DE112010005202B4

DE112010005202B4 - Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche

Info

Publication number: DE112010005202B4
Application number: DE112010005202.6T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro MORIZONO; Sadahiro TSUREKAWA; Tatsuya SAKO; Hiroyuki Nemoto
Original assignee: Kumamoto University NUC
Current assignee: Kumamoto University NUC
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2030-12-30
Also published as: US20120325373A1; WO2011092998A1; DE112010005202T5; JP5927646B2; JPWO2011092998A1

Abstract

Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche, gekennzeichnet durch eine Hitzebehandlung eines Zielmetalls in einer Stickstoffgasatmosphäre, in einem Zustand, in welchem das Zielmetall in einem auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver eingegraben ist, welches ein Kohlenstoffpulver und ein Pulver aus Eisen oder einer Eisenlegierung umfasst, welche hauptsächlich Eisen umfasst und Kohlenstoff enthält, wobei die Oberfläche des Zielmetalls zumindest nitriert oder Stickstoff-absorbiert wird, um die Oberfläche zu verändern.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche, welches die Oberfläche von einem Metallwerkstoff, der reines Metall, eine Legierung, einen Verbundwerkstoff oder ähnliches enthält, verändert.
STAND DER TECHNIK
Titan ist ein Werkstoff, der eine hohe spezifische Festigkeit und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist, so dass es eigentlich Anwendung findet, oder man erwarten könnte, dass es in verschiedenen Einsatzgebieten angewendet würde, wie beispielsweise als industrielle Teile für Raumfahrzeuge/Luftfahrzeuge, Kraftfahrzeuge, Motorräder und ähnlichem; als strukturelle Werkstoffe für das Bauwesen, Gebäude und ähnliches; Gebrauchsgüter und ähnliches. Jedoch besteht ein Problem, dass Titan eine begrenzte Anwendbarkeit bei Teilen aufweist, welche eine hohe Verschleißfestigkeit erfordern, wie Gleitteile in Kraftfahrzeugmotoren, da Titan ungünstigerweise eine relativ geringe Härte und minderwertige Verschleißfestigkeit aufweist. Dementsprechend wurde eine Vielzahl von Technologien vorgeschlagen zur Oberflächenveränderung von Titan und anderen Metallwerkstoffen, um deren Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit zu verbessern. Üblicherweise sind als Technologien zur Oberflächenveränderung von Titan und Metallwerkstoffen Verfahren der Beschichtung einer Metalloberfläche, wie thermisches Spritzen, das PVD(physikalische Gasphasenabscheidung)-Verfahren, das CVD(chemische Gasphasenabscheidung)-Verfahren sowie Verfahren zur Änderung der Zusammensetzung einer Metalloberfläche, wie z.B. Zementation und Nitrierung bekannt (siehe beispielsweise Patentliteratur 1, 2, 3, 4, Nicht-Patentliteratur 1, 2). Beispielsweise schlägt Patentliteratur 1 eine Technologie zur Bildung einer TiC-Schicht auf der Oberfläche eines Titanwerkstoffs durch Hochtemperaturbehandlung einer Aluminium enthaltenden Titanlegierung, welche in Schichten mit Kohlenstoffwerkstoff gestapelt ist, vor. Zudem schlägt die Patentliteratur 2 eine Technologie zur Bildung einer Oberflächenschicht vor, die Carbide von Chrom und ähnlichem enthält, durch das Salzschmelzeverfahren und ähnlichem, nach der Zementation der Oberfläche eines Titanwerkstoffes. Ferner schlägt Patentliteratur 3 eine Technologie zur Bildung einer Beschichtung auf einem Metallerzeugnis durch Bedecken des Metallerzeugnisses mit einem Pack-Cementation-Pulver und einem Feinpulver und anschließender Hitzebehandlung im Vakuumraum vor. Des Weiteren offenbart Nicht-Patentliteratur 1 eine Technologie zur Nitrierung von Titan durch Stickstoffgas. Ferner offenbaren Patentliteratur 4 und Nicht-Patentliteratur 2 eine Technologie zur Bildung einer Carbonitridschicht auf einer Titanoberfläche durch Platzieren von Titan in einen Behälter aus Graphit und anschließender Hitzebehandlung bei einer Temperatur von 1100 bis 1300°C für 10 bis 90 Minuten unter Stickstoffatmosphäre. Andererseits sind Werkstoffe mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit nicht begrenzt auf solche, die durch Oberflächenbehandlung von Titan wie oben beschrieben aufbereitet wurden, sondern es werden Verbundwerkstoffe wie Cermet, die aus einem feinen Pulver einer harten Verbindung hergestellt werden, verwendet. In diesem Zusammenhang wird Titan in ein feines Pulver aus Titannitrid oder Titancarbid verarbeitet und als Rohstoff für einen Verbundwerkstoff verwendet (siehe beispielsweise Patentliteratur 5).
Zitierliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 2004 083 939 A
Patentliteratur 2: JP H05 140 725 A
Patentliteratur 3: JP 2007 113 081 A
Patentliteratur 4: JP 2002 080 958 A
Patentliteratur 5: JP H01 96 005 A

Nicht-Patentliteratur

Nicht-Patentliteratur 1: Takamura, Akira, „Nitridization of Titanium," J. Japan Inst. Metals, 24(9); 565-569 (1960)
Nicht-Patentliteratur 2: Matsuura, K. and Kudoh, M., „Surface modification of titanium by a diffusional Cabonitriding method," Acta Materialia, (US), 12 Juni 2002, Vol 50, Issue 10, 2693-2700.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Im Hinblick auf ein konventionelles Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Titanwerkstoffes, kann man mit einem thermischen Spritzverfahren keine geglättete Oberfläche auf einem Werkstoff erzielen, so dass mechanisches Polieren nach einer Oberflächenbehandlung erforderlich ist, und daher der Prozess kompliziert ist und dieses Verfahren in der Zweckmäßigkeit ungeeignet ist. Ferner sind das PVD-Verfahren und das CVD-Verfahren wenig effizient und können ein Ablösen der oberflächenbehandelten Schicht verursachen und zudem erfordern sie teure spezielle Anlagen. In dem Verfahren, welches in Patentliteratur 1 beschrieben wird, kann der Prozess kompliziert oder die Behandlung schwierig sein, in dem Fall, dass die Form des Titans komplex ist und beispielsweise eine gekrümmte Oberfläche oder Unebenheiten und Neigungen aufweist, da es erforderlich ist, dass ein Kohlenstoffwerkstoff oder ähnliches vorverarbeitet wird, um der Form der gekrümmten Oberfläche und den Unebenheiten und Neigungen des Titanwerkstoffes zu entsprechen. In dem Verfahren, welches in Patentliteratur 2 beschrieben wird, ist nach der Zementation des Titanwerkstoffes eine weitere Zementation von Chrom oder ähnlichem auf dem Titanwerkstoff erforderlich, was problematisch sein kann, da dieses Verfahren viele Prozesse erfordert, kompliziert ist und kostenintensiv. Im Verfahren der Patentliteratur 3 ist es außerdem erforderlich, dass ein feines Pulver um das Pulver, welches einen Basiswerkstoff bedeckt, aufgebracht wird, und man muss zwei Pulver mit unterschiedlichen Partikelgrößen handhaben, was das Verfahren anspruchsvoll macht. Zusätzlich ist ein Pulver mit kleinem Korngrößendurchmesser, welches die Außenseite bedeckt, gesintert, und es ist erforderlich, die gesinterte Beschichtung aufzubrechen, um ein Produkt nach der Behandlung zu entnehmen, was das Verfahren als Ganzes kompliziert macht. Darüber hinaus bildet sich im konventionellen Verfahren, wie dem aus Nicht-Patentliteratur 1, bei welchem die Titanoberfläche nitriert ist, schnell eine Schicht aus Titanoxid auf der Oberfläche des Titanwerkstoffes während des Erhitzungsprozesses, wodurch ein Nitrieren nicht einfach durchgeführt werden kann, wodurch sich eine dünne oberflächenveränderte Schicht und eine weniger ausgeprägte Oberflächenhärte, selbst nach einer langen Behandlungsdauer ergibt. Daher weist das Verfahren die Probleme auf, dass es hinsichtlich der Effektivität und der Zweckmäßigkeit schlechter ist. In den Verfahren der Nicht-Patentliteratur 4 und Nicht-Patentliteratur 2 ist es erforderlich, dass Graphit bei einer relativ hohen Temperatur hitzebehandelt wird, um die Titanoberfläche zu behandeln, da Graphit relativ stabil ist. Daher können die kristallinen Körner von Titan größer werden und so verminderte mechanische Eigenschaften verursachen. Zudem können viele Poren (Porositäten) in einer oberflächenveränderten Schicht aus Titan gebildet werden, um so verminderte Härte zu verursachen. Daher weisen die Verfahren Probleme eines geringen Produktwertes auf. Zusätzlich kann das Vorsehen der entsprechenden Anlage eine hohe Belastung für kleine und mittelständische Betriebe darstellen und schwierig sein, da eine Heizanlage für Hochtemperaturheizungen sehr teuer ist.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben bestehenden Probleme gemacht. Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche vorzusehen, das die Oberflächeneigenschaften eines Zielmetalls verbessern kann, wie z.B. Oberflächenhärte oder Verschleißfestigkeit in einfacher Weise und zu geringen Kosten, durch Gebrauch einer einzelnen einfachen Anlage, welche das Metall vor Verschlechterung schützen kann, um dadurch einen hohen zusätzlichen Wert zu erzeugen.
