogeneous mixture of oxides, nitrides and oxynitrides of titanium in the surface region of EMO-Ti 140. Depending on the time sequence of the process steps of ion implantation, the degree of distribution of the individual components in the heterogeneous mixture can be influenced. On the basis of the embodiment, the common oxygen and nitrogen ion implantation developed as an optimal variant, since the adhesive wear during friction with a partner of an oxide, ceramic or ceramic metallic material is almost impossible. At the same time, however, the abrasive wear resistance is also increased by forming compounds of the titanium alloy with the oxygen and nitrogen.

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).It is a high wear protection despite relatively small thickness of the diffusion barrier - max. 200 nm realized. Examination of the wear behavior showed a reduction in the wear volume when in contact with a 100 Cr6 counter body compared to the exclusively implanted with nitrogen ions variant by about 60% with a friction distance of 200m (system pin-disc, load 50p, without lubrication).

Claims

1. A method for improving the wear resistance of light metals or their alloys mittols implantation of metalloid ions, characterized in that in the surface region of the light metal material at room temperature oxygen ions and nitrogen ions of the dose 2 ... 12 · 10 ¹⁷ ions cm " ² and a current density of 5-30 μΑ cm " ^{2 are} implanted.

2. The method according to claim 1, characterized in that are used as light metal materials aluminum, titanium or their alloys.

3. The method according to claim 1, characterized in that the oxygen and nitrogen ions are implanted together.