DE1621243C3

DE1621243C3 - Verfahren zum Behandeln von Poren und Risse aufweisenden Oberflächen metallischer Körper und derart behandelter Körper

Info

Publication number: DE1621243C3
Application number: DE1621243A
Authority: DE
Inventors: Clarence Walter Broadview Heights Ohio Forestek (V.St.A.)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1966-01-24
Filing date: 1967-01-13
Publication date: 1975-11-06
Also published as: GB1139871A; DE1621243B2; US3502493A; JPS5018870B1; SE339374B; DE1621243A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Behandeln von Poren und Risse aufweisenden Oberflächen metallischer Körper.

Es wurde schon ein Verfahren zum Behandeln von Poren und Risse aufweisenden Oberflächen metallischer Körper vorgeschlagen, gemäß dem in die Risse und Poren pulverförmige Teilchen eines Materials, die eine Temperatur von mindestens 167°C unterhalb der Temperatur der Oberfläche aufweisen, eingelagert werden, worauf die Einstellung einer Gleichgewichtstemperatur bei Teilchen und Oberfläche bewirkt wird (DT-PS 15 46 936).

Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich nun dadurch, daß als einzulagerndes Material Metallteilchen oder Teilchen von Metallverbindungen mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 50 μΐη verwendet werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden feine Metallteilchen derart in Risse oder Poren von Oberflächen eingelagert, daß sie in der Oberfläche durch Festsitz eingeklemmt sind. Dies wird durch geeignete Temperaturunterschiede erzielt.

Zunächst wird eine Oberfläche, gewöhnlich eine metallische Oberfläche, so behandelt, daß auf oder in ihr viele winzige Zwischenräume, Poren, Hohlräume oder Risse entstehen. Dies erfolgt z. B. durch mechanische Behandlung oder Vorbehandlung, wie durch Flüssig-Honen, durch Bearbeitung mit dem Sandstrahlgebläse oder auf chemische Weise, wie durch Ätzen mit Säure, oder schließlich, indem man auf der Oberfläche einen porösen Überzug, z. B. aus Zinkphosphat, erzeugt. Wenn die metallische Oberfläche bereits von Natur aus das gewünschte Netz von winzigen Rissen oder Zwischenräumen aufweist, kann diese erste Stufe fortgelassen werden. Beispiele für eine solche Oberfläche sind gewisse gesinterte oder pulvermetallurgisch hergestellte Erzeugnisse oder aufgespritzte Metalloberflächen.

Die vorbehandelte Oberfläche wird erhitzt, vorzugsweise auf mindestens 100⁰C, um die Risse oder Poren zu vergrößern. Dann werden feine Metallteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 50 μίτι auf der Oberfläche verteilt und je nach Bedarf in die vergrößerten Poren eingearbeitet, so daß die Risse oder Poren mit den feinen Teilchen praktisch angefüllt werden. Die feinen Teilchen befinden sich dabei auf Raumtemperatur oder auf noch niedrigerer Temperatur. Schließlich läßt man die Oberfläche und die Teilchen eine Gleichgewichtstemperatur erreichen, wobei sich die Poren und Risse zusammenziehen und die Teilchen durch Festsitz in den Poren oder Rissen eingeklemmt werden.

Der Teil der gesamten Oberfläche, der von den eingeklemmten Teilchen eingenommen wird, kann etwa 5 bis 75% betragen und beträgt vorzugsweise etwa 10 bis 50%. Die Oberfläche ist in dem Sinne diskontinuierlich, als sie nicht vollständig von den Teilchen bedeckt wird, sondern eine Vielzahl von Teilchen in einer Art Einbettungsoberfläche enthält.

Die mittlere Größe der Teilchen soll zwischen 0,05 und 50 μηι, vorzugsweise zwischen 0,5 und 30 μπι, liegen. Die Teilchen sollen eine solche Größe haben, daß die nicht ausgedehnten Teilchen in die Risse in der Oberfläche eintreten oder eingetrieben werden können. Theoretisch soll eine Beziehung zwischen der Teilchengröße und der Breite der Oberflächenrisse derart bestehen, daß auf die Breite eines jeden Risses 1 bis etwa 5 Teilchen entfallen. Die Poren oder Risse in der Oberfläche haben vorzugsweise die gleiche Größenordnung wie die Teilchen; jedenfalls soll ihre mittlere Größe 100 μΐη nicht überschreiten.

Die Teilchen werden gekühlt, oder die Oberfläche wird erhitzt, oder beides, so daß zwischen den Teilchen und der Oberfläche ein ,Temperaturunterschied von mindestens 167° C und vorzugsweise von 222° C oder mehr besteht, wobei die Teilchen die niedrigere Temperatur aufweisen.'

