DE1182016B

DE1182016B - Oberflaechenhaertung eines metallenen Koerpers, der aus Titan oder Zirkon besteht odeer solche Metalle enthaelt

Info

Publication number: DE1182016B
Application number: DEK41851A
Authority: DE
Inventors: Zenichiro Takao; Shigeo Inomata; Koichi Nakao
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1960-08-01
Filing date: 1960-10-08
Publication date: 1964-11-19
Also published as: GB906895A; US3111434A; CH414302A; CA713159A; FR1271837A

Description

Oberflächenhärtung eines metallenen Körpers, der aus Titan oder Zirkon besteht oder solche Metalle enthält Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenhärten von metallischen Körpern oder Gegenständen, die .aus Titan oder Zirkon bestehen oder Titan oder Zirkon enthalten.
Titan, Zirkon und Legierungen, die diese enthalten, haben relativ geringe spezifische Gewichte und sehr gute Zugfestigkeits- und Antikorrosionseigenschaften. Deswegen werden sie als Materialien für verschiedene Gegenstände, Geräte usw. einschließlich chemischer Geräte und Vorrichtungen benutzt. Gleichwohl haben Titan und Zirkon eine geringe Härte und eine geringe Verschleißfestigkeit. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sie leicht beschädigt werden, insbesondere, wenn sie der Reibung unterworfen werden. .Aus diesen Gründen können diese Materialien zum Teil trotz ihrer verschiedenen sehr guten Eigenschaften nicht voll befriedigen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden -Erfindung, ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von metallenen Körpern oder Gegenständen, die Titan oder Zirkon enthalten oder aus Titan oder Zirkon bestehen, zu schaffen, welches sie verschleißfest und gleitgeschützt macht, um solche Werkstoffe besser verwenden zu können.
Gemäß der Erfindung besteht ein veredelter metallener Körper oder metallener Gegenstand aus einem metallenen Grundwerkstoff, der aus Titan oder Zirkon besteht oder Titan oder Zirkon enthält, und einem oberflächengehärteten Überzug oder einer oberflächengehärteten Schicht, welche aus Nitriden und/oder Oxyden des Metalls oder der Legierung des besagten Grundwerkstoffes oder aus einer Metallschicht mit diffus eingelagertem Sauerstoff und/oder Stickstoff besteht. Der oberflächengehärtete Überzug oder die oberflächengehärtete Schicht wird durch Reaktion der Oberflächenschicht des metallenen Grundwerkstoffes oder der Legierung mit Sauerstoff und/oder Stickstoff gebildet. Vorzugsweise wird gasförmiger Sauerstoff und gasförmiger Stickstoff als Oxydierungsmittel bzw. Nitrierungsmittel benutzt.
Gemäß .der vorliegenden Erfindung werden die Nitride und/oder Oxyde unter Benutzung eines sogenannten inerten Gases in Form einer Schutzgaslichtbogenschmelzung mit oder ohne einen Zusatzwerkstoff gebildet, wobei dieser aus demselben Material wie .das Grundmetall oder dessen Legierung besteht. Sauerstoff- und/oder Stickstoffgas werden mit dem inerten Gas so gemischt, daß die Nitrierung und/oder Oxydation auftritt, während die Oberfläche durch das inerte Gas bedeckt ist. Wenn kein Zusatzmetall benutzt wird, reagiert die Oberfläche des Grundwerkstoffes mit dem Sauerstoff oder dem Stickstoff, um gänzlich allein die Oxyde und/oder die Nitride darauf zu bilden. Wenn dagegen das Zusatzmetall benutzt wird, bildet das geschmolzene Zusatzmetall selbst die Oxyd- oder Nitridschicht oder den Oxyd- oder Nitridüberzug auf dem Grundwerkstoff.