Lösung des Problems
Um o.g. Probleme zu lösen, umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche, gekennzeichnet durch: Hitzebehandlung eines Zielmetalls (10), welches oberflächenverändert werden soll in einer Stickstoffatmosphäre (S), in einem Zustand, in dem das Zielmetall (10) in ein auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver (12) eingegraben wird, welches ein Kohlenstoffpulver und ein Pulver aus Eisen oder einer Eisenlegierung, welche hauptsächlich Eisen umfasst und Kohlenstoff enthält, aufweist, wobei die Oberfläche des Zielmetalls (10) zumindest nitriert oder Stickstoff-absorbiert ist, um die Oberfläche zu verändern. Die Eisenlegierung kann Legierungselemente abgesehen von Eisen und Kohlenstoff enthalten, z.B. Nickel, Chrom, Molybdän und ähnliches.
Zudem kann die Erhitzungstemperatur auf zwischen 600°C und 1200°C eingestellt sein.
Vorzugsweise kann die Erhitzungstemperatur auf zwischen 700°C und 1000°C eingestellt sein.
Zudem kann das Kohlenstoffpulver ein Pulver aus einem Material sein, das hauptsächlich Kohlenstoff enthält, wie beispielsweise Graphit oder aktivierter Kohlenstoff oder Kohle.
Zudem kann die Eisenlegierung Kohlenstoffstahl oder Gusseisen enthalten.
Zudem kann das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver durch Mischen eines Kohlenstoffpulvers und eines Pulvers aus Kohlenstoffstahl oder Gusseisen in einem Volumenverhältnisbereich zwischen 3:7 und 7:3 aufbereitet sein.
Zudem kann das Zielmetall Titan oder eine Titanlegierung sein.
Zudem kann das Zielmetall rostfreier Stahl sein.
Zudem kann das Zielmetall ein Metall der Gruppen 4A, 5A, 6A im Periodensystem sein, oder eine Legierung daraus. Das Zielmetall nämlich kann aus einem der Metalle Titan, Zirkonium oder Haffnium aus der Gruppe 4A des Periodensystems; Vanadium, Niobium, Tantalum aus der Gruppe 5A; Chrom, Molybdän, Wolfram aus der Gruppe 6A; oder eine Legierung, welche durch Zusatz eines anderen Elements zu einem dieser Metalle gebildet wurde, sein.
Zudem kann das Zielmetall ein Verbundwerkstoff aus einem Metall der Gruppen 4A, 5A, 6A des Periodensystems, oder eine Legierung daraus und rostfreiem Stahl sein.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Gemäß dem Behandlungsverfahren für eine Metalloberfläche der vorliegenden Erfindung durch Hitzebehandlung eines Zielmetalls, welches in einer Stickstoffgasatmosphäre oberflächenverändert werden soll, in einem Zustand, in dem das Zielmetall in einem auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver, aufweisend ein Kohlenstoffpulver und ein Pulver aus Eisen oder einer Eisenlegierung, die hauptsächlich Eisen umfasst und Kohlenstoff enthält, eingegraben ist, wobei die Oberfläche des Zielmetalls zumindest nitriert oder Stickstoff-absorbiert wird, um die Oberfläche zu verändern. Daher kann eine Schicht mit hoher Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit auf der Oberfläche des Metalls, dessen Oberflächeneigenschaft durch einfache Maßnahmen und kostengünstig verbessert werden soll, durch Gebrauch einer einzelnen sehr einfachen Anlage gebildet werden. Zudem kann eine Oberflächenbehandlung einfach durchgeführt werden, unabhängig von der Form des Zielmetalls und das Metall kann einfach nach der Behandlung entnommen werden, da das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver nicht einfach gesintert wird. Daher ist auch die Effizienz der Behandlung gut. Als ein Ergebnis können selbst kleine und mittelständische Unternehmen das vorliegende Verfahren kostengünstig verwenden und können eine erweiterte Verwendungsmöglichkeit des Metalls auf verschiedenen Gebieten erproben. Da insbesondere das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver durch Mischen eines Kohlenstoffpulvers und eines Pulvers aus Eisen oder einer Eisenlegierung aufbereitet ist, kann sowohl die Reaktivität der Nitrierung und Kohlenstoffnitrierung, im Vergleich zu einer Oberflächenbehandlung mit einem Kohlenstoffpulver alleine, verbessert werden. Daher kann eine bessere Oberflächenveränderung durchgeführt werden, um eine höhere Härte zu erzeugen. Zusätzlich kann eine oberflächenverändernde Behandlung bei relativ geringer Erhitzungstemperatur erzielt werden, so dass der Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften von Metall vorgebeugt werden kann und der Bildung von Porositäten auf einer oberflächenveränderten Schicht wird ebenso gut vorgebeugt. Als ein Ergebnis kann ein Erzeugnis mit guter Verwendungsmöglichkeit und hoher Qualität zur Verfügung gestellt werden.
Zudem kann durch Einstellen der Erhitzungstemperatur zwischen 600°C und 1200°C ein Zielmetall effizient oberflächenverändert werden und der Verschlechterung von mechanischen Eigenschaften des Metalls kann ebenfalls vorgebeugt werden.
Zudem kann ein Zielmetall durch Einstellen der Erhitzungstemperatur zwischen 700°C und 1000°C effizient oberflächenverändert werden, so dass das Metall zweckmäßig für industrielle Teile wie Fahrzeugkomponenten und ähnlichem als auch für Biomaterialien genutzt werden. Gleichzeitig kann es im Fall eines Metalls wie Titan oder rostfreiem Stahl, der Verschlechterung von mechanischen Eigenschaften und der Bildung von Porositäten auf einer oberflächenveränderten Schicht zuverlässiger vorgebeugt werden, um sicherzustellen, dass erwünschte Eigenschaften des Metalls erhalten oder gesteuert werden. Zudem können die Kosten für Heizanlagen gesenkt werden und auch kleine und mittelständische Unternehmen können die Anlagen recht einfach einführen.
Zudem kann eine besseren Oberflächenbehandlung erreicht werden, da das Kohlenstoffpulver ein Pulver aus einem Werkstoff sein muss, der hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht, wie Graphit oder aktivierter Kohlenstoff oder Kohle, und das Kohlenstoffpulver relativ kostengünstig erhältlich ist, so dass eine Oberflächenbehandlung kostengünstig durchgeführt werden kann.
Zudem kann ein Eisenlegierungspulver mit Hochleistung für eine Oberflächenbehandlung aufbereitet werden, da die Eisenlegierung Kohlenstoffstahl oder Gusseisen umfasst und das Eisenlegierungspulver relativ kostengünstig erhältlich ist, so dass eine Oberflächenbehandlung kostengünstig durchgeführt werden kann.
Zudem kann die Oberfläche des Zielmetalls behandelt werden, um eine höhere Härte zu erreichen, so dass eine gute oberflächenbehandelte Schicht gebildet werden kann, um ein Metallerzeugnis von hohem Wert zu erhalten, da das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver durch Mischen eines Kohlenstoffpulvers mit einem Pulver aus Kohlenstoffstahl oder Gusseisen in einem Volumenverhältnisbereich zwischen 3:7 bis 7:3 aufbereitet wird.
Zudem kann Titan, welches eine hochspezifische Festigkeit und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist und mechanische Eigenschaften aufweist, effektiv oberflächenverändert werden, um ein Titanerzeugnis mit verbesserter Verwendungsmöglichkeit zur Verfügung zu stellen, in dem Fall, dass das Zielmetall Titan oder eine Titanlegierung ist.
