DE1621266A1

DE1621266A1 - Verfahren zur Oberflaechenbehandlung von Titan oder Titanlegierungen

Info

Publication number: DE1621266A1
Application number: DE19671621266
Authority: DE
Inventors: Wood Richard Austin
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-07-29
Filing date: 1967-07-15
Publication date: 1971-04-29
Also published as: CH496817A; DE1621265A1; DE1621265C3; DE1621265B2; US3471342A

Description

International Business Machines Corporation, Armonk,

N.Y. 10 504» USA

Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Titan oder Titanlegierungen

Titan, oder Titanlegierungen haben grosse Festigkeit und leichtes Gewicht, weshalb sie vielfach anwendbar sind« Solche Metalle bezw. Metallverbindungen finden vielfach Anwendung in der Luft- und in der Raurafahrtindustrie und auch in Verbindung mit Büromaschinen, die mit hoher Geschwindigkeit arbeiten.

Trotz der hervorragenden Vorzüge von Titan und Titanlegierungen für manche Zwecke erweisen sie sich wegen ihrer massigen Verschleissfestigkeit oft als ungeeignet in Verbindung mit reibender. Beanspruchung. Um dem entgegenzuwirken, hat man Titan und Titanverbindungen mit den verschiedensten überzügen anderer Metalle versehen, um die Verschleissfestigkeit zu erhöhen.

Frühere Versuche dieser Art führten jedoch aus verschiedenen Gründen immer zu mehr oder weniger unbefriedigenden Ergebnissen.

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; ■ ■ -Vs.'.

Ϊ PiS 815/d 6970

In manchen Fällen ergab sieb durch den überzug nicht die gewünschte Härte und in anderen Fällen hielt der überzug nicht fest genug am BasismetaH, insbesondere dann, wenn das Material aus anderen Gründen vergütungsgeglüht und getempert wurde« :_- - .. - - -

Ein unter dem gleichen Titer bereits vorgeschlagenes Verfahren zum Oberflächenhärten von Ti tem oder Titanlegierung en, bei dem Chrom auf die Oberfläche geschichtet und dann durch Glühdiffusion oberflächlich in das Titan ;bezw~ die Titanlegierung eindiffundiert wird, gestattet es, die Oberflächenhärte des Titans oder der Titanlegierung ganz beträchtlich zu erhöhen, so dass diese Legierungen Verschleissfestigkeit gewinnen, die es gestattet, sie auch an solchen Stellen einzusetzen, vo sie av.f Verschleiss beansprucht werden.

Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Glühdiffusion eine Nitrierung vorgenommen wirdj indem das Titan, bezw. die-Titanlegierung in einer Stickstoffatmosphäre für etwa eine halbe bis zwei Stunden auf etwa 1500 bis 1750° P erhitzt wird. Versuche haben ge- ' zeigt, dass durch die erfinderische Nitrierung eine weitere Steigerung der Oberflächenhärte aöglich ist. Pie Nitrierung wird zu diesem Zweck vorzugsweise soweit getrieben, -dass die Nitrierung bis zur Bildung einer stickstoffstabilisierten Alpha-Titan-Chrom-Legierungsschicht in der Oberfläche führt.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

.8AD

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1B212S6

P 15 eis/D 6970 '

1 $eigt links eine Mikrofotografie

' . f . ς .:-: eines Querschnitts durch ein nach der

•^-f: -ν- ' Brf i&dung behandeltes Legierungsprobe= .' *; ■ · ■' .. stück, zu der ise rechten Teil der Zeicht

■-/'"- .. hung,gemessene Härteverte aufgetragen ··>. : ■ ' . ; sind».