Titan ist unterhalb 500° C chemisch stabil, wird aber bei höheren Temperaturen sehr aktiv und reagiert mit Sauerstoff bei-Ti#mperaturen, die höher als Rotglut sind 500° C), um Titanoxyde als eine feste Lösungs- oder Streuschicht, die hauptsächlich aus Titandioxyd besteht, zu ,bilden. Mit Stickstoff reagiert Titan bei Temperaturen höher als 800° C, um eine feste Lösungs- oder Streuschicht von Titannitriden zu bilden. In diesem Zusammenhang soll bemerkt werden, daß die Lösbarkeit von Sauerstoff und Stickstoff in Titan merklich größer als in anderen praktisch benutzten Metallen ist: In. ähnlicher Weise reagiert Zirkon mit Sauerstoff und Stickstoff bei höheren Temperaturen (500° C). Dasselbe gilt für Titan- oder Zirkonlegierungell. In jedem Fall bilden die Oxyde und/oder Nitride eine sehr harte Oberflächenschicht oder einen harten Oberflächenüberzug auf dem Grundwerkstoff oder dessen Legierungen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Bildung der gewünschten Oxyde und/oder Nitride durch den Schutz der Oberfläche des Grundwerkstoffkörpers oder des Gegenstandes durch ein inertes Gas bewirkt. Ein solches Gas kann Argon oder Helium sein, wobei die Oberflächen, durch einen elektrischen Lichtbogen geschmolzen oder bei Benutzung eines Zusatzwerkstoffes mit zusätzlichem geschmolzenem Material überzogen wird. Dabei wird eine vorherbestimmte Menge von Sauerstoff und/oder Stickstoff in das inerte Gas eingeführt.
Bekanntlich ist die atmosphärische Luft reich an Sauerstoff und Stickstoff, und es ist offensichtlich, daß, wenn Luft angewendet wird, Sauerstoff und Stickstoff, die darin enthalten sind, als wirksame Gase zur Bildung von Oxyden und Nitriden dienen. Einfach betrachtet, erscheint die Benutzung der atmosphärischen Luft bequem und wirtschaftlich zu sein. Gleichwohl wurde gefunden, daß dies für die praktische Anwendung nicht zutrifft. Das liegt daran, daß der Zustrom der Luft in die Reaktionszone sehr instabil und ungleichmäßig ist und zudem die Bedingungen für die Erzeugung des Lichtbogens, wie z. B. der elektrische Strom, nicht zu allen Zeiten konstant sind und gewöhnlich sich von Augenblick zu Augenblick ändern, so daß die gebildeten Oxyde und Nitride hinsichtlich ihrer Verteilung und ihres Gefüges ungleichmäßig sind.
Deshalb wird vorzugsweise gemäß der Erfindung nicht atmosphärische Luft benutzt, sondern es wird in das inerte Gas besonders präparierter Sauerstoff und/oder Stickstoff eingeführt. Damit können die Menge und die Eigenschaften von Sauerstoff und/oder Stickstoff leicht in der gewünschten Weise gesteuert werden, um die Oxydations- und/oder die Nitrierungsreaktionen zu stabilisieren und die gewünschte und gleichmäßige gehärtete Oberfläche zu bilden.
Wie in diesem Zusammenhang vorstehend erwähnt, ist es vorzuziehen, ein inertes Gas als Schutzgas eines Lichtbogens anzuwenden, was für diese Arbeitsoperation dem Fachmann so gut bekannt ist, daß dafür keine detaillierte Erläuterung gegeben werden muß. Es handelt sich also um die Anwendung einer Schutzgasschmelzung, die in einer Atmosphäre inerten Gases ausgeführt wird. Wenn es üblich ist, wird eine Elektrode aus einem Material, das einen hohen Schmelzpunkt hat, wie z. B. Wolfram, angewendet. Wenn die gehärtete Schicht, die gebildet werden soll, relativ dünn ist (1/ioo bis iho mm oder weniger), wird kein Zusatzwerkstoff benutzt und die zu härtende Oberfläche wird durch den Lichtbogen geschmolzen und reagiert mit dem Sauerstoff und/oder dem Stickstoff, um die harten Oxyde und/oder Nitride zu bilden, während sie durch das inerte Gas geschützt wird.