Der Temperaturunterschied richtet sich nach dem Ausdehnungskoeffizienten der Oberfläche und der Teilchen; denn der Zweck des Verfahrens ist es ja, eine genügende Differenz auszubilden, um die Teilchen durch Festsitz einzuklemmen. Gegebenenfalls kann man auch mit viel größeren Temperaturunterschieden arbeiten. Eine Stahloberfläche kann z. B. auf 540° C erhitzt werden, und die Teilchen können bei Raumtemperatur oder noch niedrigerer Temperatur in die Oberfläche eingelagert werden.

Auf der erhitzten Oberfläche werden die Teilchen möglichst schnell verteilt, indem man sie mit dem Pinsel auf die Oberfläche aufstreicht, sie in wäßriger Dispersion auf die Oberfläche aufbringt, sie mit Gebläseluft auf die Oberfläche aufbläst oder sich eines elektrostatischen Verfahrens bedient, um die Teilchen auf der Oberfläche zu verteilen. Obwohl die Teilchen hierbei im allgemeinen in die vergrößerten Zwischenräume der Oberfläche hineinfallen, kann die Oberfläche außerdem gerieben, poliert, gescheuert oder anderweitig so behandelt werden, daß die Teilchen in die erweiterten Risse eintreten.

Dann läßt man die Oberfläche und die Teilchen die Gleichgewichtstemperatur annehmen. Infolge des anfänglichen Temperaturunterschiedes werden die Teilchen hierbei in der Oberfläche durch Festsitz eingeklemmt. Mit anderen Worten: die Teilchen dehnen sich in den Poren oder Rissen aus, und die Poren oder Risse ziehen sich zusammen und klemmen dadurch die Teilchen an Ort und Stelle ein.

Die Erfindung bezieht sich auf gewisse Metalle und Metallverbindungen, wie Carbide und Nitride. Insbesondere können im Rahmen der Erfindung die kostspieligen und schwer legierbaren Metalle, wie Titan, Zirkonium, Molybdän, Hafnium und Selen, sowie auch die übrigen, nachstehend aufgeführten Stoffe verwendet werden.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf die Behandlung von Metallen, die zwar für einen Verwendungszweck vorteilhafte Eigenschaften aufweisen, die jedoch, wenn man eine feste Legierung aus ihnen herstellt, dieser Legierung Sprödigkeit, schnelle Ermüdung, ungünstige thermische Eigenschaften oder sonstige unerwünschte Eigenschaften verleihen. Beispielsweise können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Teilchen aus den folgenden Metallen oder Metallverbindungen verwendet werden: Antimon, Bariumoxid, Bariumcarbid, Beryllium, Berylliumoxid, Bornitrid, Cer, Chrom, Kobalt, Kupfer, Graphit, Hafnium, Hafniumcarbid, Iridium, Mangan, Molybdändisulfid, Nickel, Platin, Rhodium, Selen, Siliciumcarbid, Tantal, Titan, Wolfram, Wolframcarbid und Vanadium.

Graphit und Molybdändisulfid haben bekanntlich ein ausgezeichnetes Trockenfilm-Schmiervermögen. Gemäß der Erfindung wird eine Stahloberfläche mit Säure geätzt, so daß sich in ihr viele winzige Poren und Risse bilden. Dann wird die Oberfläche auf 177°C erhitzt. Dann werden Teilchen aus Graphit oder Molybdändisulfid mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 30 μίτι, die sich auf Raumtemperatur oder Vorzugsweise unter Raumtemperatur befinden, auf der Oberfläche so verteilt, daß sie in die erweiterten Risse eintreten. Beim Abkühlen werden die Graphit- oder Molybdändisulfidteilchen in der Oberfläche durch Festsitz eingeklemmt. Die so erhaltene Oberfläche hat ein bedeutend verbessertes Schmiervermögen und kann für Kugellager-Laufringe oder andere Anwendungszwecke verwendet werden, bei denen es auf ein gutes Schmiervermögen ankommt.

Rhodium wird in Form einer Legierung für Federspitzen verwendet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich eine Federspitze herstellen, die nicht aus einer Legierung besteht, sondern in der Rhodiumteilchen verteilt sind. Dadurch wird Rhodium eingespart, und man erhält eine Federspitze, die einer solchen aus reinem Rhodium gleichwertig ist.

Für viele chemische Umsetzungen wird Platin als Katalysator verwendet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Platinteilchen in der porösen Oberfläche von gesinterten Glaskugeln oder -zylindern anordnen, um ein preiswertes Katalysatormaterial zu erhalten. Die in der Oberfläche sitzenden Teilchen wirken als Katalysator. Die Hauptmasse des Materials besteht jedoch aus billigem Werkstoff und nicht aus massivem Katalysatormetall, wie es zur Zeit erforderlich ist.