Ptgur 2 . ; , .die'.Darstellung entsprechend Figur 1 ··'. ■ '".- · <r~ ",:■ ' für ©in aveites Prbbestöclc und

- -■'.- - . ^ Figur 3 - . ; iffi Diagranm ausgezogen den H3rteyerlauf

für das in Figur t dargestellte Probe- -' , stück und gestrichelt den Harteverlauf für ein nicht nitriertes Probestück, das ist Übrigen genauso behandelt wurde, vie das» zu dem die Darstellung von Figur ι gehört» _f

Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf metallisches Titan und Tlta^ilegierungen. Hier und im folgenden isrird von Titarilegiemuig; gesprochen, y&m die Legierung mindestens 50 Gewichtsprozent Titan enthalt, zum Beispiel, also eine Legierung -Titan - 6 Aluminium - 4 Vanadium 71 - 6 Al -

Titan und Titanlegierungen sind für schnellaufende Teile in Maschinen und dergleichen von höchstem Interesse« Eine Ti .6 Al - 4 V-Legierung ist leicht und kann durch Hitzebehandlung auf eine Festigkeit in der Grössenordnung von 160 bis 170 χ 10 Psi gebracht werden. Die Verschleissfestigkeit von Titan und Titanverbindungen ist jedoch im allgemeinen unbefriedigend und unzureichend für Anwendungen, bei denen Verschleissbeanspruchung auftritt. Um die Oberflächenhärte der erwähnten Legierung Ti - 6 Al - 4 V zu verbessern, wurde diese Legierung behandelt.

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- /- P 15 eis/D 6570

Die Probestücke hatten die Form eines Rundstabes mit einem Durchmesser von ungefähr 0,6 cm. Die verwendete Legierung hatte folgende Zusammensetzung:

■ ' Material

Leflierunqsbestandteile ' " Gewichtsprozente

Alumiriium ' 6,3

Vanadium 4,1

. Eisen 0,14

Kohlenstoff . 0,027

Sauerstoff . 0,196

Stickstoff 0,016

wasserstoff 0,006

Titan Ausgleich

Dia Probestücke können auch die Form von Drucktypen oder anderen. Maschinenelement en, die mit hoher Geschwindigkeit beansprucht werden und bai denen die Oberflächenhärte und die Vsrschleissfestigkeit kritisch ist, haben.

Vorbereitung^

(1) Die Titaniegierungsstäbe warden chemisch poliert, in einer HF-HNO««-Lösung, um metallische Verunreinigungen von der Oberfläche zu entfernen. Durch diese chemische Polierung wurde der Durchmesser der Probestücke um einen sehr geringen Setrag verringert-

(2) die Stäbe wurden dann in einem kommerziellen alkalisehen Reinigungsmittel und Leitungswasser entfettet und gespült. , * . -

(3) Die Stäbe wurden dann in der folgenden Lösung bei 85° F,

der sie zwanzig I4inuten ausgesetzt wurden, nachpoliert:

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P 15 815/D 6970

NH₄FHP 100 g/l

K₂SiJP₆'(31 £) 200 ml/l

HNO₃ (70%) ^: 400 »1/1

H₂O (destilliert) Ausgleich

Nach der Polierung wurden die Probestücke in Leitungswasser gespült. -. ■-■-■'.

(4) Anschliesssnd wurden die Probestücke in der im folgenden angegebenen Lösung bei 120° P aktiviert mittels eines Anodenstroias--d-sr Stromdichte 2 Amp. pro qm unter Verwendung einer Titankathode. Ursprünglich wurde dies« Aktivierung über 40 Minuten durchgeführt. Es hat sich aber gezeigt» dass dann die Oberfläche rauh wird* Daraufhin wurde die Aktivierungszeit verkürzt auf etwa zwei Minuten und es wurden befriedigende Ergebnisse erzielt, insbesondere eine glatte Oberfläche.

Aktivieruncfslösung» ·

Eisessig 875 ml/l

Fluorwasserstoffsäure (48%) 125 ml/1

Nach der Aktivierung wurden die Probestücke in Leitungswasser gespült.

Plattieruncf mit Chrom»

Die Titanlegierungsstäbe wurden dann in einer Chroralösung elektrolytisch plattiert, und zwar unter den folgenden Be- . dingungen: .