Wenn die gehärtete Schicht, die gebildet werden soll, relativ dick ist (von 5 mm an oder dicker), ist es vorzuziehen, einen Zusatzwerkstoff in der üblichen Weise zu benutzen. Das Zusatzmetall, das aus demselben Material besteht wie der Grundwerkstoff, auf den es aufgebracht werden soll, wird in ähnlicher Weise durch den Lichtbogen geschmolzen und reagiert mit dem Sauerstoff und/oder dem Stickstoff unter dem Schutz des inerten Gases, um die harten Oxyde und/oder Nitride zu bilden, die auf die besagte Oberfläche aufgebracht werden sollen.
Es ist augenscheinlich, daß die Menge von Sauerstoff undfoder Stickstoff, die das inerte Gas mitführt, weitgehend die Härte der gebildeten Schicht oder des gebildeten Überzugs beeinflussen wird. Folglich wird man keine genügende Härte erhalten, wenn die Menge des wirksamen Gases geringer ist als die zur Erzielung der gewünschten Härte erforderliche Menge, wogegen man, wenn die Menge des wirksamen Gases zu groß ist, eine Versprödung der Oxyde und/oder der Nitride erhält, so daß die Oberfläche brüchig wird. Die Menge des wirksamen Gases wird in Abhängigkeit von der gewünschten Härte, die erreicht werden soll, gewählt sowie in Abhängigkeit von dem besonderen Metall oder dessen Legierung, aus dem der Körper oder der Gegenstand besteht, und der Dicke der zu härtenden Schicht oder des zu härtenden Überzuges. Diese Menge kann leicht durch den Fachmann mittels einer kleinen vorherbestimmten Tabelle ausgewählt werden. Die Menge des wirksamen Gases (Sauerstoff undioder Stickstoff) wird durch das Verhältnis bestimmt, nach welchem das wirksame Gas in das inerte Gas aufgenommen wird. Im allgemeinen, wenn die metallene Oberfläche selbst geschmolzen wird und ohne Benutzung einer Metallablagerung des Zusatzwerkstoffes gehärtet wird, hat sich herausgestellt, daß die Menge des wirksamen Gases vorzugsweise weniger als 15% des Volumens des inerten Gases betragen soll, während, wenn die Metallablagerung benutzt wird, die Menge des wirksamen Gases vorzugsweise weniger als 10% des Volumens des inerten Gases betragen soll. Im letzteren Fall ist der genannte geringere Betrag durch die Benutzung des Zusatzwerkstoffes für die Überzugsablagerung bedingt.
Um die zu härtende Fläche, die bei der Behandlung aufgeschmolzen wird, mit einem inerten Gas abzuschirmen, ist es erforderlich, diese Fläche mit einem Kasten ohne Boden abzudecken, in den das inerte Gas eingeführt wird. Wenn jedoch ein Zusatzwerkstoff benutzt wird, muß dieser ebenfalls in diesen Kasten eingeführt werden, so daß unausbleiblich eine gewisse Menge von Luft durch die Durchtrittsstelle in den Kasten eintreten kann. Da die Luft im wesentlichen aus Sauerstoff und Stickstoff besteht, muß die in den genannten Kasten eingeführte Menge des wirksamen Gases (Sauerstoff und/oder Stickstoff) um die Menge verringert werden, die dem Sauerstoff-bzw. Stickstoffanteil der durch die Leckstelle eintretenden Luft entspricht.
Im allgemeinen wird ein Lichtbogenstrom in der Größenordnung von 60 bis 130 Ampere benutzt, obwohl es nicht absolut notwendig ist, den Strom auf diese Größen zu begrenzen. Die Lichtbogenlänge beträgt gewöhnlich etwa 2 bis 10 mm. Der Zustrom des inerten Gases, wie z. B. Argon oder Helium, zur Erzeugung der inerten Gasatmosphäre oder des Schutzes rund um den Teil, der geschmolzen werden soll, beträgt in den meisten Fällen etwa 280 bis 8401 pro Stunde.
Der aus Oxyden und/oder Nitriden bestehende feste Ablagerungsüberzug, der so auf dem Grundwerkstoffkörper oder Gegenstand gebildet wird; ist sehr gleichmäßig und hat im allgemeinen eine Härte von 250 bis 550 HV bei einer Belastung von 30 kg, gemessen mit dem Vickers-Härteprüfer.