Zudem kann rostfreier Stahl, welcher relativ günstig ist und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist, effektiv oberflächenverändert werden, um ein rostfreies Stahlerzeugnis zur Verfügung zu stellen, welches verbesserte Verwendungsmöglichkeiten hat, in dem Fall, dass das Zielmetall rostfreier Stahl ist. Ferner kann zum Beispiel ein oberflächenaustenitisierter rostfreier Stahl durch effektive Stickstoffabsorption ohne Zusatz von teurem Nickel zu dem rostfreien Stahl erhalten werden. Daher kann rostfreier Stahl mit hoher Oberflächenhärte kostengünstig hergestellt werden. Zusätzlich kann einer Nickelallergie vorgebeugt werden, so dass dieser rostfreie Stahl als Biomaterial verwendet werden kann.
Zudem kann das Zielmetall, welches ausgezeichnete mechanische Eigenschaften ähnlich dem Titan aufweist, effektiv oberflächenverändert werden, um ein Metallerzeugnis mit verbesserten Verwendungsmöglichkeiten zur Verfügung zu stellen, in dem Fall, dass das Zielmetall ein Metall aus den Gruppen 4A, 5A, 6A des Periodensystems oder eine Legierung daraus ist.
Zudem kann ein Verbundwerkstoff, welcher sowohl die Eigenschaften eines Metalls wie Titan oder einer Legierung davon, als auch die von rostfreiem Stahl aufweist, effektiv oberflächenverändert werden, um einen Verbundwerkstoff mit verbesserten Verwendungsmöglichkeiten zur Verfügung zu stellen, falls das Zielmetall ein Verbundwerkstoff ist, welcher ein Metall aus den Gruppen 4A, 5A, 6A des Periodensystems oder eine Legierung daraus ist.
Zudem hat ein oberflächenverändertes Metallerzeugnis gemäß der vorliegenden Erfindung, welches durch das Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche, wie oben beschrieben, erhalten wird und auf welchem eine oberflächenveränderte Schicht, die zumindest nitriert oder Stickstoff-absorbiert ist, gebildet ist, gleichzeitig die Eigenschaften des Zielmetalls selbst und eine oberflächenveränderte Schicht, die eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit aufweist. Daher kann ein hochwertiges Metallerzeugnis mit einer breiten Anwendbarkeit in verschiedenen Gebieten kostengünstig zur Verfügung gestellt werden.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Abbildung des Verfahrens zur Behandlung einer Metalloberfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Elektronenmikroskopie-Bild eines Querschnitts an der Oberflächenseite eines Titanerzeugnisses, das aus Beispiel 1 erhalten wurde.
3 zeigt eine Tabelle, in welcher die Oberflächenhärte und die beobachteten Ergebnisse der Oberflächenfarbe für Titanerzeugnisse aus den Beispielen 1 bis 5 und den vergleichenden Beispielen 1 und 2, verglichen werden.
4 zeigt Röntgenbeugungsmuster für die Oberfläche der Titanerzeugnisse aus den Beispielen 1 bis 5 und dem vergleichenden Beispiel 1.
5 zeigt ein Röntgenbeugungsmuster für die Oberfläche des Titanerzeugnisses aus dem vergleichenden Beispiel 2.
6 zeigt ein Diagramm, welches gemessene Ergebnisse von Oberflächenhärten für Titanerzeugnisse, die aus Beispiel 6-11 erhalten wurden, aufzeigt.
7 zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Tiefe der Oberfläche und der Härte der Titanlegierung aus Beispiel 12 zeigt.
8 zeigt ein Lichtmikroskopie-Bild eines Querschnitts der Rundstangen des rostfreien Stahls, welche aus dem vergleichenden Beispiel 3 und Beispiel 13 erhalten wurden.
9 zeigt eine Tabelle, in welcher eine Oberflächenhärte für rostfreien Stahl aus Beispiel 13 und 14 und vergleichendem Beispiel 3 verglichen wird.
10 zeigt Röntgenbeugungsmuster der Oberflächen von rostfreiem Stahl aus dem vergleichenden Beispiel 3 und Beispiel 13.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden mit Bezug auf die dazugehörigen Zeichnungen die Ausführungsformen des Verfahrens zur Behandlung einer Metalloberfläche sowie oberflächenveränderte Metallerzeugnisse gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Art des Oberflächenveränderungsverfahrens durch einen trockenen Prozess, um die Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit und ähnliches von einem Metallwerkstoff, der in verschiedenen industriellen Bauteilen, Biomaterialien, strukturellen Werkstoffen, Verbrauchsgütern und ähnlichen gebraucht wird, zu verbessern. 1 zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens zur Behandlung einer Metalloberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist, wie in 1 gezeigt ist, das Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche ein oberflächenhärtendes Verfahren, in welchem durch Hitzebehandlung ein Zielmetall (10) in Stickstoffgas (N₂-Atmosphäre), in einem Zustand, in welchen das Zielmetall in einem auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver eingegraben ist, wobei die Oberfläche des Metalls selbst nitriert öder carbonitriert, oder Stickstoffabsorbiert oder Kohlenstoff-absorbiert ist, um eine gehärtete oberflächenveränderte Schicht zu bilden.
Speziell enthält das Zielmetall (10) in dieser Ausführungsform zum Beispiel reines Titan; eine Titanlegierung, die durch Zugabe eines Legierungselements wie Aluminium, Molybdän, Kupfer, Mangan gebildet wurde; rostfreien Stahl, der durch Zugabe von Chrom, Nickel, etc. zu Eisen gebildet wurde; ein Metall aus den Gruppen 4A, 5A, 6A des Periodensystems oder einer Legierung daraus, gebildet durch Zugabe eines anderen Elements; ein Verbundwerkstoff, gebildet aus einem Metall der Gruppen 4A, 5A, 6A des Periodensystems oder einer Legierung daraus und rostfreiem Stahl. In dem Fall, dass das Zielmetall (10) ein Titanerzeugnis ist, welches Titan öder eine Titanlegierung umfasst, wird eine oberflächenveränderte Schicht aus Titannitrid oder Titancarbonitrid dadurch gebildet, dass Stickstoff oder Kohlenstoff ermöglicht wird, an die Oberfläche des Titanerzeugnisses zu diffundieren. Alternativ wird eine oberflächenverändernde Schicht, in welcher Eisen und Chrom im rostfreien Stahl nitriert oder carbonitriert oder Stickstoff-absorbiert oder Kohlenstoff-absorbiert ist, gebildet, indem Stickstoff und Kohlenstoff ermöglicht wird, zu diffundieren und an deren Oberflächenschicht zu absorbieren, in dem Fall, dass das Zielmetall rostfreier Stahl ist. Alternativ, in dem Fall, dass das Zielmetall (10) ein Metall aus den Gruppen 4A, 5A, 6A des Periodensystems oder eine Legierung davon ist, welche ohne weiteres Nitride oder Carbide, ähnlich dem Titan bildet, wird eine oberflächenveränderte Schicht von Nitriden oder Carbonitriden gebildet, indem Stickstoff oder Kohlenstoff ermöglicht wird, an deren Oberflächenschicht zu diffundieren, wie es für Titan beschrieben wurde. Alternativ, in dem Fall, dass das Zielmetall (10) ein Verbundwerkstoff ist, wird z.B. eine oberflächenveränderte Schicht gebildet wird, in der Stickstoff und Kohlenstoff an die Oberfläche von entweder einem Metall aus der Gruppe 4A, 5A, 6A des Periodensystems, oder an die von rostfreiem Stahl, oder von beiden diffundieren. Das Zielmetall ist nicht an o.g. Beispiele gebunden, sondern auch andere Metallwerkstoffe, die durch Nitrierung oberflächenverändert werden können, können verwendet werden, wie z.B. reines Metall, eine Legierung, ein Verbundwerkstoff, in welchem ein reines Metall und eine Legierung, oder ein reines Metall oder eine Legierung und ein Nicht-Metall zu einer ganzheitlichen Art kombiniert wurden. In 1 ist das Zielmetall (10) z.B. plattenartig geformt. Das Zielmetall (10) ist z.B. anwendbar für Teile aus Kraftfahrzeugen/Motorrädern, Raumfahrzeugen/Luftfahrzeugen, Schiffen; Werkzeuge zur Werkstoffverarbeitung, wie z.B. als ein Werkzeugeinsatz; Biomaterialien, wie z.B. künstliche Gelenke; strukturelle Werkstoffe für Bauwesen/Gebäude, wie Platten, Säulen; chemische Reaktoren; Verbrauchsgüter; jeweils geformt und angepasst nach weiteren verschiedenen beabsichtigten Anwendungen.
