DE1796215C - Pulverförmiges Bonerungsmittel für Stahl oder Eisenwerkstoffe - Google Patents

Description

förmigen Mitteln die Erzielung technisch brauchbarer Schichtdicken bei kürzeren Glühzeiten und/oder niedrigen Glühtemperaturen möglich machen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verwendung einer Gruppe von Verbindungen als Aktivatoren gelöst, durch die die vorstehend geschilderten Nachteile ausgeschaltet werden können. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gruppe von Verbindungen, die pulverförmigen Borierungsmitteln als Aklivatoren zugesetzt werden sollen, handelt es sich um Fluoroborate bzw. Borfluoride.

Die Verwendung von Fluoroboraten ist zwar aus der Borierung in der flüssigen Phase, z. B. in Salzbädern, bekannt, jedoch sind die Verhaltensweise und die Wirkungsweise der Fluoroborate bei diesen Verfahren völlig anders. Bei der Borierung in Salzbädern bestehen letztere aus Salzen bzw. Salzgemischen, die bei der vorgeschlagenen Behandlungstemperavu"· flüssig sind und in denen elementares Bor gelöst bzw. dispergiert werden kann. Bei dem Salz welches in geschmolzenem Zustand als Lösungsmittel für elementares Bor dient, kann es sich beispielsweise auch um Fluoroborate handeln. Abgesehen von den grundsätzlichen Unterschieden bei ilen beiden Verfahren, d. h. der Borierung mit Salzschmelzen, in d:nen Bor gelöst ist, und der Borierung mit pulverförmigen Borierungsmitteln, denen jetzt erfindungsgemäß Fluoroborate als Aktivatoren zugesetzt werden sol'en, ist auch die Wirkungsweise der Fluoroborate bei den beiden genannten Verfahren völlig unterschiedlich. S^ wirkt sich beispielsweise im Fall der Verwendung der Fluoroborate als Lösungsmittel deren hoi_vj Zerfallgeschwindigkeit sehr störend aus. Bei dem Borieren mit pulverförmigen Borierungsmitteln ist es aber, wie jetzt gefunden wurde, gerade der schnelle Zerfall der Fluoroborate, der sie als Aktivatoren für dieses Verfahren wertvoll macht. Bei dieser Arbeitsweise kommt es nämlich entscheidend darauf an, daß die Reaktion möglichst schnell in Gang gesetzt wird. Die Verwendung der Fluoroborate als Aktivatoren für pulverförmige Boriermittel ist daher als völlig neuartig anzusehen und führt, wie aus dem Folgenden noch deutlich werden wird, zu erheblichen, nicht vorhersehbaren Vorteilen.

Die Erfindung betrifft nun ein pulverförmiges Borierungsmittel für Stahl oder Eisenwerkstoffe, bestehend aus Ferrobor, amorphem Bor, Borcaibid und/oder Borax einzeln oder im Gemisch, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Borierungsmitiel Fluoroborate als Aktivatoren enthält.

Das mit Fluoroboraten aktivierte Borierungsmittel kann gegebenenfalls als Streckmittel Aluminiumoxyd enthalten, wodurch ein Zusammenbacken des Pulvers verhindert werden soll.

Die im Borierungsmittel vorhandenen Aktivatoren bestehen vorzugsweise aus Natrium-, Kalium- oder Ammoniumfiuoroborat.

Der Aktivator ist dabei im Borierungsmittel in Mengen von 1 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise 5 Gewichtsprozent (bezogen auf das Borierungsmittel") enthalten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Borierungsmittel, das zum Borieren von Stahl oder Eisenwerkstoffen hervorragend geeignet ist, aus 75 bis 85 Gewichtsprozent, vorzugsweise 79 Gewichtsprozent Borcarbid, iö bis 20 Gewichtsprozent, vorzugssveise 16 Gewichtsprozent Borax, und 1 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise 5 Gewichtsprozent Fluoroborat als Aktivator.

ίο Durch die erfindungsgemäße Verwendung der Fluoroborate als Aktivatoren in pulverförmigen Boriermitteln läßt sich bei allen bisher bekannten Verfahren (die mit pulverförmigen Boriermitteln arbeiten) die Schichtdicke im Vergleich zur Schichtdicke, die mit nichtaktivierten Borierrnitteln erzielbar ist. wesentlich erhöhen; andererseits ist es möglich, eine gleich starke Boridschicht in erheblich kürzerer Zeit oder bei niedrigerer Boriertemperatur zu erzeugen. Die erfindungsgemäßen Aktivatoren, d. h. die Fluoroborate, ergeben in pulvrigen Boncrrnittcln auch eine stärkere Aktivierung als bisher bekanntgewordene Aktivatoren, z. B. Ammoniumchlorid.