Chromsäure (CrO₃) 250 g/l . .

Schwefelsäure (H₂SO₄) . 2,5 g/l * . * destilliertes Wasser Ausgleich

- .— «■ BAD ORIGINAL"

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	130° P	1621266
P 1	30 Amp. pro	5 815/D 6970
93&Pb'- 7%
qm
Sn

Temperatur .

Stromdichte

Anoden

Plattierungsgeschwindigkeit 1 all pro 100 Hinuten

(1 ail « 2,54 Mikron)»

Anstelle dieser elektrolytischen Cferomplattierung kann die Plattierung auch im Vakuum oder anderen Verfahren vorgenommen werden, wesentlich ist nur, dass sich eine fest haftende Plattierung der angegebenen Stärke ergibt»

Im einzelnen Jcönnen die Bedingungen, unter denen die Plattierung und die Glühdiffusion vorgenoi»e*i wird, variiert werden, wodurch sich die Charakteristik* der gebildeten Schichten entsprechend andern« Auch die Zusammensetzung des Titanbasismaterials kann in gewissen Grenzen geändert werden· Im wesentlichen wird nach der 'Erfindung das. Titanbasismaterial mit einer Schicht aus Chrom plattiert, die so dick ist, dass sie im wesentlichen vollständig in das Basismaterial durch Glühdiffusion eih'diffundiert werden kann. Die Stärke der Chromschicht sollte zu .diesem Zweck 0,5 Mil möglichst nicht tiberschreiten und vorzugsweise 0,3 Mil oder weniger stark sein (1 Mil «frftron).

JUS¥

Glühdiffusion« /

Die Glühdif fusion" muss eine hinreichende Zeit angewendet werden, damit das aufgeschichtete Chrommaterial im wesentliche» vollständig in das Basismetall eindiffundieren kann« Dazu ist bei einer Glühtemperatur von 1900° P eine Glühzeit von etwa 24 Stunden im allgemeinen ausreichend. Die GlUhtemperatur liegt in der Regel nicht unter 1600° P.

Die Probestücke werden Glühdiffusion unterzogen-»' indem man sie in versiegelte Kapseln, die $it einem chemisch inaktiven

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€970

Gas gefüllt sind, einbringt und für eine bestimmte Zeit erhitzt * Argon hat sick als' Gasfüllung bewährt* srühteniperatüren Im Bereich von 1600 bis 1S0ö° F sind bevorzugt*

flitrieiung»

Die Artikel werden nitr iertj indea sie in einer Stickstoff-"für ungefähr eine halbe Stunde oder länger auf

eine Temperatur von ungefähr 1500° F gebracht werden. Beispielsweise können die Artikel in eine mit Stickstoff gefüllte Küvette untergebracht und in dieser für eine Stunde auf 1700° F gebracht werden*

Die Nitrierung erfolgt im wesentlichen nach bekannten Methoden und schliösst sich an die Glühdiffusion an. Vergütungsglühen und Tempern.

Bei einer Temperatur von ungefähr 1750° F unterhalb des Berta-iiberganges, die für ungefähr eine halbe bis zwei Stunden angewendet wird und durch anschliessende Abschreckung im Wasserbad kann das Basismetall vergtitungsgegltiht werden. Daran kann sich dann eina Temperung durch Anwendung einer Temperatur von 900 bis 1000° F für vier bis zwanzig Stunden anschliessen. Diese Vergütungsglühung und Temperung kann nach Verfahren, wie sie für die entsprechende Behandlung von Titan oder Titanlegierungen bekannt sind, vorgenommen werden·

Die Behandlungsvorgänge Diffusionsglühen - Nitrierung Vergütungsglühung - Temperung körnen sich hinsichtlich der Temperaturen überlappen, das heisst also, es braucht nicht unbedingt zwischen zwei Behandlungsvorgängen ein Abkühlvorgang zu liegen. Es können vielmehr zwei oder mehrere Von diesen Vorgängen in einer Temperaturbehandlung zusammengefasst werden, me dies bei dem zweiten, nachfolgend zu beschreibenden Beispiel dar Fall ist» bei dem die Nitrierung

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- jy- ρ 15 815/D 6970

•und der Yergtituiigsglüiivorgang in dieser Weise zusammengefasst ist.

