DE1283636B

DE1283636B - Verfahren zur Herstellung einer Platindiffusionsschicht auf bzw. in Eisenoberflaechen

Info

Publication number: DE1283636B
Application number: DEP36797A
Authority: DE
Inventors: John Ramsay Sinclair
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1964-05-14
Filing date: 1965-05-14
Publication date: 1968-11-21
Also published as: GB1060328A; US3342628A

Description

Verfahren zur Herstellung einer Platindiffusionsschicht auf bzw. in Eisenoberflächen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Platindiffusionsschicht auf bzw. in Eisenoberflächen.
Der Hauptzweck von Metallüberzügen ist der Oberflächenschutz. Überzüge aus einem ungleichartigen Metall geben die Möglichkeit, Metalloberflächen an verschiedenen Elementen anzureichern, die ihnen Eigenschaften verleihen, die das Grundmetall ursprünglich nicht aufweist.
Es ist bekannt, Diffusionsschichten auf bzw. in Metalloberflächen herzustellen, indem man das zu beschichtende Metallerzeugnis in einem Metallbad erhitzt, welches das als Diffusionsschicht aufzubringende Element in Lösung enthält. So beschreibt die USA.-Patentschrift 3 085 028 die Herstellung einer Diffusionsschicht aus Silicium auf Eisenoberflächen durch Erhitzen des zu beschichtenden Eisenmetallerzeugnisses in einer elementares Silicium enthaltenden Natriumschmelze. Ferner ist es aus der Literatur bekannt, in die Oberfläche eines Körpers aus Molybdän durch Erhitzen in einer Natriumschmelze in einem Nickeltiegel Nickel eindiffundieren zu lassen.
Die Erfindung macht von diesem bekannten Diffusionsverfahren zur Herstellung einer platinhaltigen Schutzschicht auf Eisenmetallerzeugnissen Gebrauch.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Platindiffusionsschicht auf bzw. in Eisenoberflächen unter Anwendung des an sich bekannten, mit geschmolzenen Metallbädern als Übertragungsmedium arbeitenden Diffusionsverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß man das zu beschichtende Eisenmetallerzeugnis mit einer Schmelze aus Calcium und Calciumchlorid, die metallisches Platin oder eine durch Calcium zu metallischem Platin reduzierbare Platinverbindung enthält und einen Gehalt an metallischem Calcium von 0,5 bis 50 Gewichtsprozent aufweist, bei einer Temperatur zwischen 800° C und dem Schmelzpunkt des Eisenmetallerzeugnisses behandelt.
Der Begriff Eisenmetallerzeugnis bezieht sich auf Metallerzeugnisse, deren Eisengehalt mindestens 50 Gewichtsprozent beträgt.
Die Schmelze aus Calcium und Calciumchlorid hat sich für das Verfahren gemäß der Erfindung als flüssiges Übertragungsmedium als notwendig erwiesen. Wenn die Schmelze nur aus Calcium besteht, mit dem Platin vollständig mischbar ist, oder wenn sie nur aus Calciumchlorid besteht, in dem Platin unlöslich ist, erfolgt keine Übertragung von Platin auf die Eisenoberfläche.
Das Übertragungsmedium kann auch, z. B. mit Kupfer, Blei, Zinn oder Calciumnitrid, verdünnt werden, um die Schmelztemperatur zu verändern. Zur Erreichung hoher Oberflächenkonzentrationen an Platin und zur Erzielung der besten Ergebnisse arbeitet man vorzugsweise mit einer Schmelze, deren Gesamtgehalt an Calcium und Calciurnchlorid mindestens 40 Gewichtsprozent beträgt. Die Schmelze kann auch andere Diffusionselemente enthalten, die zusammen mit dem Platin auf die Eisenmetalloberfläche aufdiffundiert werden können. Das Übertragungsmedium kann vollständig in geschmolzenem Zustand vorliegen, wobei sich das Platin in Lösung befindet, oder einen überschuß an Platin in fester Form enthalten.