Bei der Erhitzung kann ein auf einer Kohlenstoffquelle basierendes Pulver (12) als ein reduzierendes Mittel oder als ein Antioxidationsmittel dienen, welches reduzierende Effekte an der Oberfläche eines Zielmetalls oder oxidative Effekte an der Metalloberfläche bietet. Das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver ist eine Kohlenstoffquelle, um Kohlenstoff, welches bei Erhitzung leicht mit Sauerstoff reagiert, zu liefern. Im Allgemeinen wird die Oberfläche aufgrund einer Reaktion mit umgebenden Sauerstoff leicht oxidiert. Jedoch reduziert der Kohlenstoff bei Erhitzung eines Zielmetalls bei Vorhandensein des auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulvers (Kohlenstoff) auf der Oberfläche die Metalloberfläche oder unterdrückt die Oxidation der Metalloberfläche, während Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxid durch Reaktion mit Sauerstoff um das Metall herum erzeugt wird. Als ein Ergebnis dient das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver als ein Nitrierfördermittel in der Stickstoffgasatmosphäre, welche eine Reaktion zwischen der Oberfläche eines Metalls und Stickstoff fördert. Ferner kann das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver auch als ein Element dienen, welches es dem Kohlenstoff ermöglicht, in die Oberfläche des Zielmetalls einzudringen und an dieses zu diffundieren, um die Oberfläche zu verändern. In dieser Ausführungsform kommt die Kohlenstoffquelle gut mit der Oberfläche des Zielmetalls in Berührung oder kommt nahe heran, da es in Pulverform vorliegt, den verschiedenen Formen und Größen des Zielmetalls entsprechend, um effektiv eine Reduktion oder Antioxidation der Metalloberfläche zu erreichen. Gleichzeitig kann das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver eine Reaktion zwischen einer Metalloberfläche und Stickstoff aufrecht erhalten, da Lücken zwischen den Pulverpartikeln gebildet sind.
Ein Beispiel des Pulvers auf Kohlenstoffbasis umfasst ein gemischtes Pulver, das z.B. zumindest zwei Arten von Pulvern umfasst, ein Kohlenstoffpulver und ein Pulver aus Eisen oder einer Eisenlegierung, die hauptsächlich Eisen umfasst und Kohlenstoff enthält. Zum Beispiel umfasst das Kohlenstoffpulver einen Kohlenstoffwerkstoff, der hauptsächlich Kohlenstoff enthält, wie z.B. ein aktiviertes Kohlenstoffpulver, ein Graphit-Pulver oder Kohle-Pulver. Kohlenstoff enthaltende Eisenlegierungen enthalten z.B. Kohlenstoffstahl, die Kohlenstoff in Eisen enthalten, Gusseisen, das mehr Kohlenstoff enthält als Kohlenstoffstahl, andere eisenbasierende Legierungen, die Kohlenstoff enthalten; rostfreier Stahl, der Chrom, Nickel, etc. abgesehen von Eisen/Kohlenstoff enthält; spezieller Stahl (Legierungsstahl), der eines der anderen Legierungselemente enthält. Zum Beispiel enthält eine Kohlenstoff enthaltende Eisenlegierung vorzugsweise um die 0,1-6,7 Gew.-% Kohlenstoff, vorzugsweise um die 0,1-4 Gew.-% Kohlenstoff. Zusätzlich zu einem Kohlenstoffpulver und einem Pulver aus Eisen oder einer Eisenlegierung kann ein auf einer Kohlenstoffquelle basierendes Pulver beispielsweise mit einem Pulver aus einer Kohlenstoffverbindung, wie Siliziumcarbiden, gemischt werden oder einem Pulver aus anderen Materialien, welche bei der Erhitzung Kohlenstoff liefern können, um eine Reduktion oder Antioxidation der Oberfläche des Zielmetalls zu ermöglichen. Vorzugsweise sollte das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver nicht einfach bei der Erhitzung gesintert werden können und sollte die Reaktion zwischen dem Stickstoff und dem Metall, das vollständig von dem Pulver bedeckt ist, nicht stören. Das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver erhält vorzugsweise den Raum zwischen den Pulverpartikeln, um einem Gas und ähnlichem (Stickstoff, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid) auch in einem fortgeschrittenen Stadium der Behandlung den Durchgang zu ermöglichen. Das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver kann z.B. mit einem Anti-Sintermittel für das Pulver, wie beispielsweise Aluminiumoxid, gemischt werden.
Vorzugsweise umfasst das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver ein gemischtes Pulver aus einem Kohlenstoffpulver und einem Pulver aus Kohlenstoff enthaltender Eisenlegierung, wie Kohlenstoffstahl oder Gusseisen. Wie in den unten aufgeführten Beispielen gezeigt ist, weisen Experimente darauf hin, dass ein Behandlungseffekt der Oberfläche eines Zielmetalls größer ist, wenn als das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver ein Gemisch eines Kohlenstoffpulvers und eines Eisen- und Stahlpulvers in einem bestimmten Verhältnis verwendet wird, verglichen mit einer Verwendung von Kohlenstoffpulver allein. Obwohl der Grund hierfür nicht im Detail bekannt ist, tritt eine hohe Reaktivität des Kohlenstoffs, welcher vom Kohlenstoffstahl oder Gusseisen freigesetzt wird, auf, verglichen mit dem Gebrauch eines Kohlenstoffpulvers allein, welches selbst bei hohen Temperaturen relativ stabil ist. Zudem könnte Eisen in Kohlenstoffstahl auch zur Reduktion und Antioxidation der Metalloberfläche beitragen. Als ein Ergebnis scheinen eine Reduktion und Antioxidation der Metalloberfläche und Nitrierreaktionen mehr gefördert zu werden. Ferner kann einem Sintern durch Mischen eines Kohlenstoffpulvers, welches nicht einfach gesintert wird, gut vorgebeugt werden, da das Sintern einfach bei der Erhitzung stattfindet, wenn Eisen- und Stahlpulver allein gebraucht wird. Das heißt, es scheint, dass ein gemischtes Pulver aus einem Kohlenstoffpulver und einem Pulver aus Kohlenstoffstahl oder ähnlichem gleichzeitig für eine hochreine Kohlenstoffquelle, eine hoch reaktive Kohlenstoffquelle und eine Sinter-Hemmfunktion sorgt, um eine effektive Oberflächenbehandlung eines Metalls zu erreichen. Ferner kann die hohe Reaktivität auch bei geringeren Temperaturen eine effektive Oberflächenbehandlung von Metall ermöglichen, verglichen mit der Verwendung von Kohlenstoffpulver alleine. Als ein Ergebnis kann der Verschlechterung eines Zielmetalls durch Erhitzen vorgebeugt werden und gleichzeitig kann auch einer porösen Oberflächenschicht gut vorgebeugt werden. Ein Mischungsverhältnis des Kohlenstoffpulvers und einem Pulver aus Kohlenstoffstahl oder Gusseisen kann in jedem Verhältnis vorliegen, aber beispielsweise ist ein Volumenverhältnisbereich zwischen 3:7 und 7:3 bevorzugt. Besonders, wenn ein Kohlenstoffpulver und ein Pulver aus Kohlenstoffstahl oder Gusseisengemisch zu gleichem Volumenverhältnis gemischt werden, ist der Effekt der Oberflächenveränderung eines Zielmetalls hoch.
Der durchschnittliche Partikeldurchmesser eines auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulvers ist beispielsweise in der Größenordnung von Mikrometern eingestellt, wie z.B. einigen Mikrometern, bis hin zu einigen hundert Mikrometern. Da ein extrem kleiner Partikeldurchmesser eines auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulvers einfach ein Sintern des Pulvers beim Erhitzen verursacht, wird die Bildung einer gehärteten Oberflächenschicht durch die unterdrückte Reaktion zwischen Stickstoff und einem Zielmetall in dem Pulver gehemmt und das Metall wird nach der Behandlung schwer zu entnehmen sein. Zudem werden Funktionen, wie Reduktion und Antioxidation der Metalloberfläche sowie Förderung der Nitrierung den, wie in gemischten Pulvern aus einem Kohlenstoffpulver und einem Pulver aus Kohlenstoffstahl oder ähnlichem, ist es bevorzugt, dass die Partikelgrößen ausgeglichen sind.