Beispiel 1:

Bei dan ersten Beispiel,' das wie oben beschrieben präpariert wird.,, erfolgt die Aktivierung über eine Zeitdauer von 40 Minuten und die Chromplattierimg erfolgt mit einer Stärke von 0,05 Mil« Dieses Probestück vird dann den folgenden Behandlungen in der Reihenfolge der Aufzählung unterzogen:

a) Glühdiffusion für 16 Stunden bei 1700° F und anschliessende Luftabkühlung

b) Nitrierung für 4 Stunden bei 1750° F und anschliessende Luf tablcühlung

c) Vergütongsglühung für 1*1/2 Stunden bei 1750° F und anschliessaride Wasserkühlung und

d) Temperuhg für 6. Stunden bei 1000 F und anschliessends Luftkühlung,

Die Hartedeten für vier Traversen, die sich'bei einem so behandelten Probestück ergeben, sind in der Tabelle 1 angegeben. Im Oberflächenbereich wurden Härtegrade in der Grössenordnung von 12 000 Khn gemessen.

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P 15 BIS/D 6970

a b e 1 1 e I

Abat«snd von der Knoopsche Karte

Oberfläche» in KiI 10 gr (1 Mil~2_T54 Mikron) Traverse iio.

0,25 0,50 1,0 1,5 2,0 2.5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0

6,5 - 7,0 7,5 8,0

9,0 10 11 12 13 14 16 18 20 40 60 80

Beispiel 2

Ein zweites Probestück wurde, wie oben beschrieben, vorbe handelt, ind.a^ra es für 40 Minuten aktiviert wurde und mit einer Chromplattierung von 0,05 Mil Stärke beschichtet wur de und es \>/urde anschliesssnd v/ie folgt behandelt:

a)" Glühdiffusion für 16 Stunden bei 1700° P und

Luftkühlung

Belastung	. (2)	(3)	100 gr Bei.
• (1)			(4)
1247	—	- —.
1089	985	729	. ——
709	1019	~ —	647
812	924.	770
770	1019	—	562
673	842	673
656	818	—	543
535	656	622	—
1161	—		522
749	591	622	—
549 .		—. -	497
549	——	549	——
503	—.	_-	483
467	—	591	—
535	—	-^.	476
549		511	— -
549	—	523	455
535	—	511	448
591	——		448
591			—
622	—		——
549	—	—	—
591			—
577			420
549	MN··»		—
563	-— -	—	389
563	—	—.	——
549	—		—
503		■ —

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P 15 81 S/D 6970

b) Nitrierung und Vergütttßgsglühung in einer Behandlungs-· stufe durch Erhitzen auf 1750° P für eine halbe Stunde und anschliessende Wasserableitung und

c) Tempex-ung für 6 Stunden bei 1000° P und anschliessende Luftkühlung.

Die Härtedaten wurden in drei Traversen gemessen und sind in dar nachfolgenden' Tabelle 2 aufgetragen. In der Nähe der Oberfläche wurden Härtegrade von 1300 Khn gemessen.

^{ Tabelle II

Abstand von der Xnoopsche Härte

Oberfläche in Mil 10 gr Belastung 100 gr Beiast.