Vorzugsweise beträgt der Anteil des Calciums in dem Gemisch aus Calcium und Calciumchlorid 5 bis 25 Gewichtsprozent.
Das Übertragungsmedium läßt sich auf verschiedene Weise herstellen. Man kann ein Gemisch aus Calcium, Calciumchlorid und Platin, gegebenenfalls zusammen mit anderen gewünschten Bestandteilen, auf die Arbeitstemperatur erhitzen. Das Platin kann aber auch in bestimmter Konzentration zu einer auf die Arbeitstemperatur erhitzten Schmelze aus Caleium und Calciumchlorid zugesetzt werden. Man kann das Platin auch periodisch zusetzen, um die Schmelze an Platin zu ergänzen, oder man kann es kontinuierlich in gelenkten Mengen zusetzen, um ein längeres Arbeiten ,zu erleichtern; . Die Platinkonzentration ist nicht ausschlaggebend. Schon sehr geringe Mengen, wie ein Bruchteil eines Gewichtsprozents, liefern einen Diffusionsbelag. Die günstigste Platinkonzentration in der Schmelze richtet sich nach der in. dem Difusxonsbrlag.gewünschten Konzentration. Man kann das.Platin in praktisch jeder Teilchenform zusetzen, verwendet aber vorzugsweise feinteiliges Platirigulver:-Vorzugsweise wird das Platin in elementarer Form zugesetzt, wobei technisches Platin völlig ausreicht; aber man kann auch mit einer Platinverbindung arbeiten, die durch Calcium zu Platin z. B. mit Platinhalogeniden, vorzugsweise Platinchlorid, und Platinoxid. Allgemein kann man mit Platinsalzen arbeiten, die weniger beständig als Cälciumchlorid sind.
Es ist zweckmäßig, die Schmelze in einer Inertgasatmosphäre zu verwenden; unter sorgfältig gesteuerten Bedingungen kann man jedoch auch an der Luft arbeiten. Vorzugsweise wird die Schmelze in Bewegung gehalten.
Die Arbeitstemperatur wird so gewählt, daß die Diffusionsgeschwindigkeit des Platins und der etwaigen anderen Diffusionselemente günstig beeinflußt und das Calcium in geschmolzenem Zustand gehalten wird. Bei Temperaturen unter etwa 800° C diffundiert das Platin zu langsam. Die Höchsttemperatur ist der Siedepunkt des Caleiums, aber in jedem Fall muß die Arbeitstemperatur unter dem Schmelzpunkt des Eisenmetalls liegen. - Arbeitstemperaturen von etwa 1000 bis 1200° C werden bevorzugt.
Die Verweilzeit des Eisenmetallerzeugnisses in der Schmelze beeinflußt die Dicke des Diffusionsbelages. In Abhängigkeit von dem Volumen der Schmelze und der für die-gewürischte überzugsdicke benötigten Behandlungszeit kann man Stahlblech vom Wickel oder geformte Eisenxnetallkörper kontinuierlich mit der der benötigten Verweilzeit entsprechenden Geschwindigkeit durch die Schmelze führen oder die Erzeugnisse diskontinuierlich für die erforderliche Zeitdauer in der Schmelze tauchen.
Eine besondere Vorbehandlung der Eisenmetallerzeugnisse ist nicht notwendig. Allerdings soll die zu beschichtende Oberfläche möglichst rein sein, weswegen sie vorzugsweise zunächst entfettet wird. Es hat sich aber gezeigt, daß die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Diffusionsschichten von Zunder oder dünnen Ölfilmen auf der Eisenoberfläche kaum beeinflußt werden.
Bei der Diffusionsbeschichtung diffundiert das Platin zum Teil in die Eisenoberfläche ein, wodurch die Eigenschaften der Erzeugnisse verändert werden. Bei den üblichen .Behandlungszeiten von etwa 5 Minuten bis zu mehreren Stunden kennzeichnet sich die Diffusionsschicht dadurch, daß das Platin an der Oberfläche in anderer Konzentration vorliegt als weiter innen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann zur Herstellung von Erzeugnissen Anwendung finden, die besondere korrosive Bedingungen vertragen müssen. So kann man diffusionsbeschichtete Laboratoriumsvorrichtungen, Spinndüsen und elektrische Kontakte herstellen. Durch längere Behandlung von dünnen Eisenmetallkörpern läßt sich ein Platin-Eisenkörper von verhältnismäßig homogener Struktur herstellen. Auch kompliziert geformte Gegenstände lassen sich herstellen, indem man das Eisen-Grundmetall. selektiv entfernt; - s&- #'.daß - eine dünne Platin-Eisenhülle hinterbleibt. Die gewünschte Zusammensetzung der Diffusionsschicht auf der Eisenoberfläche läßt sich erzielen, indem man die Konzentration der Bestandteile der Schmelze verändert.
