DE1771388B2 - Verfahren zur Herstellung von einer Reibungsbeanspruchung ausgesetzten Metallteilen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von einer Reibungsbeanspruchung ausgesetzten MetallteilenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von einer Reibungsbeanspruchung ausgesetzten
Teilen B, die dazu bestimmt sind, in Reibungskontakt mit Teilen A zu gelangen, unter elektrolytischer Bildung
eines Überzuges aus mindestens zwei Metallen C und D und gegebenenfalls E auf der Oberfläche
des Teils B, und anschließender Wärmebehandlung des beschichteten Teils B, wobei der Schmelzpunkt
des Metalls C oberhalb 600° C und derjenige des Metalls D unterhalb 500° C liegen.
In der Industrie werden bekanntlich an in Reibungskontakt befindliche Teile A und B besonders
hohe Anforderungen in bezug auf die verschiedensten Eigenschaften gestellt, z. B. bezüglich erhöhtem mechanischem
Widerstand, guten Reibungs- und Verschleißeigenschaften sowie der Fähigkeit, während
des Betriebs Falschausrichtungen der Teile zu beheben.
Um dies zu erreichen wird z. B. die Reibfläche einer
der beiden Teile A oder B aus Stahl oder Gußeisen, z. B. Lagerbuchsen, Lager od.dgl. mit aufeinanderfolgenden
Schichten aus Indium und einem der folgenden, gegebenenfalls in Kombination verwendeten
Metalle Kupfer, Zinn, Silber, Blei oder Cadmium überzogen, worauf eine thermische Behandlung des
beschichteten Werkstücks bei einer Temperatur vor- > genommen wird, die oberhalb des Schmelzpunkts von
Indium, jedoch unterhalb des Schmelzpunkts jedes der anderen Metalle liegt, um eine Teildiffusion des
Indium in die benachbarten Metalle zu bewirken (vgl. US-PS 2547465, 2525887 und 2465329).
m Diese Verfahren vermögen zwar die Reibungsbzw. Gleiteigenschaften der Werkstücke aus Stahl
oder Gußeisen und deren Verhalten gegenüber Korrosion zu verbessern, ermöglichen jedoch nur eine
partielle Diffusion zwischen den einander überlager-
i·"> ten Metallen und ergeben keine harten widerstandsfähigen
Teile.
Aus der GB-PS 457 730 ist z. B. ein Verzinnen von Gegenständen aus den verschiedensten Stahlsorten
bekannt, allerdings mit dem Ziel, deren Aussehen zu
-<> verbessern und deren Korrosion zu verhindern. Dabei
können Zwischenschichten zur Verbesserung der Zinnschichthaftung sowie eine sehr kurzzeitige, meist
nur einige Sekunden dauernde Temperaturbehandlung zur Beseitigung überschüssigen Zinns von der
r> Oberfläche zur Anwendung gelangen.
Gemäß GB-PS 706128 wird auf Stahl eine Haftschicht
aus einem legierungsfähigen Metall elektrolytisch aufgebracht, wird diese dann mit einem Überzug
aus einem Weichmetall versehen, worauf erhitzt wird
«ι zur Erzielung einer Legierung zwischen den beiden
Metallen.
Aus der GB-PS 985044 ist ein kontinuierliches Verzinnungsverfahren für Schwarzblech bekannt,
wobei nach der Beschichtung bis unter den Schmelz-ι punkt des Zinns vorerhitzt, dann sehr kurz über dessen
Schmelzpunkt erhitzt und anschließend sofort abgeschreckt wird, um eine Diffusion zu verhindern und
eine Deckschicht aus reinem Zinn sicherzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von aus
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von aus
in beliebigen Metallen oder Legierungen bestehenden
Teilen mit Oberflächen großer Härte, die ausgezeichnete Reibungs- bzw. Gleiteigenschaften, gutes Verschleißverhalten,
Beständigkeit gegenüber Korrosion und Fressen zeigen und gleichzeitig für eine Selbstaus-
Vt richtung der Werkstücke sorgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Metall C in einer Schichtdicke
zwischen 10 und 80 μηι und das Metall D in einer
Schichtdicke zwischen 5 und 60 μιη abgeschieden und
ίο das so überzogene Teil B einer programmierten thermischen
Behandlung in wenigstens zwei Stufen ausgesetzt wird, wovon die erste bei einer Temperatur von
mindestens 20° C unterhalb des Schmelzpunkts des am niedrigsten schmelzenden der vorhandenen Me-
Vt talle und die letzte bei einer Temperatur kleiner als
800° C durchgeführt werden und wobei oberhalb 200° C in einer nicht mehr als 7% Sauerstoff enthaltenden
Atmosphäre gearbeitet wird.