(1 Mil=?.,54 Mikron) Traverse No. (i) (2) (3)

8i8 —-

ο,	25
ο,	50
1,	0
2_t	0
2.	5
3,	0
3,	5
4,	0 -
4,	5
5,	0
5,	5
6,	0
6,	5
7,	O
7.	5
8,	0.
9,	0
10,	0
11
12
13
14
16
18
20
40
60
80

1344	—	— -
709	656	571
691	__.	—.
673	622	556
691	——.	——
673	489	534
638	. ■ —	—
606	523	522
563	- —.	^~
549	478	472
591	—.	—
656	563	452
563	—	—
638	535	472
549	—	~~.
770	511	448
591	467	469
563	503	472
622	■*—	—*·
591	—	452
535		462
535	- -T-	452
511	——	444
549	—	435
577		441
511	—	—
511		389

109818/0*85 -T~

ORIGINAL

" P 15 815/d 6970

Beispiel 3;

Ein drittes Beispiel wurde ebenfalls, wie oben beschrieben, behandelt, wobei die Aktivierung sich über eine Zeitdauer von 2 Minuten erst??eckte und die Chromplattierung eine Star-Ice von 0,05 Mil hatte. Dieses Probestück wurde wie folgt behandelt: " ' ··■-.■

a) Glühdiffusion für 15 Stunden bei 1700° F und anschliessende Luftkühlung,

Nitrierung für eim
sende Luftkühlung,

b) Nitrierung für eine stunde bei 1700° F und anschlies-

c) Vergütungsglühen für eine halbe Stunde bei 1700° P und anschliessende Wasserkühlung und . ,

d) Tempering für 6 Stunden bei 1000° P."und anschliessende Luftkühlung *-

Figur 1 der Zeichnung zeigt einer^nikrofotograf ischen Querschnitt im Oberflächenbereich des dritten Beispiels»

Der schwarze Bereich ganz oben in der Figur· ist Halterungsmaterial, an dem das Probestück befestigt wurde, um ,den' Schnitt durchzuführen. - ·' /

In der Zeichnung sind vier schichten U, V, W_t X sichtbar, die auf dem Basismetall Y liegen. Die ober flächliche. Schicht Ü ist eine diffundierte, stichstoffstabilisierte Aifcha-Schicht, die möglicherweise einige Titan-Stickstoffanteile enthält. Diese Schicht hat nur die Stärke eines Bruchteils eines Mil, wie sich aus der rechts angegebenen Wertetabeile .ergibt. In dieser Wertetabelle ist in spalte I der OberflächenabotandIn Wl grob, in Spalte II der Oberflächenabstand fein, in Spalte III. die Knoopsche Härte bei 10 gr Belastung Über eine erste Traverse und in Spalte III die Knoopsche Härte bei 10 gr Belastung über eine zweite Traverse aufgetragen« *

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P 15 815/C 6970

Die ayeite Schicht V ist,eine diffundierte chromstabilisierte Beta-Schicht'mit einigen' stickstoffstabilisierten Alpharörnchen. Diese Schicht V reicht bis in eine Tiefe von ungefähr 1 Mil gemessen von der Oberfläche aus.

Die dritte Schicht ist eine diffundierte chrpmstabilisierte, transformierte Beta-Schicht mit sehr wenigen stickstoffstabilisierten Alpha-KÖrnchen. Diese Schicht i$t ungefähr 2 Mil stark. _·.!'- 7 s*

Die vierte Schicht'ist eine mit Chrom angereicherte Alpha-Beta-Schicht, die etwas weniger als 2 Mil stark ist und fest mit dem Basismetall Y verbunden ist. Das Basismetall besteht hier im wesentlichen aus einer Ti«»6Al-4V-tijgierung. Der ganze Oberflächenbereich, der die vier¹'Schichten U, V, W, Y umfasst, hat ungefähr eine Tiefe von 5 Mil.

Aus den in der Tabelle rechts angegebenen Härtegraden ist ersichtlich^ dass die Härte an der Oberfläche am höchsten ist und in die Tiefe hi.-sn abnimmt, bis sie die Werte des Basismetalls erreicht.