Wie in 1 gezeigt ist, ist das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver (12) in einer Menge vorgesehen, so dass das gesamte Zielmetall (10) komplett abgedeckt und eingegraben ist. Zum Beispiel wird das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver (12) in einen hitzeresistenten Behälter (14) gefüllt, dessen Volumen groß genug ist, um das Zielmetall (10) komplett unterzubringen. In 1 ist der Behälter (14) zum Beispiel mit einem Deckel (15) geschlossen, jedoch kann Stickstoffgas in den Behälter (14) eingeführt werden, auch wenn der Behälter mit dem Deckel geschlossen ist. Der Deckel (15) dient dazu, um ein Zerstreuen oder ein Eingesaugtwerden in die Vakuumpumpe des auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulvers (12) zu verhindern, wenn der Druck in dem geschlossenen Raum (S), in welchem der Behälter (14) platziert ist mittels der Vakuumpumpe reduziert wird, wie unten beschrieben. Der Deckel (15) umfasst zum Beispiel hitzeresistente Keramik, kann jedoch auch aus Papier hergestellt sein, welches dann bei der Erhitzung verbrannt wird, um den Behälter zu öffnen. Der Deckel (15) ist nicht zwingend erforderlich. Beispielsweise ist das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver (12) derart angeordnet, dass es in direktem Kontakt mit der gesamten Oberfläche des Zielmetalls (10) gerät und ferner so angeordnet, um die Oberfläche des Metalls mit einer bestimmten Dicke auf der Oberfläche zu bedecken. Zum Beispiel kann das Metall (10) derart angeordnet sein, dass es in Kontakt mit dem Boden des Behälters (14) gerät und dann durch Auffüllen mit dem auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver auf diesem, eingegraben wird. Zudem ist ein Aspekt nicht begrenzt darauf, dass das gesamte Metall vollständig in das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver (12) eingegraben ist, sondern es kann zum Beispiel nur ein Bereich des Metalls eingegraben sein, für den Fall, dass es erwünscht ist, dass der Bereich des Metalls oberflächenbehandelt wird. Zudem ist ein Aspekt nicht derart begrenzt, dass das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver in einen Behälter gefüllt wird, sondern das Zielmetall (10) kann auf einer Platte oder ähnlichem platziert werden und dann mit einem Haufen von dem auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver bedeckt werden.
Eine Stickstoffgasatmosphäre wird durch Befüllen des geschlossenen Raums (S) mit Stickstoffgas (N₂), wie in 1 gezeigt ist, gebildet. Eine Stickstoffgasatmosphäre dient zum einen als ein Stickstoffliefermittel, um eine Stickstoffquelle zum Nitrieren der Oberfläche eines Zielmetalls zu liefern, zum anderen als Antioxidationsmittel des Metalls. In 1 enthält der geschlossene Raum (S) zum Beispiel einen Raum innerhalb des Ofens im Heizofen (16), sprich den Hitzebehandlungsraum (17). Der Behandlungsraum (17) ist zum Beispiel ausgestattet mit einer wiederverschließbaren Tür, die in der Figur nicht gezeigt ist, um ein Zielmetall ein- und auszuladen. In dieser Ausführungsform wird die Stickstoffgasatmosphäre dadurch erhalten, dass dem Stickstoffgas (N₂) ermöglicht wird, an dem einen Ende des Gaszylinders (18) durch eine Versorgungsleitung bei einer bestimmten Flussrate in den geschlossenen Raum (S) zu strömen, wobei es aus dem geschlossenen Raum (S) am anderen Ende über eine Ausströmleitung abgelassen wird. Eine Stickstoffgasatmosphäre kann in dem geschlossenen Raum (S) ohne einen Stickstoffgasfluss erhalten werden. Bei der Bildung einer Stickstoffgasatmosphäre (S) wird beispielsweise zuerst Luft (O₂) im geschlossenen Raum (S) durch eine Vakuumpumpe (20) entfernt und anschließend wird Stickstoffgas N₂ in dem geschlossenen Raum (S) von dem Gaszylinder (18) eingeführt, um eine Stickstoffgasatmosphäre mit hochreinem Stickstoff zu bilden. Ein vollständiges Entfernen von Sauerstoff ist selbst bei einer Bildung einer Stickstoffgasatmosphäre schwierig, aber eine gute Oberflächenbehandlung kann dadurch erreicht werden, dass man einer Oxidation des Zielmetalls durch Verwendung des auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulvers vorbeugt, wie oben beschrieben. In 1 ist die Vakuumpumpe (20) zum Beispiel verbunden mit einer Stickstoffgasversorgungsleitung über das Umschaltventil (22). Das Ventil (22) kann entsprechend zwischen der Erzeugung eines Vakuums im geschlossenen Raum (S) durch die Vakuumpumpe (20) und dem Liefern von Stickstoff in den geschlossenen Raum (S) von dem Gaszylinder (18) umgeschaltet werden.
Als ein Erhitzungsmittel wird der Heizofen (16), der den geschlossenen Raum (S) in sich aufweist, verwendet. Zum Beispiel ist der Heizofen (16) ein elektrischer Ofen, in welchen das Heizelement (19) um die Hitzebehandlungskammer (17) herum angeordnet ist, um die Hitzebehandlungskammer (17) für einen langen Zeitraum bei hoher Temperatur zu halten. Die Erhitzungstemperatur ist zum Beispiel eingestellt auf zwischen 500°C und einer Temperatur unterhalb eines Schmelzpunktes des Zielmetalls, vorzugsweise zwischen 600°C und 1200°C, noch bevorzugter zwischen 700°C und 1000°C. Wenn die Erhitzungstemperatur zu niedrig ist, wird eine Reduktion, Antioxidation und Nitrierreaktionen der Oberfläche eines Zielmetalls durch ein auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver kaum stattfinden. Andererseits, je höher die Heiztemperatur ist, desto schwieriger kann die Metalloberfläche in einer kurzen Zeit verändert werden. Wenn jedenfalls die Erhitzungstemperatur zu hoch ist, wird die Struktur und die mechanischen Eigenschaften eines Zielmetalls selbst zerstört werden und die Oberfläche wird porös. Dadurch kann das Metall verschlechtert werden, woraus sich ein geringerer Produktwert ergibt. Deshalb wird die Erhitzungstemperatur wünschenswerterweise auf die niedrigstmögliche Temperatur im Bereich einer Erhitzungstemperatur, in welcher eine Oberflächenveränderung möglich ist, eingestellt. In dieser Ausführungsform kann ein auf einer Kohlenstoffquelle basierendes Pulver, welches ein gemischtes Pulver eines Kohlenstoffpulvers und eines Eisenlegierungspulvers, wie oben beschrieben, umfasst, die Bildung einer oberflächenveränderten Schicht, welche eine relativ hohe Härte aufweist, bei relativ geringer Temperatur ermöglichen, zum Beispiel bei oder unter 1000°C. In dem Fall, dass ein Zielmetall Titan oder rostfreier Stahl ist, kann dies zuverlässiger einer Änderung der Struktur des Metalls oder einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Metalls vorbeugen. Eine Erhitzungsdauer kann eine beliebige Dauer haben. Je länger die Erhitzungsdauer ist, desto dicker wird die veränderte Schicht auf der Oberfläche des Zielmetalls gebildet. Zum Beispiel, wie in Beispiel 1 unten, wird eine 10 µm-dicke veränderte Schicht auf einem Titanerzeugnis durch Einstellen der Erhitzungstemperatur und der Erhitzungsdauer auf entsprechend 1000°C bei einer Stunde (siehe 2) erhalten.
Wie oben beschrieben, wird in dem Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung durch Hitzebehandlung eines Zielmetalls in einer Stickstoffatmosphäre in einem Zustand, in welchem das Zielmetall in einem auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver eingegraben ist, die Reaktion zwischen Stickstoff und der Metalloberfläche gefördert, indem eine Reduktion und Antioxidation der Metalloberfläche über Oxidation des Kohlenstoffs aus dem auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver, ermöglicht wird. Gleichzeitig reagiert der Kohlenstoff aus dem auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver mit der Metalloberfläche und dringt in eine Schicht auf der Metalloberfläche ein. Daeiner Kohlenstoffquelle basierenden Pulver, ermöglicht wird. Gleichzeitig reagiert der Kohlenstoff aus dem auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver mit der Metalloberfläche und dringt in eine Schicht auf der Metalloberfläche ein. Dabei wird eine oberflächenveränderte Schicht, in welche Stickstoff und Kohlenstoff diffundiert und absorbiert wird, auf der Metalloberfläche gebildet. Zum Beispiel, falls es sich bei dem Zielmetall um Titan handelt, dringt Stickstoff in die Oberfläche des Titans ein, um eine Titan-Stickstoff-Schicht (eine TiN-Schicht), oder sowohl Stickstoff, als auch Kohlenstoff dringen in die Oberfläche des Titans ein, um eine Titan-Carbonitrid-Schicht (eine Ti(C,N)-Schicht) zu bilden. Dies verändert die Oberfläche des Titanerzeugnisses selbst und verbessert die Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit. Zudem, falls das Zielmetall ein rostfreies Stahlerzeugnis ist, dringt Stickstoff in die Oberfläche des rostfreien Stahls in der Weise ein, dass Eisen oder Chrom nitriert oder Stickstoff-absorbiert wird, um der Oberfläche des rostfreien Stahlerzeugnisses selbst zu ermöglichen, verändert zu werden. Insbesondere, falls der rostfreie Stahl zum Beispiel Eisen oder Chrom enthält (ferritischer rostfreier Stahl wie SUS430), wird die Oberfläche des rostfreien Stahls austenitisiert, um die Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit ohne Zusatz von teurem Nickel zu verbessern. Daher kann eine Metalloberfläche auf einfache Weise durch Gebrauch einer einzelnen sehr einfachen Ausstattung oder Anlage, wie einen Heizofen, jedoch ohne spezielle Anlage behandelt werden. Ferner können hochwertige Metallerzeugnisse zu einem geringen Kostenaufwand zur Verfügung gestellt werden und praktischerweise in einem breiten Einsatzspektrum angewwandt werden.
