DE1796212C - Verfahren zum Borieren von Titan und seinen Legierungen - Google Patents

Description

der Verwendung von Wasserstoff als Schutz- bzw. Raumtemperatur abgekühlt Mit dem so geglühten Reaktionsgas muß aber auch hier damit gerechnet Bor wird möglichst umgehend das Behandlungswerden, daß eine Versprödung des Grundwerkstoffes gemisch angesetzt

eintritt Arbeitet man zur Ausschaltung der Ver- Dem so gewonnenen Boriermittel wird vorzugs-

sprödung nicht mit Wasserstoff, sondern unter 5 weise ein Aktivator zugesetzt Als Aktivator kommen

Vakuum, so muß damit gerechnet werden, daß er- nahezu alle Alkali-, Erdalkali- und Ammoniumhalo-

heblich dünnere Schichten aus Titanborid entstehen, genide in Frage, z. B. Ammoniumchlorid NH₄Cl₁

weil angenommen werden kann, daß du Borierung Ammoniumfluorid NH₄F, Bariumfluorid BaF₂, Na-

von Titan und Titanlegierungen mit elementarem triumbromid NaBr.

Bor genau wie die Borierung von Stahl mit elemen- to Die Verwendung von Aktivatoren in Pulver-

tarem Bor über die Gasphase verläuft; in diesem gemischen, die zur Oberflachenborierung von Titan

Fall werden aber bei einer Behandlung im Vakuum dienen, ist zwar schon bekannt Bei dem bekannten

erheblich dünnere Schichten entstehen als bei einer Verfahren wird aber in das metallische Werkstück,

Borierung unter Normaldruck. das unter anderem auch aus Titan bestehen kann,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein 15 zunächst ein Metall wie Chrom, Silizium, Aluminium,

Verfahren zu finden, welches durch Eindiffusion von Vanadin, Titan, Zirkon, Molybdän, Wolfram, Niob

Bor die Härte und Verschleißfestigkeit der Ober- oder Tantal eindiffundiert, worauf erst der eigent-

flächen von Werkstücken aus Titan und Titanlegie- liehe Borierungsvorgang mit Gemischen aus Bor,

rungen erheblicü steigert, ohne daß die positiven Al₂O₃, Chrompulver und Aktivatoren erfolgt. Als

Eigenschaften des Werkstoffes beeinträchtigt werden, ao Aktivatoren werden unter anderem Ammonium-

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Borierung fiuorid, -chlorid und -bromid genannt,

von Titan und Titanlegierungen ist dadurch gekeni;- Bei diesem bekannten Verfahren handelt es sich

zeichnet, daß als Boriermittel unter Edelgas, ins- um eine typische Zweistoffdiffusion, bei dem in das

besondere Argon (Reinstargon) ausgeglühtes amor- metallische Werkstück zunächst ein zweites Metall

phes Bor verwendet wird. 35 eindiffundiert und diese so entstandene Schicht dann

Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist darin in einer weiteren Diffusionsbehandlung boriert und

zu sehen, daß dem aus amorphem Bor, welches unter inchromiert wird. Gemäß der Erfindung handelt es

Edelgas, insbesondere Argon (Reinstargon) ausge- sich dagegen um eine typische Einphasendiffusion,

glüht worden ist bestehenden Boriermittel ein ge- bei der das Bor direkt in das Titan eindiffundiert,

eigneter Aktivator zugesetzt wird, so daß sich die 30 Um ein Zusammenbacken des Boriermittels zu

Stärke der entstehenden Obeniächenschichten auf verhindern und die Werkstücke nach der Behandlung

dem Titan erhöhen läßt. Die Aktivatoren können er- möglichst leicht aus dem Boriermittelgemisch ent-

findungsgemäß aus Alkali-, Erdaiiali- und Ammo- nehmen zu können, kann ein inerter, d. h. an der

niumhalogeniden, insbesondere Ammoniumchlorid, Reaktion nicht teilnehmender Stoff zugesetzt werden.

Ammoniumfluorid, Bariumfluorid, Natriumbromid 35 Hierfür können Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd

u. ä. bestehen. od-;r ähnliche Substanzen verwendet werden. Ge-

Noch ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist eignete Boriermittelgemische setzen sich beispiels-

darin zu sehen, daß dem das Boriermittel bildende weise wie folgt zusammen: 18 ois 40% geglühtes

Pulvergemisch ein inerter, an der Reaktion nicht amorphes Bor, 60 bis 80 Vo Aluminiumoxyd und 2

teilnehmender Stoff, insbesondere Aluminiumoxyi 40 bis 8%> Aktivator.

oder Magnesiumoxyd, zugesetzt wird, wodurch ein Auf den Zusatz eines inerten Stoffes kann gegebe-