Stahloberflächen werden mitunter mit «-Messing überzogen, um das Haftvermögen von Kautschuk an solchen Oberflächen zu verbessern. Erfindungsgemäß wird eine Oberfläche mit einer Vielzahl von α-Messingteilchen hergestellt, die in den Oberflächenporen durch Festsitz eingeklemmt sind, und an diese Oberfläche wird Kautschuk angeklebt, wodurch man die meisten, wenn nicht gar sämtliche Vorteile des Λ-Messings ohne umständliche Beschichtungsarbeit erzielt.

Kupfer ist heute verhältnismäßig kostspielig. Stahlblech wird mit einer dünnen Kupferauflage plattiert, die dann unter hohem Druck aufgewalzt wird. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in die Stahloberfläche zunächst Kupferteilchen eingelagert, um die Bindung zwischen der Kupferauflage und dem Stahl zu verbessern und die Plattierarbeit zu erleichtern.

Für elektrische Kontakte werden Oberflächen aus Silber oder anderen Metallen verwendet. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in eine Oberfläche aus Kupfer oder einem anderen Metall Silberteilchen eingelagert, wobei man eine elektrische Kontaktfläche erhält, die sich wie reines Silber verhält.

Oft werden Legierungen aus verschiedenen schwer legierbaren Metallen zur Verwendung als Katalysatoren verlangt, da diese Metalle besonders gute Wirkungen haben. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Legierung an Ort und Stelle hergestellt, indem man zunächst eine Oberfläche mit vielen winzigen Rissen versieht, dann Metallteilchen in die Risse einlagert und hierauf die Oberfläche so hoch erhitzt, daß die Teilchen in die Oberfläche unter Bildung einer Legierung einschmelzen. Da die Teilchen in der Oberfläche durch Festsitz eingeklemmt sind, ist die Oberfläche widerstandsfähig gegen unsanfte Behandlung oder sogar gegen Ziehen oder sonstige Verformungsvorgänge, bis sich die Legierung an Ort und Stelle durch Schmelzen bildet. Hierbei braucht der Temperaturunterschied nur auszureichen, um die Teilchen in die Risse einzulagern, bevor die Legierung an Ort und Stelle hergestellt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Teilchen jedoch nicht geschmolzen, bevor sie in die Risse eingebracht werden, weil hierdurch der Festsitz nicht erzielt werden würde.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch die Herstellung von Schleifoberflächen in der Art von Schmirgeltuch oder harten Arbeitsflächen, indem man Wolframcarbid- oder Siliciumcarbidteilchen gemäß der Erfindung durch Festsitz in Oberflächenrisse einlagert.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden feine Kupferteilchen in eine Oberfläche aus Stahl, Aluminium oder rostfreiem Stahl oder feine Eisenteilchen in eine Oberfläche aus rostfreiem Stahl, Aluminium oder Kupfer eingebracht,' um ungewöhnliche Zierwirkungen zu erreichen. Zum Beispiel wird die Außenseite von Bürogebäuden mitunter mit rostfreiem Stahl oder Aluminium verkleidet. Feine Eisen- oder Kupferteilchen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf solchen Oberflächen verteilt worden sind, verwittern zu einer rostbraunen Farbe und liefern eine eigenartige Wirkung, wobei sämtliche vorteilhaften Eigenschaften des rostfreien Stahls erhalten bleiben. Ebenso können feine Kupferteilchen auch so behandelt werden, daß sie eine blaugrüne Farbe oder andere Farben annehmen. Dieses Verfahren ist besonders auf Aluminiumoberflächen anwendbar, für die gegenwärtig nur wenige, durch Eloxieren erzeugte permanente Farben zur Verfügung stehen.

Der Temperaturunterschied zwischen den Teilchen und der Oberfläche soll ausreichen, um unter Berücksichtigung der Ausdehnungskoeffizienten der Teilchen und der Oberfläche einen Festsitz herbeizuführen. Minimale Fe$tsitze haben die Größenordnung von etwa 0,076 mm, vorzugsweise mehr. Um solche Unterschiede zu erzielen, kann man die Teilchen bei Raumtemperatur (etwa 15°C) oder vorzugsweise bei einer noch niedrigeren Temperatur auf die Metalloberfläche aufbringen. Die Teilchen können mit festem Kohlendioxid auf — 73⁰C gekühlt werden, um ihre Ausdehnung so lange i\i verzögern, bis sie in die Risse der Oberfläche einge-

lagert worden sind. Mit flüssigem Stickstoff oder anderen verflüssigten Gasen erzielt man Teilchentemperaturen unter — 240⁰C, die ebenfalls angewendet werden können, um den gewünschten Temperaturunterschied zu erzeugen. Ebenso können die Teilchen im Gefrierfach eines Kühlschrankes oder in einer Tiefgefriervorrichtung aufbewahrt werden.