Der Härteverlauf für dieses Probestück mi¥ cnromnitrierter Beschichtung ist in Figur 3 grafisch^ aufgetragen, -und zwar in der ausgezogenen Kurve· In Figur 3 ist auf' der senkrechten Achse die Knoopsche Härte in Khn bei 10 gr Belastung und auf der wägrechten Achse der Abstand von der Oberfläche des Probestückes in Mil aufgetragen. Zum Vergleich-ist der Härteverlauf eines Probestückes gestrichelt aufgezeichnet, das nicht nitriert wurde« im übrigen aber genauso behandelt wurde, wie das chromnitrierte Probestück.

Der Vergleich der beiden Kurven zeigt, dass daa nicht te Probestück zwar einen Härteanstieg im Oberflädfeenbereich erfährt, der jedoch nicht so gross ist, wie der bei dem

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/3 P 15 eis/D 6970

chrosini trier ten Probestuck gesiäss der ausgesogenen Kurve. Im Oberflächenbereich des chromnitrierten Probestückes ist bei beiden Traversen die Härte Über 900 Khn, während sie bsi dem nickt nitrierten Frd&estuck nur in der Grössenordnung von 7QO Khn liegt. .

• -

Beispiel 4

Dieses Beispiel wurde genauso behandelt» vie Beispiel 2, mit der einzigen Ausnahme, dass es nicht getempert wurde. Die Härte wurde nur entlang einer Traverse gemessen«.

Die Quer3chnittsmikro£otogra£ie dieses.Beispiels ist in Figur 2 dargestellt und daneben sind entsprechend wie in Figur 1 die Werte aufgetragen. Die Schichtenbezeichnungen U, V, W, X, Y rand in Figur 2 die gleichen, wie in Figur 1, dsriii es handelt sich, soweit es die Zusammensetzung angeht, In beiden Fällen, um die gleichen Schickten. Lediglich die Härtegrade sind unterschiedlich- Diese sind in Spalte III in kaocpcchex* Härtegraden bei 10 gr Belastung für die einzige vermessene Traverse angegeben. Auch bei diesem Ausfuhr rungsbeispiel ist die Härte unmittelbar an der Oberfläche sehr hoch, nämlich im Bereich von 1000 Khn. Es zeigt sich also, dass mit einer Glühdiffusion des aufplattierten Chroms einerNitrierung und einer anschliessenden Glühvergütung ausserordentlich hohe Oberflächenhärtegrade erzielbar sind.

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Claims

MWi 3* Juli 1967 P 15 BIS/D 6970 A N SP RÜCHE

1. Verfahren zum Oberflächenhärten von Titan oder Titanlegierungen, bei dem Chrom auf die Oberfläche geschichtet und dann durch Glühdiffusion oberflächlich in das Titan bezw· die Titanlegierung eindiffundiert wird, dadurch gekennzeichnet« dass im Anschluss an die Glühdiffusion eine Nitrierung vorgenommen wird, indem das Titan bezw. die Titanlegierung in einer Stickstoffatmosphäre für etva eine halbe bis zvei Stunden auf etwa 1500 bis 1750? F erhitzt wird. *

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material nach der Glühdiffusion und 4tr Nitrierung ' vergütungsgeglüht vird· . "

3* Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material nach der Glühdiffusion, der Nitrierung und der VergUtungsglühung getempert vird. ?- ■-

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung auf «ine Titanlegierung, enthaltend 6 Gewichtsprosente Aluminium, 4 Gewichtsprozente Vanadium und den Ausgleich Titan.

109818/0285 ^Bm original ■

162126$

- 2 - Mir P 15 815/fc 6970

Verfahren nach einem oder mehreren · der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Chrom in einer Stärke von 0,05 Mil (ι Mil = 2^*4-Mikron) bis maximal 0,5 Mil aufgeschichtet wird. ^7 *

Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche., dadurch gekennzeichnet, dass die Glühdiffusion bei einer Temperatur von 1600 bis 1900° F mit bis zu 24 Stunden Dauer durchgeführt wird.

Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrierung bis zur Bildung einer stickstoffstabilisierten Alpha-Titan-Chrom-Legierungsschicht in der Oberfläche vorgenommen vird.

BAD

-109818/0285

tee rse ire