Nach dieser Behandlung erhält man auf der Ober-
ho fläche des Teils B eine Verbundschicht, die durch die
Diffusion der verschiedenen vorhandenen Metalle hervorgerufen und von innen nach außen, wie in
Fig. 1 der Zeichnungen dargestellt, wie folgt aufgebaut ist aus:
μ - dem darunter befindlichen Metall B,
- gegebenenfalls einer Restschicht aus Metall C einer je nach vorgenommener Behandlung variierenden
Dicke.
- einer aus einer Legierung auf der Basis von C und einem oder mehreren der anderen vorhandenen
Metalle (D, E, B) gebildeten Schicht, und
- schließlich einer Oberflächenschicht, die aus überschüssigem C, D oder E gebildet ist.
Die folgenden Bedingungen sind bei der Auswahl der Metalle C, D, E τα beachten.
Das Metall C, dessen Schmelzpunkt oberhalb 600° C liegt und das in einer Dicke zwischen 10 und
80 um aufgetragen wird, ist zur Bildung einer Legierung mit dem das Teil B bildenden Metall befähigt
und sein Elastizitätsmodul ist kleiner als 15000 hbar.
Das Metall D, dessen Schmelzpunkt unterhalb 500° C liegt und das in einer Dicke zwischen S und
60 um abgeschieden wird, wird so ausgewählt, daß es nur schwierig Legierungen mit dem Metall, aus dem
das Teil A besteht, bildet, es vermag jedoch Legierungen mit C und somit durch Diffusion bei einer
Temperatur unterhalb 800° C Legierungen mit einer Härte oberhalb 500 Vickers unter 15 g zu bilden.
Das Metall E, das gegebenenfalls zur Anwendung gelangt, ist sowohl in dem das Werkstück A bildenden
Metall als auch im Metall C unlöslich und stellt maximal 20% des Gewichts von D dar.
Bei der thermischen Behandlung erfolgt in der ersten Stufe, die bei einer Temperatur von mindestens
20° C unterhalb des Schmelzpunkts des am niedrigsten schmelzenden Metalls durchgeführt wird, eine
Vordiffusion zwischen den Metallen der aufeinanderfolgenden Schichten und/oder zwischen diesen Metalien
und dem Teil B.
In der zweiten Stufe, die bei einer Temperatur zwischen 450 bis 800° C ablaufen kann, stellt sich eine
partielle oder totale Diffusion der aufeinanderfolgenden Schichten ein.
Enthält das Teil B Eisen und/oder Nickel, Kobalt
Molybdän oder Wolfram, so wird die letzte Stufe der thermischen Behandlung bei einer 700° C nicht überschreitenden
Temperatur durchgeführt.
Mehrere Diffusionsstufen können vorgesehen sein, bevor die maximale Behandlungstemperatur erreicht
ist, wobei ein Kompromiß gewählt werden kann zwischen den jeweiligen Temperaturen dieser verschiedenen
Stufen, der Zeit, während der in diesen Stufen die Temperatur aufrechterhalten wird und der Geschwindigkeit,
mit der die Temperatur zwischen aufeinanderfolgenden Stufen erhöht wird, zur Erzielung
eines sehr guten Oberflächenzustands des behandelten Werkstücks. Diese thermische oder Warmbehandlung
in aufeinanderfolgenden Stufen kann durch eine Warmbehandlung mit allmählichen und regelmäßigem
Ansteigen der Temperatur von Umgebungstemperatur bis zur abschließenden Warmbehandlungsstufe
ersetzt werden.
Die Vorgänge bei der Warmbehandlung werden vorzugsweise in neutraler oder reduzierender Atmosphäre
vorgenommen, doch kann in den Fällen, wo in aufeinanderfolgenden Stufen oder durch allmähliches
Erhöhen der Temperatur geglüht wird, die Behandlung in Luft bis zu einer Temperatur von 200° C
begonnen werden unter der Bedingung, daß in einer Atmosphäre mit vermindertem, 7% nicht übersteigendem
Sauerstoffgehalt fortgesetzt wird.
Die Gesamtdauer der thermischen Behandlung kann 8 Stunden und mehr erreichen und sie wird in
jedem besonderen Fall als Funktion der Dicken der Metallüberzüge C und D und gegebenenfalls E, die
ursprünglich am Werkstückteil B vorgesehen wurden, eingestellt.
Die letzte Warmbehandlung wird vorzugsweise in einem Bad von erhitzten Salzen bei einer Temperatur
zwischen 350 und 600° C vorgenommen, wobei die r) Eintauchdauer in das Schmelzbad weniger als 4 Stunden
beträgt, gerechnet von dem Augenblick, wo die Werkstücke auf Temperatur gebracht sind. Das verwendete
Salzbad setzt sich aus mindestens 50% Alkalicyaniden zusammen, wobei der verbleibende Anteil
κι vorzugsweise aus Alkalicyanaten besteht.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern, ohne sie zu beschränken. Die Vergleichsversuche wurden nach dem sogenannten Faville-Levally-Verfahren
durchgeführt, und zwar wie aus r> Fig. 2 ersichtlich, an Probekörpern α mit einem
Durchmesser von 6,35 mm, welche zwischen Bakken b und c, die 90c-V-förmige Einschnitte aufweisen,
eingespannt sind.