Die Erfindung wird im folgenden in bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben. Gleichwohl ist es selbstverständlich, daß diese Beispiele nur der Er-Läuterung dienen und die Erfindung in keiner Weise einschränken sollen. Beispiel 1 Eine Stange aus Titan mit kreisförmigem Querschnitt und 17 mm Durchmesser wurde oberflächengehärtet durch die Ablagerung einer Titanoxydschicht auf der Oberfläche. Ein übliches Lichtbogen-Schweißgerät mit einem inerten Schutzgas und einer Wolframelektrode wurde zusammen mit einer Zusatzwerkstoffstange aus Titan für die Ablagerung angewendet. Zunächst wurde die Härtung mittels des gewöhnlichen Argongases (Sauerstoffgehalt 0%) ausgeführt. Sodann wurde der gleiche Vorgang wiederholt unter Benutzung des Argongases mit 5% Sauers:ofiöhalt und schließlich mit einer Mischung einer gleichen Menge von Argongas und Argongas mit 5% Sauerstoffgehalt; der Sauerstoffgehalt in dieser Mischung betrug nach der Gasanalyse 3,4%. In jedem Fall waren die Bedingungen die gleichen, und zwar wie folgt:

Strom, Ampere . . . . . . . . . . . . . . . 75 bis 95

Lichtbogenspannung, Volt ..... 8 bis 9

Lichtbogenlänge, mm ... . . . . . . . 3 bis 4

Gaszustrom, 1/Std. . . . . . . . . . . . . . 420

Geschwindigkeit, nlm/Min. ..... 100 bis 130

Die Härte des überzuges oder der aufgebrachten Schicht bei jedem der obenstehenden Versuche war merkbar größer als die des Grundwerkstoffes, beispielsweise des Titans.

Beispiel 2 In diesem Beispiel wurden Titankörper, titanlegierte Körper und Zirkonkörper ahne Benutzung eines Zusatzmetalls unter verschiedenen Bedingungen oberflächengehärtet unter Anwendung von Sauerstoff- und/oder Stickstoffgas, das in ein inertes Gas gemischt wurde, welches als Schutzgas für die Lichtbogenschmelzung diente. Die trgebnisse zeigt die folgende Tabelle: In jedem Fall wurde die Härte mit einem Härteprüfgerät nach V i c k e r s gemessen mit einer Belastung von 30 kg.

Körper Strom Lichtbogenlänge Argongas Reaktionsgar Geschwindigkeit Oberflächenhärte

Ampere

mm

1/Std.

O/,

mm/Min.

KV

Ti ... . . . . . . . . . . 60 bis 150 2 bis 10 280 bis 840 30(02) 100 bis 150 250 bis 600

Ti-Legierung ... 60 bis 150 2 bis 10 280 bis 840 30(02) 100 bis 150 250 bis 600

Zr ... . . . . .... . . 60 bis 180 2 bis 10 280 bis 840 30(02) 100 bis 150 his 600

Zr@Legierung .. . 60 bis 180 2 bis 10 280 bis 840 30(01) 100 bis 150 250 bis 600

Beispiel 3 In diesem Beispiel wurden Körper aus Titan und Titanlegierung oberflächengehärtet unter Ablagerung einer Titanoxyd- und -Nitridschicht darauf. Ein gewöhnliches Schweißgerät mit einem durch ein inertes Gas geschützten Lichtbogen und einer Wolfratnelektrode wurde zusammen mit einer Stange aus dem gleichen Metall wie der Grundkörper als Zusatzwerkstoff angewendet, die für die Ablagerung benutzt wurde. Die Ergebnisse waren wie folgt:

Körper

Strom

Liehtbogenlänge Argongas Reaktionsgas Zam Oberflächenhärte

Ampere mm UStd. _ _ . _ .@... .... 0/° RV

..

Ti . . . . . . . . . . . . . 60 bis 150 2 bis 10 280 bis 540 2o(02) 'H 300 bis 3'00

Ti ... :''*«*'*'* 60 bis 150 2 bis 10 280 bis 840 20(02) Ti-Leglet'uttg 350 bis 500

Ti-Legierung ... 60 bis 150 2 bis 10 280 bis 840 20(02)

350 bis 500

Ti-Legierung ... 60 bis 150 2 bis 10 280 bis 840 20(0,) Ti-Legierung 300 bis 500

In jedem Fall betrug die Geschwindigkeit 100 bis 150 mm/Min. Beispiel 4 In diesem Beispiel wurden verschiedene Körper aus Titan, Zirkon und ihren Legierungen, die unten angeführt sind, mit oder ohne Benutzung eines Zusatzwerkstoffes unter verschiedenen aufgezeichneten Bedingungen oberflächengehärtet unter Anwendung von Sauerstoff- und/oder Stickstoffgas, das mit einem inerten Gas gemischt wurde, wobei das letztere als Schutzgas für die Lichtbogenschmelzung diente. Die verschiedenen Bedingungen und die Ergebnisse sind unten wiedergegeben.