Beispiele
Im Folgenden werden spezifische Ausführungsformen des Verfahrens zur Behandlung einer Metalloberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Beispiel 1
Ein kleines plattenartiges Stück aus reinem Titan mit einer Länge und einer Breite von 5 mm x 5 mm und einer Stärke von 0,5 mm wurde als ein Zielmetall (10) verwendet. Als ein auf einer Kohlenstoffquelle basierendes Pulver (12) wurde ein gemischtes Pulver verwendet, in welchem ein aktiviertes Kohlenstoffpulver mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 20 µm und einem Kohlenstoffstahlpulver (welches ca. 0,8 Gew.-% Kohlenstoff enthält) mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 5 µm gemischt, in einem Volumenverhältnis von 3:7. Wie in 1 gezeigt, wurde der Behälter (14) mit dem auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver (12) gefüllt und das plattenartige Titanerzeugnis (10) vollständig in dem auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver (12) eingegraben und in der Behandlungskammer (17) im Heizofen (16) platziert. Dann wurde der Sauerstoff in der Behandlungskammer (17) durch Reduzieren des Drucks in der Behandlungskammer (17) unter Verwendung der Vakuumpumpe (20) in einem Zustand, in welchem der Behälter (14) mit dem Deckel (15) verschlossen war, um einer Zerstreuung des auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulvers in den Raum vorzubeugen, dekomprimiert. Anschließend wurde es dem Stickstoffgas (Reinheit 4N (99,99% oder mehr)) ermöglicht, in die Behandlungskammer (17) zu strömen, um eine Stickstoffgasatmosphäre in dem geschlossenen Raum (S) zu erzeugen. Der Heizofen (16) wurde auf 1000°C in einem Zustand erhitzt, in welchem die Stickstoffgasatmosphäre erhalten wurde, indem dem Stickstoffgas ermöglicht wurde, in die Behandlungskammer auf der einen Seite einzuströmen und indem dem Stickstoffgas N₂ ermöglicht wurde, auf der anderen Seite aus der Behandlungskammer auszuströmen. Nach einer Behandlungsstunde wird der Heizofen auf natürliche Weise gekühlt und das Titanerzeugnis entnommen.
Wie in 2 gezeigt, wurde, als ein Querschnitt der Oberfläche des Titanerzeugnisses nach der Behandlung aus Beispiel 1 durch ein Scanning-Elektronenmikroskop betrachtet wurde, die Bildung einer Titancarbonitrid(Ti(C,N))-Schicht mit einer Stärke von 10 µm an der Oberfläche (Oberfläche)-Seite des Titans (Ti) beobachtet. Im Elektronenmikroskopie-Bild von 2 wurde ein Harz (Harz) an die Oberflächen (Oberfläche) aufgebracht, um das Titanerzeugnis zu stützen. 3 zeigt die Ergebnisse der Messungen der Oberflächen-Härte (Hv) und die Beobachtung der Oberflächenfarbe der Titanerzeugnisse nach der Behandlung. Die Oberflächenhärte (Hv) ist ein Ergebnis, wie es für die Vickershärte geprüft wird. Die Oberflächenfarbe der Titanerzeugnisse nach der Behandlung wurde visuell bestimmt. 4 zeigt die Ergebnisse der Röntgenbeugung der Oberfläche des Titanerzeugnisses nach der Behandlung (siehe 3, 4, EX1).
Beispiel 2
Mit der Ausnahme, dass das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver aufbereitet wurde durch Mischen eines aktivierten Kohlenstoffpulvers und eines Kohlenstoffstahlpulvers in einem Volumenverhältnis von 4:6, wurden dieselben Bedingungen wie in Beispiel 1 für die Behandlung angewandt. Anschließend wurde die Messung für die Oberflächenhärte, die Betrachtung der Oberflächenfarbe und die Röntgenbeugung an dem Titanerzeugnis nach der Behandlung durchgeführt (siehe 3, 4, EX2).
Beispiel 3
Mit der Ausnahme, dass das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver aufbereitet wurde durch Mischen eines aktivierten Kohlenstoffpulvers und eines Kohlenstoffstahlpulvers in einem Volumenverhältnis von 5:5, wurden dieselben Bedingungen wie in den Beispielen 1 und 2 für die Behandlung angewandt. Anschließend wurde die Messung der Oberflächenhärte, die Betrachtung der Oberflächenfarbe und die Röntgenbeugung an dem Titanerzeugnis nach der Behandlung durchgeführt (siehe 3, 4, EX3).
Beispiel 4
Mit der Ausnahme, dass das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver aufbereitet wurde durch Mischen eines aktivierten Kohlenstoffpulvers und eines Kohlenstoffstahlpulvers in einem Volumenverhältnis von 6:4, wurden dieselben Bedingungen wie in den Beispielen 1 bis 3 für die Behandlung angewandt. Anschließend wurde die Messung der Oberflächenhärte, die Betrachtung der Oberflächenfarbe und die Röntgenbeugung an dem Titanerzeugnis nach der Behandlung durchgeführt (siehe 3, 4, EX4).
Beispiel 5
Mit der Ausnahme, dass das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver aufbereitet wurde durch Mischen eines aktivierten Kohlenstoffpulvers und eines Kohlenstoffstahlpulvers in einem Volumenverhältnis von 7:3, wurden dieselben Bedingungen wie in den Beispielen 1 bis 4 für die Behandlung angewandt. Anschließend wurde die Messung der Oberflächenhärte, die Betrachtung der Oberflächenfarbe und die Röntgenbeugung an dem Titanerzeugnis nach der Behandlung durchgeführt (siehe 3, 4, EX5).
Mit der Ausnahme, dass das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver nur ein aktiviertes Kohlenstoffpulver enthielt (das Verhältnis des aktivierten Kohlenstoffpulvers : Kohlenstoffstahlpulver war 10:0), wurden dieselben Bedingungen wie in den Beispielen 1 bis 5 für die Behandlung angewandt. Anschließend wurde die Messung für die Oberflächenhärte, die Betrachtung der Oberflächenfarbe und die Röntgenbeugung an dem Titanerzeugnis nach der Behandlung durchgeführt (siehe 3, 4 CE1).
Vergleichendes Beispiel 2
Mit der Ausnahme, dass das Titanerzeugnis direkt in der Behandlungskammer ohne die Verwendung eines auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulvers platziert wurde, wurden dieselben Bedingungen wie in den Beispielen 1 bis 5 für die Behandlung angewandt. Anschließend wurde die Messung für die Oberflächenhärte, die Betrachtung der Oberflächenfarbe und die Röntgenbeugung an dem Titanerzeugnis nach der Behandlung durchgeführt (siehe 3, 5, CE2).