Die Wirkung des Aktivators ist von dem verwendeten Boriermittel abhängig. Wie jetzt festgestellt werden konnte, ist die Wirkung am stärksten in Ferrobor und Borcarbid-Borax-Gemischen, während sie bei amorphem Bor und Gemischen, die amorphes Bor enthalten, weniger stark aber 'mmer noch besser als die bekannter Aktivatoren ist.

Grundsätzlich lassen sich die verschiedensten Fluoroborate verwenden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß Alkalifluoroborate wie Natriumfluoroborat, NaBF₄, oder Kaliumfluoroborat, KBF₄, und Ammoniumfluoroborat, (NH₄)BF₄, besser geeignet sind als Erdalkali- und Schwernietallfluoroborate.

Das folgende Ausführungsbeispiel dient zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel

Zu Vergleichszwecken wurde zunächst die Borierung eines Stahles mit geringem Kohlenstoffgehalt in einem Gemisch aus 84 Gewichtsprozent Borcarbid, B₄C, und 16 Gewichtsprozent Borax, Na₂B₄O₇, durchgeführt. Wird ein Werkstück, beispielsweise aus Stahl, in diesem nichtaktivierten Gemisch 6 Stunden bei 1000° G behandelt, so entsteht eine sehr unregelmäßige Schicht, deren Stärke zwischen 0,060 und 0,180 mm schwankt.

Anschließend wurde eine weitere Borierung vorgenommen, wobei dasselbe Werkstück aus Stahl ebenfalls in einem Gemisch aus Borcarbid und Borax, welches jedoch mit Kaliumfluoroborat aktiviert worden war, behandelt \ -irde. Das aktivierte Boriermittel wies eine Zusammensetzung von 79 Gewichtsprozent B₄C, 16 Gewichtsprozent Na₂B₄O₇ und 5 Gewichtsprozent KBF₄ auf. Unter den gleichen Behandlungsbedingungen, wie vorstehend angegeben, bildete sich eine regelmäßige, 0,240 mm starke Schicht.

Mit Hilfe der Erfindung läßt sich also beim Borieren mit pulverförmigen Boriermitteln eine erhebliche und nicht vorhersehbare Verbesserung erzielen.

Claims (5)

man drei Möglichkeiten, nämlich das Borieren in Patentansprüche: Salzschmelzen mit und ohne Elektrolyse und in wäßrigen Lösungen unter Hochfrequenz-Erhitzung.

1. Pulverförmiges Borierungsmittel für Stahl Die ersten beiden Verfahren sind zwar sehr wirt- oder Eisenwerkstoffe, bestehend aus Ferrobor, 5 schaftlich, ihre Anwendbarkeit wird aber durch Entamorphem Bor. Borcarbid und/oder Borax ein- stehung einer schlecht abwaschbaren Schmelzschicht zein oder im Gemisch, dadurch gekenn- auf dem Werkstück, durch die unbefriedigende Temzeichnei, daß das Borierungsmittel Fluoro- peraturregelbarkeit, durch Korrosion der Tiegelborale als Aktivatoren enthält. materialien und durch Schattenwirkung (bei Anwen-

2. Pulverförmiges Borierungsmittel gemäß An- io dung der Elektrolyse) beeinträchtigt. Das dritte spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren, nämlich das Borieren in wäßrigen Lösün-Borierungsmittel Aluminiumoxyd als Streckmittel gen hat wiederum keine praktische Bedeutung enthält. erlangt, da wegen der Reaktivität vieler Borverbin-

3. Pulverförmiges Borierungsmittel gemäß An- düngen mit Wasser für diese Arbeitsweise nur Borax spruch 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß der 15 und Borsäureanhydrid in Frage kommen, mit diesen Aktivator aus Natrium-, Kalium- oder Ammo- Verbindungen jedoch kein Borpotential erzielt werniurnfluoroborut besteht. den konnte, das zum Eindiffundierep einer ausrei-

4. Barierungsmittel gemäß Anspruch 1 bis 3, chenden Bormenge in die Oberfläche genügt; infolgedadurch gekennzeichnet, daß der Aktivator in dessen kommt es nicht zur Ausbildung einer fest Mengen \on 1 bis 10 Gewichtsprozent, Vorzugs- 20 verankerten Verbindungsschicht auf dem Werkstück, weise 5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Borie- Beim Borieren mit festen Borierungsmiiteln hat rungsmittel, enthalten ist. man zunächst das sogenannte Pastenborieren angc-