Geschwin- Licht-

Versuch Zusatz- Reaktionsgas, @/o Strom Gasstrom bogen-

Nr. Körper werkstoff Schutzgas digkeit lege

02 I N Ampere 1/Min. mm/Min. mm

1 Ti Ti Ar 1 0 100 bis 130 5 bis 10 100 bis 130 3 bis 4

2 Ti Ti Ar 3 0 100 bis 130 5 bis 10 100 bis 130 3 bis 4

3 Ti Ti Ar 6 0 100 bis 130 5 bis 10 100 bis 130 3 bis 4

4 Ti Ti Ar 0 1 100 bis 130 5 bis 10 100 bis 130 3 bis 4

5 Ti Ti Ar 0 3 100 bis 130 5 bis 10 100 bis 130 3 his 4

6 Ti Ti Ar 0 6 100 bis 130 5 bis 10 100 bis 130 3 bis 4

7 Ti Ti Ar 0 10 100 bis 130 5 bis 10 100 bis 130 3 bis 4

8 Ti-Legierung Ti-Legierung Ar 2 0 100 bis 130 5 bis 10 80 bis 120 5 bis 8

9 Ti-Legierung Ti-Legierung Ar 2 0 100 bis 130 5 bis 10 80 bis 120 5 bis 8

10 Zr Zr Ar 5 0 100 bis 120 5 bis 10 100 bis 130 3 bis 4

(Fortsetzung)

Geschwin- Licht-

versuch Zusatz- Reaktionsgas, °i10 Strom Gasstrom bogen-

Nr. Körper werkstoff Schutzgas digkeit länge

02 I N Ampere 1/Min. mm/Min. mm

11 Zr Zr Ar 0 5 100 bis 120 5 bis 10 100 bis 130 3 bis 4

12 Ti Ti He 5 0 100 bis 120 7 110 bis 130 3 bis 4

13 Ti - Ar 3 0 90 bis 130 7 100 bis 120 3 bis 4

14 Ti - Ar 6 0 90 bis 130 7 100 bis 120 3 bis 4

15 Ti - Ar 0 1 90 bis 130 7 100 bis 120 3 bis 4

16 Ti - Ar 0 6 90 bis 130 7 100 bis 120 3 bis 4

17 Ti - Ar 0 10 90 bis 130 7 100 bis 120 3 bis 4

18 Zr - Ar 5 0 90 bis 120 7 100 bis 120 3 bis 4

19 Ti Ti Ar 0 0 80 bis 120 7 100 bis 120 3 bis 5

In der obenstehenden Tabelle besteht die Legierung des Versuches Nr. 8 aus 0,025'% C, 0,065 % Fe, 0,051/o Si, 1,061)/o Mo, 4,53'% Al, 2% Cr, der Rest ist Titan. Dagegen besteht die Legierung des Versuches Nr. 9 aus 0,21% C, 0,075 % Fe, 0,015 % si, 4,361% Al, 4,54% Mn, der Rest ist Titan.

Die Härte dieser Metallkörper nach der Schmelzoperation ist unten wiedergegeben. Sie wurde mit einem Vickers-Härteprüfer bei einer Belastung von 30 kg gemessen.

V Nr ch Härte

1 300 bis 35.0 11 450 bis 550

2 350 bis 460 12 4.00 bis 550

3 400 bis 550 13 350 bis 400

4 320 bis 350 14 350 bis 450

5 300 bis 400 15 250 bis 300

6 350 bis 480 16 300 bis 420

7 470 bis 550 17 350 bis 500

8 370 bis 450 18 350 bis 400

9 390 bis 510 19 200 bis 250

10 400 bis 550

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Härten der Oberfläche metallener Körper, die aus Titan, aus Titanlegierungen, Zirkon und Zirkonlegierungen oder aus Metallen ihrer Gruppe bestehen oder solche Metalle enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die zu härtende Oberfläche durch ein inertes Gas abgeschirmt wird, daß ein Sauerstoff- und/oder Stickstoffgemisch in das inerte Gas eingeführt` wird und daß unter Aufrechterhaltung dieser aus Schutzgas und Reaktionsgas gebildeten Atmosphäre die betreffende Oberfläche durch eine Lichtbogenschmelzung aufgeschmolzen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas Argon oder Helium verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff und/oder Stickstoff in Mengen von weniger als 151/o des Volumens des inerten Gases verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtbogenstrom in der Größenordnung von 60 bis 130 Ampere verwendet wird, wobei die Länge des Lichtbogens 2 bis 10 mm und der Zustrom des Gases 280 bis 8401/Stunde beträgt.