Die Kraft P, die Backen b und c gegen den Probe-
-'Ί körper« drückt, beträgt 150daN (Dekanewton);
Probekörper und Backen werden vor dem Versuch sorgfältig mit Äthylacetat entfettet; das umgebende
Medium ist Wasser; die Gleitgeschwindigkeit beträgt 0,1 m/s.
r> In sämtlichen Beispielen bildet das Werkstück aus dem Teil A die Backen b und c das Werkstück aus
dem Teil B den Probekörper a.
tu Der Probekörper α besteht in diesem Falle aus getempertem
Stahl XC 35 mit der Zusammensetzung 0,36% C, 0,28 % Si, 0,55 % Mn, Rest Eisen. Auf elektrolytischem
Wege wird der Probekörper α zunächst mit einem Kupferüberzug C, dann mit einer Zinnab-
i> scheidung D überzogen.
Anschließend wird eine thermische Behandlung mit einer Gesamtdauer von 19 Stunden nach Vordiffusion
bei 200° C vorgenommen (Zinn besitzt einen Schmelzpunkt von 231° C), dann die Enddiffusion bei
4(i 600° C. Die Atmosphäre besteht aus Stickstoff.
Nach der Behandlung stellt man im Mikroschliff fest, daß auf der Oberfläche des Probekörpers α eine
Verbundschicht vorhanden ist, die von innen nach außen besteht aus:
r, Halbhartem Stahl,
einer Kupferschicht,
einer Kupferschicht,
einer Legierungsschicht aus Kupfer-Zinn mit einer Härte von 550 H.V. bei 15 Gramm,
einer Oberflächenschicht aus Zinn.
einer Oberflächenschicht aus Zinn.
,ο Nun wird das Verfahren nach Faville zwischen zwei
Backen b und c aus getempertem Stahl XC 35 gleicher Zusammensetzung wie der Probekörper a
durchgeführt und dauert 3 Stunden 30 Minuten bei einem Reibungskoeffizienten von 0,32, während un-
r> ter den gleichen Bedingungen ein nicht-behandelter
Probekörper nach 15 Sekunden frißt.
Auf einem Probekörper ähnlich dem in Beispiel 1 ,ο scheidet man nacheinander auf elektrolytischem
Wege eine Kupferschicht und eine Indiumschicht ab; Indium besitzt einen Schmelzpunkt von 155° C, eine
Behundlungsdauer von insgesamt 5 Stunden führt zu
einem Vordiffusionszustand bei 130° C, gefolgt von ,-, einer Enddiffusion bei 600° C in neutraler Stickstoffatmosphäre.
Nach einem Mikroschliff stellt man die gleichen Phänomene wie beim vorhergehenden Beispiel fest.
diesmal jedoch wird die Kupfer-Indiumschicht der Zwischenlegierung aus mehreren Phasen gebildet und
ihre Härte variiert zwischen 400 und 800 H. V. unter 15 Gramm entsprechend der betrachteten Phase.
Bei sonst gleichen Bedingungen kann der Favilleversuch 2 Stunden bei einem Reibungskoeffizienten
von 0,45 dauern.
An einem Probekörper analog dem der beiden vorhergehenden Beispiele wird nacheinander eine Kupferschicht und eine Legierungsschicht aus Indium-Blei
abgeschieden, die 5 Gew.-% Blei im Indium enthält.
Das Werkstück befindet sich unter einer neutralen Stickstoffatmosphäre, das Glühen mit einer Gesamtdauer von 10 Stunden wird bei einer Phase der
Schnellerwärmung bis 100° C durchgeführt, gefolgt von einem progressiven Anheben der Temperatur von
100 bis 600° C bei einer Geschwindigkeit von 60° pro Stunde.
Im Mikroschliff stellt man auf der Oberfläche des Probekörpers eine Verbundschicht fest, bei der man
von innen nach außen erkennt:
Halbharten Stahl mit einer Härte von 230 H. V. unter 15 Gramm,
eine Legierungsschicht auf der Basis von Kupfer, Indium und Blei mit einer Härte von 500 bis 600 H. V.
unter 15 Gramm,
eine Oberflächenschicht aus Blei.
Immer unter den gleichen Bedingungen dauert der Versuch nach Faville 1 Stunde 30 Minuten bei einem
Reibungskoeffizienten von 0,18.