5. Borierungsmitte! gemäß Anspruch 1 bis 4, wandt, bei welchem auf das Werkstück eine Pas e dadurch gekennzeichnet, daß dieses aus 75 bis aus Borkarbid, Kryolith (Na₃AIF₀) als Flußmittel 85 Gewichtsprozent, vorzugsweise 79 Gewichts- 25 und einem Bindemittel aufgetragen wird. Die aufprozent Borcarbid, 10 bis 20 Gewichtsprozent, getragene Paste wird zunächst getrocknet und dann vorzugsweise 16 Gewichtsprozent Borax und 1 im Hochfrequenz-Induktor erhitzt, beispielsweise etwa bis lOGesvichtsprozent, vorzugsweise 5 Gewichts- 3 Minuten auf 1200° C. Die Vorteile dieses Verfahprozent Fluoroborat als Aktivator besteht. rens bestehen in kürzeren Behandlungszeiten und der

30 Möglichkeit, partiell zu borieren; der wesentlichste Nachteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß

Pulverteilchen aus dem Borierungsmittel auf die

Oberfläche aufgeschweißt werden, was zu einer sehr schlechten Oberflächenbeschaffenheit führt.
35 VVeil alle vorstehend geschilderten Verfahren in

Dab Borieren ist ein Verfahren zur Oberfläche;'- der Praxis nicht voll befriedigt haben, hat man sich behandlung von Metallen, insbesondere Stahl, durch in neuerer Zeit mehr dem Borieren mit pulverförmiwe'ches Metalle mit harten verschleißfesten Ober- ^en Borierungsmitteln zugewandt, obwohl frühere flächenschichten versehen werden. Versuche auf diesem Gebiet ergeben hatten, daß auf

Das Borieren begegnet in der Praxis seit längerem 40 diesem Wege nur dünne poröse Schichten entstehen, größerem Interesse und es sind daher mehrere Versuche unter Verwendung von amorphem Bor Borierverfahren bekanntgeworden, die alle auf der allein oder im Gemisch mit Aluminiumoxyd als Basis chemischer oder elektromechanischer Reaktio- Streckmittel führten nur bei Verwendung vonSchutznen zwischen einem borabgebenden Medium und bzw. Aktivierungsgasen, z. B. Wasserstoff, oder im einem Metall, beispielsweise Eisen, bei Temperatu- 45 Vakuum zu Schichten ausreichender Stärke, die aber ren oberhalb etwa 600° C beruhen. Das borabgebende immer noch fehlerhaft waren. Außerdem mußte man Medium kann bei den verschiedenen Verfahren gas- sehr hohe Borierungstemperaturen und sehr lange förmig. flüssig oder fest sein. Borierungszeiten anwenden. Wegen des geringen ap-

Das Borieren in der gasförmigen Phase, d. h. mit pqrativen Aufwandes erschien das Verfahren trotzgasförmigen Borierungsmitteln, hat sich aus wirt- 50 dem interessint.

schaftlichen und technischen Gründen bisher nur in Fs ist zur Verbesserung der Borierungsverfahren

Einzelfällen durchsetzen können. Als gasförmige bor- mit pulverförmigen Borierungsmitteln auch schon abgebende Mittel können Borhalogenide, Diboran vorgeschlagen worden, die pulverförmigen Boriesowie bestimmte anorganische und organische Bor- rungsmittel in Verbindung mit einem Aktivator zu verbindungen wie BCl.,, BBr₃, (CHJ₃B und (C₂H₅)_;!B 55 verwenden. So ist es beispielsweise bekannt, daß verwendet werden, und zwar sowohl in reiner Form amorphes Bor durch Ammoniumchlorid aktiviert als auch in starker Verdünnung mit Wasserstoff. Ab- werden kann. Aber selbst nach der Aktivierung gesehen davon, daß alle gasförmigen Borierungs- waren noch sehr lange Echandlungszeiten bei hohen mittel außerordentlich kostspielig sind, wird ihre Temperaturen erforderlich, um ausreichende Schicht-Handhabung in Einzelfällen, z. B. beim Diboran, 60 dicken zu erzielen. Es kann also· auch bezüglich der durch ihre hohe Giftigkeit weiter erschwert. Die er- Borierung mit pulverförmigen Boriermitteln festgezeugten harten Oberflächenschichten sind häufig stellt werden, daß diese Verfahren in wirtschaftlicher löcherig und enthalten erhebliche Mengen an Korro- und technischer Hinsicht wegen der hohen Glühsionsprodukten. Ganz allgemein kann gesagt werden, temperaturen und der langen Glühzeiten zur Erdaß die Borierungsverfahren mit gasförmigen Borie- 65 zielung brauchbarer Schichtdicken noch nicht voll rungsmitteln sich nicht bewährt haben und in der befriedigen.

Praxis infolgedessen keine Anwendung finden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Akti-

Beim Arbeiten mit flüssigen Borierungsmitteln hat vatoren zu finden, die bei der Borierung in pulver-