Die erfindungsgemäß beschichteten- Erzeugnisse können bekannten Behandlungen unterworfen werden, um ihre Oberf14chenbeschaffenheit noch weiter zu verbessern. Zum Beispiel kann man durch Kaltbearbeitung des Grundmetalls auf Spiegelglanz vor dem Beschichten eine verbesserte Oberflächenbeschaffenheit erzielen. Auch durch nachträgliche Kaltbearbeitung läßt sich die Beschaffenheit der Oberfläche verbessern. Die beschichteten-Erzeugnisse können auch zur Verbesserung ihrer physikalischen Eigenschaften anschließend thermischen Behandlungen, wie Abschrecken oder Anlassen, .unterworfen werden. - -In dem folgenden Beispiel beziehen sich die Prozentangaben auf das Gewicht. Beispiel a) In einem Tiegel aus Kohlenstoffstahl wird aus 10 g Calcium, 200 g Calciumchlorid (5 Gewichtsprozent Calcium, bezogen auf Calcium+ Calciumchlorid) und 3 g Platindraht eine Schmelze hergestellt. In dieser Schmelze wird eine Probe aus Flußstahl unter Rühren in einer Argonatmosphäre 112 Stunde bei 1050° C behandelt. Die Probe weist sodann eine Diffusionsschicht aus einer Platin-Eisenlegierung mit einer Oberflächenkonzentration an Platin von 65 %, bestimmt nach der Röntgenfluoreszenzmethode, auf. Die Diffusionsschicht ist metallurgisch an das Grundmetall gebunden, und die Oberfläche hat eine wesentlich bessere Oxydationsbeständigkeit als das Ausgangsmetall.
b) Die vorstehende Arbeitsweise wird 16 Stunden durchgeführt. Wiederum wird eine Platinkonzentration an der Oberfläche von 65% erhalten.
c) Unter ähnlichen Bedingungen, wie oben beschrieben, wird ein Versuch unter Verwendung von Calcium als übertragungsmedium durchgeführt. Dabei entsteht keine Platindiffusionsschicht.
d) Unter ähnlichen Bedingungen wie bei dem ersten Versuch wird die Behandlung unter Verwendung von Calciumchlorid als übertragungsmedium durchgeführt. Dabei entsteht keine Platindiffusionsschicht.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung einer Platindiffusionsschicht auf bzw. in Eisenoberflächen unter Anwendung des an sich bekannten, mit geschmolzenen Metallbädern als übertragungsmedium arbeitenden Diffusionsverfahren, d adurch gekennzeichnet, daß man das zu beschichtende Eisenmetallerzeugnis mit einer Schmelze aus Calcium und Calciumchlorid, die metallisches Platin oder eine durch Calcium zu metallischem Platin reduzierbare Platinverbindung enthält und einen Gehalt an metallischem Calcium von 0,5 bis 50 Gewichtsprozent aufweist, bei einer Temperatur zwischen 800° C und dem Schmelzpunkt des Eisenmetallerzeugnisses behandelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als übertragungsmedium eine Schmelze mit einem Gesamtgehalt an Calcium und Calciumchlorid von mindestens 40 Gewichtsprozent verwendet, in der der Anteil des Calciums 5 bis 25 Gewichtsprozent des Gemisches aus Calcium und Calciumchlorid beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Behandlung bei 1000 bis 1200°C durchführt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 677113, 688 751, 742 313; schweizerische Patentschriften Nr. 323 619, 364155; USA: Patentschrift Nr. 3 085 028.