Zusammenbacken des Pulvergemisches verhindert nenfalls verzichtet werden. Dann führt die Borierung

werden soll. zu dickeren Schichten, jedoch ist das Boriermittel-

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Boriermittel, gemisch nach der Behandlung hart, so daß sich die insbesondere zum Borieren von Titan und Titan- 45 Werkstücke nur schwer entnehmen lassen, legierungen, welches aus amorphem Bor besteht, Die zu behandelnden Werkstücke werden in einem welches unter Edelgas, insbesondere Argon (Reinst- geeigneten Gefäß in das Boriermittelgemisch eingeargon) ausgeglüht und wieder abgekühlt worden ist. packt und in einem geeigneten Ofen erhitzt. Die Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Er- Glühung kann unter Argon geschehen. Die Glühfindung handelt es sich bei dem Borierungsmittel um 50 temperatur kann je nach der angestrebten Schichtamorphes Bor, welches zwischen 850 und 1100⁰C dicke, der zu behandelnden Legierung und dem veretwa 1 bis 3 Stunden unter gleichzeitigem Durchlei- wendeten Gemisch zwischen 900 und 1400° C ten von Argon ausgeglüht und unter weiterem variiert werden. Die Glühdauer beträgt mindestens Durchleiten von Argon wieder abgekühlt worden ist. 3 Stunden, und die Abkühlung soll langsam vor-

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Er- 55 genommen werden. In Abhängigkeit von den im

findung kann das unter Argon ausgeglühte und Einzelfall angewandten Verfahrensbedingungen ent-

wieder abgekühlte Borierungsmittel mit geeigneten stehen unter diesen Bedingungen Verbindungsschich-

Aktivatoren, insbesondere Alkali-, Erdalkali- oder ten von 0,004 bis 0,100 mm Dicke und einer Ober-Ammoniumhalogeniden, sowie gegebenenfalls einem flächenhärte von 3000 bis 3500 HV kg/mm*.

Streck- bzw. Verdünnungsmittel, insbesondere Alu- 60 Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile be-

miniumoxyd oder Magnesiumoxyd, vermischt sein. stehen darin, daß eine harte, verschleißfeste Ober-

Das für die Borierung von Titan oder Titanlegie- flächenschicht erzeugt wird, die aus den Titanboriden rungen zu verwendende amorphe Bor wird unmittel- TiB₂ und TiB bestehen, ohne daß der Grundwerkbar vor der Borierung in einem geeigneten Gefäß stoff durch Zutritt von Sauerstoff, Stickstoff oder (das gegen Eintreten von Luft oder sonstigen Fremd- 65 Wasserstoff versprödet und weiterhin darin, daß sich gasen gesichert ist) bei 850 bis 1100° C unter Durch- bei technisch und wirtschaftlich tragbaren Glühströmen von Reinstargon 1 bis 3 Stunden geglüht temperaturen und -dauern eine brauchbare Schicht- und unter weiterem Durchströmen von Argon bis auf dicke ergibt.

Claims (7)

Ausnahme von Bor, wora'tf im folgenden noch näher Patentansprüche: eingegangen werden wird) hat keinen Erfolg gebracht. Schließlich hat man auch noch versucht,

1. Verfahren zum Borieren von Titan und Oxydschichten urd Karbidschichten (letztere bei-Titanlegieningen, dadurch gekennzeich- 5 spielsweise durch Glühen in Holzkohle oder in einem net, daß als Boriermittel unter Edelgas ausge- Argon-Propan-Gemisch) zu erzeugen, die sich aber glühtes und abgekühltes amorphes Bor verwendet wegen ihrer großen Sprödigkeit auch als unbrauchwird. bar erwiesen haben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Alle vorstehend genannten Verfahren zur Oberkennzeichnet, daß dem ausgeglühten und wieder io flächenhärtung von Titan und Titanlegierungen abgekühlten Bor ein Aktivator zugesetzt wird. haben wegen der mit ihnen verbundenen Nachteile

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge- keinen Eingang in die Praxis gefunden,
kennzeichnet, daß als Aktivator ein Alkali-, Erd- Die einzigen zur Zeit industriell angewandten Veralkali- oder Ammoniumhalogenid verwendet fahren zur Oberflächenhärtung von Titan bewirken wird. 15 die Ausbildung von Nitridschichten auf dem Titan

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, da- oder seinen Legierungen. Bei diesen Verfahren durch gekennzeichnet, daß dem Boriermittel ge- werden die Werkstücke aus Titan oder Titanlegiegebenenfalls ein inerter Stoff, insbesondere Alu- rangen in reinem Stickstoff geglüht oder in cyanatminiumoxid, Magnesiumoxid od. dgl. zugesetzt und cyanidhaltigen Salzbädern behandelt. Die Niwird. ao trierung in reinem Stickstoff hat jedoch den Nach-

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, da- teil, daß nur Oberflächenschichten mit geringer durch gekennzeichnet, daß die Borierung gegebe- Stärke entstehen und daß an die Reinheit des zu vernenfalls unter Durchleiten von Argon vorge- wendenden Stickstoffs sehr hohe Anforderungen zu nommen wird. stellen sind, wodurch das Ver^fahren technisch schwie-