Die Oberfläche, auf die die Teilchen aufgetragen werden, kann auf verschiedene Weise porös gemacht oder mit Rissen oder Zwischenräumen versehen werden, in die die Teilchen sich einlagern können. So kann die Oberfläche z. B. auf elektrolytischem Wege durch anodische oder kathodische Behandlung in einer sauren oder alkalischen Lösung geätzt werden, die dem betreffenden Metall angepaßt ist. Auch nichtelektrolytisch chemische Behandlungen mit Säuren oder Alkalien auf kaltem oder heißem Wege eignen sich zur Erzeugung gleichmäßiger Oberflächenrisse, wobei die Wirkung verschiedener Stromdichten auf die verarbeiteten Erzeugnisse vermieden wird.

Ebenso kann die Oberfläche durch Behandeln in einem Phosphatierungsbad mit einem zusammenhängenden Phosphatüberzug versehen werden, der eine Vielzahl winziger Risse enthält.

Die Oberfläche kann mit Nickel, Hartchrom oder anderen an sich bekannten Überzügen beschichtet werden, und man kann die Überzüge dann so behandeln, daß sich eine poröse Oberfläche bildet. Aluminiumoberflächen können eloxiert oder harteloxiert werden.

Gegebenenfalls kann die Oberfläche noch in heißem Zustande mit einer rotierenden Stahlbürste, einem Filzbausch, einer Faserbürste oder auf andere Weise poliert werden, um die Teilchen noch weiter in die Risse hineinzutreiben und lose Teilchen, die nicht in die Risse eingetreten sind, zu entfernen, so daß abwechselnde, regellos verteilte Oberflächenteile aus reinem Metall und mit Teilchen versehener Oberfläche übrigbleiben, was als diskontinuierlich ausgebildete Oberfläche bezeichnet werden kann. Die Teilchen können auch durch Gebläseluft auf die Oberfläche aufgetragen und in die Oberflächenrisse eingetrieben werden. Ebenso können Vibratoren verwendet werden, um die Teilchen in die

ίο Poren oder Risse der Oberfläche einzuarbeiten.

Beim Aufbringen der Teilchen auf die zu behandelnde Oberfläche und beim Eintreiben der Teilchen in die Oberflächenrisse muß darauf geachtet werden, daß diese Verfahrensslufen beendet sind, bevor die Oberfläche sich in nennenswertem Ausmaße abkühlt und bevor die Teilchen sich erhitzen. Mit anderen Worten: Der Temperaturunterschied soll während der Behandlung erhalten bleiben und die Behandlung möglichst schnell durchgeführt werden.

Die mit den Teilchen zu behandelnde Oberfläche kann z. B. im Ofen erhitzt werden. Besonders geeignet ist die Hochfrequenz-Induktionserhitzung. Diese Art des Erhitzens ermöglicht es, nur die Oberfläche bis zu der jeweils gewünschten Tiefe und auf die gewünschten' Temperaturen zu erhitzen. So kann die mit Rissen versehene Oberfläche erhitzt werden, um einen großen Temperaturunterschied herbeizuführen, ohne daß der Hauptteil des zu bearbeitenden Erzeugnisses überhitzt wird. Es liegt sogar im Rahmen der Erfindung, sich der Hochfrequenz-Induktionsheizung zu bedienen, um die mit Rissen versehene Oberfläche und die Teilchen schmelzen zu lassen und, wie vorstehend beschrieben, an Ort und Stelle Legierungen herzustellen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Behandeln von Poren und Risse aufweisenden Oberflächen metallischer Körper, gemäß dem in die Risse und Poren pulverförmige Teilchen eines Materials, die eine Temperatur von mindestens 167°C unterhalb der Temperatur der Oberfläche aufweisen, eingelagert werden, worauf die Einstellung einer Gleichgewichtstemperatur bei Teilchen und Oberflächen bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als einzulagerndes Material Metallteilchen oder Teilchen von Metallverbindungen mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 50 μΐπ verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als einzulagernde Teilchen Metallcarbide oder schwerlegierbare Metalle verwendet werden.

3. Metallischer Körper mit Poren und Rissen in der Oberfläche, in weiche Teilchen durch Festsitz eingeklemmt sind, die etwa 5 bis 75% der Oberfläche einnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeklemmten Teilchen aus Metallen oder Metallverbindungen einer mittleren Teilchengröße von weniger als 50 μίτι bestehen.