Auf einen Probekörper aus Stahl wird zunächst eine Schicht aus Kupfer (Metall C), danach eine Schicht
aus Zinn (Metall D), und schließlich ene Schicht aus Zink (Metall E) aufgebracht.
Der erhaltene Probekörper wird sodann einer thermischen Behandlung unterworfen, wobei die erste
Stufe bei 200° C (d. h. mindestens 20° C unterhalb des Schmelzpunktes des am niedrigsten schmelzenden
der vorhandenen Metalle, in diesem Falle des Zinns) in Luft und anschließend die zweite Stufe bei einer
Temperatur von 400° C in neutraler Stickstoff atmosphäre durchgeführt wird.
Nach dieser Behandlung zeigt ein Mikroschliff eine Verbundschicht auf der Oberfläche des Probekörpers,
die von innen nach außen (in Übereinstimmung mit
- Stahl des Grundkörpers
- Eine Restschicht aus Kupfer
- eine Legierungsschicht aus Kupfer (Metall C), Zinn (Metall D) und Zink (Metall E)
Beim Rotationstest auf der Faville-Maschine zwischen den Backen aus nicht-behandeltem Stahl kann
der Probekörper in Wasser 6 Stunden lang bei einem Reibungskoeffizienten von 0,35 und einem Abrieb
ι» von unter 10 um im Durchmesser den Reibungskräften ausgesetzt werden.
-> nitischem Stahl wird zunächst eine Schicht aus Kupfer
(Metall C) und anschließend eine Schicht aus einer
Nach der Wärmebehandlung zuerst bei 200° C und -1Ii dann bei 400° C wie in Beispiel 4 zeigt ein Mikroschnitt eine Verbundschicht, die derjenigen des Beispiels 4 entspricht und ausgezeichnete Eigenschaften
in bezug auf Abriebfestigkeit und Festfressen zeigt, ohne die Widerstandsfähigkeit des nicht-rostenden
r> Stahls des Grundkörpers gegen Korrosion zu beeinträchtigen.
Auf einen Probekörper aus Aluminiumlegierung »ι wird zunächst eine Schicht aus Kupfer (Metall C) und
anschließend eine Schicht aus Indium (Metall D) aufgebracht. Danach wird eine thermische Behandlung
durchgeführt, wobei die erste Stufe aufgrund der Tatsache, daß Indium einen Schmelzpunkt von 155° C
hat, bei 130° C und anschließend die zweite Stufe bei
165° C vorgenommen wird und deren Dauer zehn Stunden beträgt.
Nach der Wärmebehandlung zeigt ein Mikroschnitt ein der Fig. 1 entsprechendes Aussehen und läßt von
innen nach außen erkennen:
- die Aluminiumlegierung des Grundkörpers
- eine Schicht aus restlichem Kupfer
- eine Schicht aus der Legierung Kupfer/Indium, und
- eine dünne Oberflächenschicht aus restlichem Indium.
Der erhaltene Probekörper kann im angegebenen Test mehreren Zehnerzeitspannen von Stunden den
Reibungskräften ausgesetzt werden, ohne zu fressen.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung von einer Reibungsbeanspruchung ausgesetzten Teilen B, die
dazu bestimmt sind, in Reibungskontakt mit Teilen A zu gelangen, unter elektrolytischer Bildung
eines Überzuges aus mindestens zwei Metallen C und D und gegebenenfalls E auf der Oberfläche
des Teils B, und anschließender Wärmebehandlung des beschichteten Teils B, wobei der
Schmelzpunkt des Metalls Coberhalb600° C und derjenige des Metalls D unterhalb 500° C liegen,
dadurch gekennzeichnet, daß das Metall C in einer Schichtdicke zwischen 10 und 80 um und
das Metall D in einer Schichtdicke zwischen S und 60 um abgeschieden und das so überzogene Teil B
einer programmierten thermischen Behandlung in wenigstens zwei Stufen ausgesetzt wird, wovon die
erste bei einer Temperatur von mindestens 20° C unterhalb des Schmelzpunktes des am niedrigsten
schmelzenden der vorhandenen Metalle und die letzte bei einer Temperatur kleiner als 800° C
durchgeführt werden und wobei oberhalb 200° C in einer nicht mehr als 7 % Sauerstoff enthaltenden
Atmosphäre gearbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte thermische Behandlung
bei einer Temperatur von 450 bis 800° C durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte thermische Behandlung
bei einer Temperatur unterhalb 700° C erfolgt, wenn das Teil B Eisen und/oder Nickel,
Kobalt, Molybdän, Wolfram enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die letzte thermische Behandlung in einem Bad erhitzter Salze, das mindestens
50% Alkalicyanide und im übrigen vorzugsweise Alkalicyanate enthält, bei einer Temperatur zwischen
350 und 600° C vorgenommen wird.
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