6. Boriermittel, insbesondere zum Borieren von 35 rig und kostspielig wird. Bei der Nitrierung in cyamid-Titan und Titanlegierungen, bestehend aus amor- haltigen Salzbädern muß man immer den Nachteil in phem Bor, welches unter Edelgas, insbesondere Kauf nehmen, daß durch den im Bad gelösten Sauer-Argon (Reinstargon) ausgeglüht und wieder ab- stoff gleichzeitig eine Oxydation der Oberfläche eingekühlt worden ist. tritt. Schließlich ist in diesem Zusammenhang auch

7 Boriermittel nach Anspruch 6, dadurch ge- 30 vorgeschlagen worden, Ammoniak für die Nitrierung kennzeichnet, daß das amorphe Bor bei einer zu verwenden; aber obwohl bei der Behandlung in Temperatur zwischen etwa 850 und 1100⁰C in Ammoniak relativ dicke und harte Schichten entetwa 1 bis 3 Stunden unter gleichzeitigem Durch- stehen, kommt es durch den gleichzeitig eindiffunleiten von Argon ausgeglüht und unter weite- dierenden Wasserstoff zu einer so starken Versprörem Durchleiten von Argon wieder abgekühlt 35 dung des Kerns des Werkstückes, daß sich das Verworden ist. fahren in der Praxis nicht durchsetzen konnte.

Da alle vorstehend erwähnten, bisher bekannten

Verfahren entweder gar nicht oder aber nicht voll befriedigten, hat man auch schon Versuche unter-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei welchem 40 nommen, durch Eindiffundieren von Bor eine Ober-

durch Eindiffundieren von Bor die Härte und Ver- flächenhärtung von Werkstücken aus Titan oder

schleißfestigkeit der Oberfläche von Werkstücken aus Titanlegierungen vorzunehmen. Zwei Verfahren sind

Titan und dessen Legierungen erheblich gesteigert bisher bekanntgeworden, um das Eindiffundieren von

werden kann. Bor zu erreichen, nämlich 1. die elektrolytische Be-

Eine weitgehende Anwendung von Titan und 45 handlung in geschmolzenem Borax und 2. die Be-

Titanlegierungen wird bis jetzt unter anderem da- handlung mit elementarem Bor oder Pulver-

durch verhindert, daß keine für die Praxis geeigneten gemischen, die elementares Bor enthalten. Bei der

Verfahren bekannt sind, die Härte und Verschleiß- elekt'olytischen Behandlung in geschmolzenem

festigkeit der Oberfläche von Werkstücken aus Titan Borax entstehen unabhängig von den Versuchsbedin-

zu erhöhen ohne gleichzeitig die positiven Eigen- 50 gungen, d. h der Behandlungsdauer, der Temperatur,

schäften des Titans (d. h. sein hohes Festigkeits-Ge- der Badspannung und der Stromdichte, entweder

wichts-Verhältnis, seine gute Zähigkeit und seine reine Oxydschichten oder Doppelschichten aus einer

guten Korrosionseigenschaften) zu beeinträchtigen. inneren Oxydzone und einer äußeren kaum haften-

Es sind zwar verschiedene Methoden und Verfah- den Boridzone. Auch bei dieser Arbeitsweise ent-

ren zur Oberflächenhärtung von Titan bekanntgswor- 55 stehen also entweder sehr spröde Schichten (reine

den, die aber alle nicht vollständig befriedigen. So ist Oxydschichten) oder aber nur schlecht haftende

es beispielsweise bisher nicht gelungen, gut haftende, dünne Boridschichten.

die Oberflächenhärte erhöhende metallische Über- Bei der Behandlung von Werkstücken aus Titan züge durch Elektrolyse zu erzeugen, wobei ange- oder Titanlegierungen in elementarem Bor oder nommen werden kann, daß die Stabilität der auf- 60 Pulvergemischen, die elementares Bor enthalten, wird tretenden Oxydschichten eine ausreichende Haftung der Oberflächenschutz durch eine Diffusion aus fester verhindert. Auch Versuche, durch Eindiffundieren Phase erreicht. Als .Pulvergemische hat man bisher von Metallen eine Oberflächenhärtung des Titans Mischungen aus etwa 84°/o Borkarbid und 16°/o und seiner Legierungen vorzunehmen, sind nicht er- Borax verwendet. Die Behandlung wurde bei Temfolgreich gewesen, und zwar wegen der Neigung des 65 ppraturen zwischen 1100 und 1500° C unter Wasser-Titans, mit den meisten Metallen spröde inter- stoff vorgenommen; bei einer Behandlungsdauer von metallische Verbindungen zu bilden. Auch das Ein- bis zu 8 Stunden entstehen dann zwar sehr dünne diffundieren von Metalloiden und Nichtmetallen (mit aber auch sehr harte Oberflächenschichten. Wegen