Wie in der Vergleichstabelle von 3 gezeigt, zeigen die Titanerzeugnisse in den Beispielen 1 bis 5, dass die Oberflächenhärte Hv um das ca. 1,4-Fache oder mehr verbessert wurde, als im Vergleich zu dem aus dem vergleichenden Beispiel 2, was darauf hinweist, dass eine hochgradig gehärtete Oberflächenschicht bei Vorhandensein des auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulvers erreicht werden kann. Für die Beispiele 1 bis 5 (das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver umfasst ein gemischtes Pulver aus einem aktiven Kohlenstoffpulver und einem Kohlenstoffstahlpulver), sind die Werte der Oberflächenhärte Hv größer als die des vergleichenden Beispiels 1 (das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver umfasst nur ein aktiviertes Kohlenstoffpulver), was darauf berflächenhärte Hv größer als die des vergleichenden Beispiels 1 (das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver umfasst nur ein aktiviertes Kohlenstoffpulver), was darauf hinweist, dass das Vorhandensein des Kohlenstoffstahlpulvers zur Verbesserung der Oberflächenhärte beiträgt. Insbesondere in den Beispielen 2 bis 5 sind die Werte für die Oberflächenhärte Hv der Titanerzeugnisse größer und der Wert aus Beispiel 3 (aktiviertes Kohlenstoffpulver zu Kohlenstoffstahlpulver, 5:5) ist am größten. Andererseits, wenn man die Oberflächenfarbe der Titanerzeugnisse nach der Behandlung vergleicht, ändert sie sich in den Beispielen 1, 4 und 5 zu braun, im vergleichenden Beispiel 1 ändert sie sich zu schwarz, während sie sich in den Beispielen 2 und 3 in eine goldene Farbe ändert. Daher kann in den Beispielen 2 und 3 die Bildung einer guten oberflächenveränderten Schicht visuell beobachtet werden.
Wie in 4 gezeigt ist, wurden in der Röntgenbeugung der Titanerzeugnisse nach der Behandlung Peaks mit einer hohen Beugungsintensität an den Beugungswinkeln (der Winkel 2θ zwischen der einfallenden Richtung und der reflektierten Richtung) entsprechend den Titancarbonitriden Ti(C,N) für alle Titanerzeugnisse, die in den Beispielen 1 bis 5 behandelt wurden, beobachtet, was darauf hinweist, dass eine harte Titancarbonitrid Ti(C,N)-Schicht gebildet wurde. Andererseits wurden, wie in 5 gezeigt ist, für das Titanerzeugnis im vergleichenden Beispiel 2 Peaks mit einer hohen Beugungsintensität an den Beugungswinkeln (der Winkel 2θ zwischen der einfallenden Richtung und der reflektierten Richtung) beobachtet, die sich von den Beugungswinkeln der entsprechenden Titancarbonitride Ti(C,N) unterschieden, was darauf hinweist, dass noch etwas anderes als Ti(Cc,N) vorhanden ist. In dem Fall, dass das Zielmetall ein Metall aus den Gruppen 4A, 5A, werden die gleichen oder ähnliche Ergebnisse, wie aus den vorliegenden Beispielen, ebenso erwartet.
Beispiel 6
Als ein Zielmetall wurde wie oben reines Titan verwendet und das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver wurde durch Mischen eines aktiven Kohlenstoffpulvers und eines Kohlenstoffstahlpulvers in einem Volumenverhältnis von 6:4 aufbereitet. Die Erhitzungstemperatur im Heizofen wurde auf 500°C eingestellt. Für alles andere wurden dieselben Bedingungen (Stickstoffatmosphäre, Erhitzungsdauer von einer Stunde) wie in Beispiel 1 für die Behandlung verwendet. Die Oberflächenhärte (Vickershärte, Hv) des Titanerzeugnisses nach der Behandlung wurde gemessen (siehe 6, EX6).
Beispiel 7
Mit der Ausnahme, dass die Erhitzungstemperatur im Heizofen auf 600°C eingestellt wurde, wurden die gleichen Bedingungen wie in Beispiel 6 für die Behandlung angewandt und die Oberflächenhärte des Titanerzeugnisses nach der Behandlung gemessen (siehe 6, EX7).
Beispiel 8
Mit der Ausnahme, dass die Erhitzungstemperatur im Heizofen auf 800°C eingestellt wurde, wurden die gleichen Bedingungen wie in Beispielen 6 und 7 für die Behandlung angewandt und die Oberflächenhärte des Titanerzeugnisses nach der Behandlung gemessen (siehe 6, EX8).
Beispiel 9
Mit der Ausnahme, dass die Erhitzungstemperatur im Heizofen auf 1000°C eingestellt wurde, wurden die gleichen Bedingungen wie in den Beispielen 6 bis 8 für die Behandlung angewandt und die Oberflächenhärte des Titanerzeugnisses nach der Behandlung gemessen (siehe 6, EX9).
Beispiel 10
Mit der Ausnahme, dass die Erhitzungstemperatur im Heizofen auf 1100°C eingestellt wurde, wurden die gleichen Bedingungen wie in den Beispielen 6 bis 9 für die Behandlung angewandt und die Oberflächenhärte des Titanerzeugnisses nach der Behandlung gemessen (siehe 6, EX10).
Beispiel 11
Mit der Ausnahme, dass die Erhitzungstemperatur im Heizofen auf 1200°C eingestellt wurde, wurden die gleichen Bedingungen wie in den Beispielen 6 bis 10 für die Behandlung angewandt und die Oberflächenhärte des Titanerzeugnisses nach der Behandlung gemessen (siehe 6, EX11).
6 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Erhitzungstemperatur und der Oberflächenhärte der Titanerzeugnisse nach der Behandlung erkennen lässt. Wie in 6 gezeigt ist, hat das Titanerzeugnis, welches aus Beispiel 5 (die Erhitzungstemperatur bei 500°C) erhalten wurde, einen geringen Wert der Oberflächenhärte (Hv) und zeigt einen relativ geringen Effekt der Oberflächenveränderung von Titan. Im Fall der Beispiele 6 bis 11, d.h. in dem Fall, dass die Erhitzungstemperatur höher oder gleich 600°C ist, wird beobachtet, dass relativ gute Oberflächenveränderungen erreicht werden können. Für Beispiel 8 (die Erhitzungstemperatur ist 800°C) war die Oberflächenhärte bei ca. 800 Hv. Von der Tendenz in dem Diagramm in 6 ausgehend, kann man in dem Fall der Erhitzungstemperatur von 700°C erwarten, dass die Oberflächenhärte von etwa 700 Hv oder mehr erreicht wird. In dem Fall der Erhitzungstemperatur von 900°C, kann man erwarten, dass die Oberflächenhärte von 1000 Hv oder mehr erreicht wird. Ferner wird für die Beispiele 9 bis 11 (die Erhitzungstemperatur ist zwischen 1000°C und 1200°C) beobachtet, dass die Oberflächenhärte von etwa 1250-1300 Hv erreicht werden kann.
Beispiel 12
Eine Titanlegierung, bei der dem Titan 6% Aluminium und 4% Vanadium zugemischt wurde (Ti-6Al-4V), wurde als ein Zielmetall verwendet. Das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver wurde durch Mischen eines aktivierten Kohlenstoffpulvers und eines Kohlenstoffstahlpulvers in einem Volumenverhältnis von 6:4 aufbereitet. Die Erhitzungstemperatur im Heizofen wurde auf 800°C eingestellt. Für alles andere wurden dieselben Bedingungen (Stickstoffatmosphäre, Erhitzungsdauer für eine Stunde) wie in Beispiel 1 für die Behandlung angewandt. Für die Titanlegierung wurde nach der Behandlung die Vickershärte Hv in Abhängigkeit der Tiefe von der Oberfläche gemessen. Wie in 7 gezeigt, ist die Vickershärte ungefähr 700 Hv an der naheliegendsten Stelle (0 µm) von der Oberfläche der Titanlegierung nach der Behandlung, welche sukzessive abnimmt, während die Tiefe von der Oberfläche aus gesehen zunimmt. Ähnlich zu dem reinen Titan wird beobachtet, dass auch eine Titanlegierung oberflächenverändert werden kann.
Beispiel 13
Ferritischer rostfreier Stahl, welcher 18% Chrom in Eisen enthält (SUS430), wurde als Zielmetall verwendet. Das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver wurde durch Mischen eines aktivierten Kohlenstoffpulvers und eines Kohlenstoffstahlpulvers in einem Volumenverhältnis von 6:4 aufbereitet. Abgesehen davon wurden dieselben Bedingungen (Stickstoffatmosphäre, die Erhitzungstemperatur auf 1000°C, die Erhitzungsdauer für eine Stunde) wie in Beispiel 1 für die Behandlung verwendet. In Beispiel 13 wurde der behandelte rostfreie Stahl nach der Hitzebehandlung mit Wasser abgeschreckt. Wie in den 8(b), 9, 10(b) gezeigt ist, wurde ein Querschnitt der Oberfläche des rostfreien Stahls nach der Behandlung mit Lichtmikroskopie betrachtet und die Oberflächenhärte (Vickers Härte, Hv) gemessen und eine Röntgenbeugung durchgeführt (siehe 8(b), 9, 10(b), EX13).
Beispiel 14
Das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver wurde aufbereitet durch Mischen eines aktivierten Kohlenstoffpulvers und eines Kohlenstoffstahlpulvers in einem Volumenverhältnis von 5:5. Abgesehen davon, wurden dieselben Bedingungen wie in Beispiel 13 für die Behandlung angewandt. Die Oberflächenhärte Hv für das Titanerzeugnis wurde nach der Behandlung gemessen (siehe 9, EX14).
Vergleichendes Beispiel 3
Abgesehen davon, dass rostfreier Stahl direkt in die Behandlungskammer ohne Verwendung eines auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulvers platziert wurde, wurden dieselben Bedingungen wie in den Beispielen 13 und 14 für die Behandlung angewandt. Ein Querschnitt der Oberfläche des rostfreien Stahls nach der Behandlung wurde durch Lichtmikroskopie betrachtet und die Messung der Oberflächenhärte (Hv) und Röntgenbeugung wurden durchgeführt (siehe 8(a), 9, 10(a), CE3) .
Wie in 8 gezeigt ist, weist die Beobachtung des rostfreien Stahlerzeugnisses nach der Behandlung durch Lichtmikroskopie darauf hin, dass eine veränderte Schicht mit einer Stärke von ungefähr 200 µm an der Seite der Oberfläche gebildet wurde. Andererseits kann für den rostfreien Stahl, der in dem vergleichenden Beispiel 3 erhalten wurde, keine Bildung einer oberflächenveränderten Schicht an der Seite der Oberfläche beobachtet werden.
Wie in der Vergleichstabelle von 9 gezeigt ist, wurde für den rostfreien Stahl, der in den Beispielen 13 und 14 behandelt wurde, die Oberflächenhärte Hv um ungefähr das Dreifache oder mehr verbessert, verglichen mit dem aus dem vergleichenden Beispiel 3. Daher weist dies darauf hin, dass eine hochgradig gehärtete Oberflächenschicht mit einer hohen Härte auch aus rostfreiem Stahl gebildet werden kann. Zudem zeigt der rostfreie Stahl, der in Beispiel 14 erhalten wurde, einen größeren Wert der Oberflächenharte Hv als der vom vergleichenden Beispiel 3. Dies kann darauf hinweisen, dass sowohl für rostfreien Stahl als auch für Titan, der oberflächenverändernde Effekt für den Fall größer ist, dass ein aktiviertes Kohlenstoffpulver zu gleichen Teilen mit einem Kohlenstoffstahlpulver gemischt wird, verglichen mit dem Fall, dass ein aktiviertes Kohlenstoffpulver mit einer größeren Menge als der des Kohlenstoffstahlpulvers gemischt wird. Man kann erwarten, dass in dem Fall, dass das Zielmetall ein austenitischer rostfreier Stahl wie SUS304 und ein martensitischer rostfreier Stahl wie SUS420 ist, ebenso eine Oberflächenveränderung durch Diffundieren von Stickstoff und Kohlenstoff wie in den Beispielen 13 und 14 beschrieben, unter Verwendung des Oberflächenbehandlungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt werden kann.
Wie in 10(b) gezeigt, zeigte die Röntgenbeugung des rostfreien Stahls nach der Behandlung für den rostfreien Stahl, der in Beispiel 13 erhalten wurde, den Peak (y) mit einer hohen Beugungsintensität an dem Beugungswinkel (der Winkel 2θ zwischen der einfallenden Richtung und der reflektierenden Richtung) entsprechend dem austenitischen rostfreien Stahl. Das kann darauf hinweisen, dass eine oberflächenveränderte Schicht, welche hart und austenitisiert ist, ohne Zusatz von Nickel zu dem rostfreien Stahl (SUS430) gebildet werden kann. Andererseits, wie in 10(a) gezeigt ist, wurden für den rostfreien Stahl, der im vergleichenden Beispiel 3 behandelt wurde, die Peaks (α) mit einer hohen Beugungsintensität, nur an den Beugungswinkeln, die Ferriten entsprechen, beobachtet, und keine Peaks, die den Austeniten entsprechen, wurden beobachtet.
Beispiel 15
Ein Verbundwerkstoff, der durch Zusammenführen einer reinen Titanfolie mit einer Stärke von 0,1 mm mit einem rostfreien Stahl (SUS430) mit einer Dicke von 5 mm gebildet wurde, wurde als ein Zielmetall verwendet. Titan und rostfreier Stahl wurden durch das Sprengplattierverfahren unter Anwendung einer Sprengung von Sprengstoffen zusammengeführt. Das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver wurde durch Mischen eines aktivierten Kohlenstoffpulvers und eines Kohlenstoffstahlpulvers in einem Volumenverhältnis von 6:4 aufbereitet. Abgesehen davon, wurden dieselben Bedingungen (Stickstoffatmosphäre, die Erhitzungstemperatur von 1000°C, die Erhitzungsdauer von einer Stunde) wie in Beispiel 1 für die Behandlung angewandt. Die Beobachtung der Oberfläche an der Titanseite des Verbundwerkstoffes nach der Behandlung wies darauf hin, dass Titannitrid TiN gebildet wurde.
In den o.g. Beispielen 1 bis 15 wurde Kohlenstoffstahl als ein Eisenlegierungspulver in dem auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver verwendet. Jedoch kann man in dem Fall, dass ein aktiviertes Kohlenstoffpulver mit einem Gusseisen gemischt wird, welches mehr Kohlenstoff als Kohlenstoffstahl enthält, erwarten, dass die gleichen oder ähnliche Ergebnisse wie in den Beispielen 1 bis 15 ebenfalls erhalten werden. Ferner kann man in dem Fall, dass Graphitpulver anstatt von aktiviertem Kohlenstoffpulver verwendet wird, erwarten, dass die gleichen oder ähnliche Ergebnisse wie in den Beispielen 1 bis15 ebenfalls erhalten werden.
Das Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche und ein oberflächenverändertes Metallerzeugnis gemäß der vorliegenden Erfindung, das oben beschrieben wurde, ist nicht begrenzt auf diese Ausführungsformen und oben dargestellten Beispiele, sondern es können jedwede Veränderungen durchgeführt werden, ohne vom Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung, welcher in den Ansprüchen beschrieben ist, abzuweichen.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Das Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche und ein oberflächenverändertes Metallerzeugnis gemäß der vorliegenden Erfindung kann Metallerzeugnisse zur Verfügung stellen, die anwendbar sind für zum Beispiel Teile in jedweder Industrie wie für Kraftfahrzeuge, Motorräder, Raumfahrzeuge/Luftfahrzeuge; Biomaterialien; Werkzeuge; Maschinenteile für chemische Anlagen und ähnliches; chemische Reaktoren; strukturelle Werkstoffe für das Bauwesen/Gebäude und ähnliches; Verbrauchsgüter.
Bezugszeichenliste

10: Zielmetall
12: das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver
16: Heizofen
17: Behandlungskammer
18: Gaszylinder
S: geschlossener Raum (Stickstoffgasatmosphäre)

Claims

Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche, gekennzeichnet durch eine Hitzebehandlung eines Zielmetalls in einer Stickstoffgasatmosphäre, in einem Zustand, in welchem das Zielmetall in einem auf einer Kohlenstoffquelle basierenden Pulver eingegraben ist, welches ein Kohlenstoffpulver und ein Pulver aus Eisen oder einer Eisenlegierung umfasst, welche hauptsächlich Eisen umfasst und Kohlenstoff enthält, wobei die Oberfläche des Zielmetalls zumindest nitriert oder Stickstoff-absorbiert wird, um die Oberfläche zu verändern.
Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erhitzungstemperatur zwischen 600°C und 1200°C eingestellt ist.
Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzungstemperatur zwischen 700°C und 1000°C eingestellt ist.
Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoffpulver ein Pulver aus einem Material ist, das hauptsächlich Kohlenstoff, wie Graphit oder aktivierten Kohlenstoff oder Kohle umfasst.
Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenlegierung Kohlenstoffstahl oder Gusseisen umfasst.
Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das auf einer Kohlenstoffquelle basierende Pulver durch Mischen des Kohlenstoffpulvers und eines Kohlenstoffstahlpulvers oder eines Gusseisenpulvers in einem Volumenverhältnisbereich von 3:7 bis 7:3 aufbereitet wird.
Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zielmetall Titan oder eine Titanlegierung ist.
Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zielmetall rostfreier Stahl ist.
Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zielmetall ein Metall aus den Gruppen 4A, 5A, 6A des Periodensystems oder eine Legierung davon ist.
Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zielmetall ein Verbundwerkstoff ist, der ein Metall aus den Gruppen 4A, 5A, 6A des Periodensystems oder eine Legierung davon umfasst, sowie rostfreien Stahl.