DE19701170A1 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung mittels elektrischer Entladung - Google Patents
Verfahren zur Oberflächenbehandlung mittels elektrischer EntladungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ablagerung eines
Materials mit sehr hoher Abriebfestigkeit und
Korrosionsbeständigkeit auf einem Metallmaterial oder einem
leitfähigen Keramikmaterial, wodurch auf diesem eine feste
Beschichtung erzeugt wird. Insbesondere betrifft die
Erfindung ein Oberflächenbehandlungsverfahren, um einer
Metallform, einem Werkzeug, Maschinenteilen und dergleichen
eine hohe Abriebfestigkeit und eine hohe
Korrosionsbeständigkeit zu verleihen.
Der Anmelder der vorliegenden Anmeldung beantragte
Patentschutz für ein Verfahren zur Erzielung der
Korrosionsfestigkeit und Abriebfestigkeit durch Beschichtung
einer Oberfläche eines Metallmaterials und dergleichen durch
Ablagerung unter Verwendung einer Bearbeitung mit
elektrischer Entladung, und ein derartiges Verfahren ist
bereits wohlbekannt. Die Hauptaspekte dieses konventionellen
Verfahrens sind folgende.
- (1) Bei einem Verfahren wird eine elektrische Entladung in einem Arbeitsfluid unter Verwendung einer Elektrode erzeugt, die dadurch hergestellt wird, daß Pulver aus WC und Co gemischt und verdichtet werden. Nachdem ein Beschichtungsmaterial auf einem Werkstück abgelagert wurde, wird erneut eine elektrische Entladung unter Verwendung einer anderen Elektrode erzeugt, beispielsweise einer Kupferelektrode oder einer Graphitelektrode, um das Beschichtungsmaterial zu schmelzen. Auf diese Weise wird dem Beschichtungsmaterial eine größere Härte und ein besseres Haftvermögen an dem Werkstück verliehen.
- (2) Bei einem anderen Verfahren zur Oberflächenbehandlung mittels einer elektrischen Entladung wird eine Elektrode durch Verdichtung von Titan (Ti) hergestellt. In einer elektrischen Entladung unter Verwendung dieser Elektrode reagiert Ti pyrochemisch mit Kohlenstoff, welcher aus einem Arbeitsfluid entsteht, welches thermisch zerlegt wird. Dann entsteht aus Ti TiC (Titankarbid), ein Material mit sehr großer Härte, und dies wird auf einem Werkstück oder einem Basismetall abgelagert, um darauf eine Beschichtung zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Metall wie Co (Kobalt), welches als Bindemittel dienen kann, dem Ti als verdichtetes Elektrodenmaterial hinzugefügt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und die Fig. 2a und 2b wird
nachstehend ein konventionelles
Oberflächenbehandlungsverfahren beschrieben. In Fig. 1 zeigt
der Schritt S1 eine primäre Bearbeitung, und der Schritt S2
eine sekundäre Bearbeitung. Fig. 2a zeigt die primäre
Bearbeitung S1, und Fig. 2b die sekundäre Bearbeitung S2.
Bei der primären Bearbeitung S1 wird eine Bearbeitung mit
elektrischer Entladung zwischen einem Grünkörper aus einer
kompakten Elektrode 13v aus einer Mischung aus WC-Co
(Wolframkarbidkobalt) und einem Werkstück 15 (einem
Basismaterial S50C) in einem Arbeitsfluid durchgeführt,
wodurch WC-Co auf dem Werkstück 15 abgelagert wird. Hierbei
wird die Grünkörper-Kompaktelektrode 13 mit einem Vorderende
einer Kupferelektrode 11 verbunden, um eine
Entladungselektrode 10 auszubilden. Dann wird bei der
sekundären Bearbeitung S2 die abgelagerte Schicht 17 aus
WC-Co durch eine weitere Bearbeitung mit elektrischer
Entladung umgeschmolzen, unter Verwendung einer sich nicht
verbrauchenden Elektrode 21, die verschleißarm ist,
beispielsweise einer Kupferelektrode.
Der Aufbau der Beschichtungsschicht 17, die durch die
Ablagerung bei der primären Bearbeitung S1 erzielt wird,
weist eine Härte von etwa Hv=1410 auf, und enthält zahlreiche
Leerstellen. Allerdings verschwinden beim Umschmelzen bei der
sekundären Bearbeitung S2 die Leerräume in der
Beschichtungsschicht 17, und wird die Härte verbessert bis zu
Hv=1750 (vgl. die Fig. 3a bis 3c).
Bei den voranstehend geschilderten Verfahren werden die
Beschichtungspulver auf Stahl sehr gut mit hohem Haftvermögen
abgelagert. Hierbei ergibt sich eine Härte, die etwa 50%
höher ist als die eines gesinterten Hartmetalls aus WC+Co
oder TiC+Co mit denselben Bestandteilen. Die Härte eines
üblichen Hartmetallwerkzeugs aus WC70+Co30 beträgt
beispielsweise Hv=850-950. Wird andererseits ein derartiges
Hartmetall derselben Zusammensetzung einer
Oberflächenbehandlung mit einer elektrischen Entladung
unterzogen, so weist es eine Härte von Hv=1710 nach der
sekundären Bearbeitung auf.
Allerdings ist es bei dem konventionellen Verfahren
schwierig, die Beschichtungsschicht so auszubilden, daß sie
gut an der Oberfläche eines gesinterten Materials anhaftet,
beispielsweise bei einer Hartmetallverbindung. Darüber hinaus
ist die Haftfestigkeit der Beschichtungsschicht äußerst
ungleichförmig.
Die Beschichtungsschicht haftet daher gut an einer
Stahloberfläche an, jedoch kaum an einer Hartmetalloberfläche
oder dergleichen, bei den bekannten Verfahren. Dies liegt an
folgendem. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen,
daß die Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung eine
Beschichtung unter Ablagerung von Ti und seinen Mischungen
betreffen, so daß bezüglich Ti beschrieben wird, warum
derartige Effekte auftreten.
Ti ist ein Metall, dessen Schmelzpunkt 1800°C beträgt, und
dessen Siedepunkt 3000°C oder mehr. Ti ist mit einem dünnen
und kompakten Oxidfilm (Ti-O₂) beschichtet, wenn es der Luft
ausgesetzt wurde, bei Normaltemperatur, und ist chemisch
stabil. Dies ist so ähnlich wie bei Aluminium, welches mit
einem kompakten Oxidfilm aus Al₂O₃ bedeckt ist. Wenn Ti-Pulver
zu einer Elektrode verdichtet werden, zur Verwendung bei der
Bearbeitung mittels elektrischer Entladung (Grünkörper-
Kompaktelektrode), tritt folgender Effekt auf:
Wenn eine elektrische Entladung zwischen einer
Elektrodenoberfläche und einer Werkstückoberfläche erzeugt
wird, wird dort der Entladungspunkt zu einem Schmelzpunkt des
Materials. Gleichzeitig wird das Arbeitsfluid (Mineralöl)
explosiv zersetzt, infolge der Verdampfungswärme. Dann wird
das Material an dem Entladungspunkt gestreut, da es sich auf
hoher Temperatur befindet. Das gestreute Material trifft auf
eine Gegenelektrode auf, nämlich die zu bearbeitende
Werkstückoberfläche. Normalerweise werden etwa 50% des
auftreffenden Materials auf der Werkstückoberfläche
abgelagert.
Es kann eine elektrische Entladung erzeugt werden, obwohl Ti
unter Luft einen dünnen Oxidfilm aufweist. Dies liegt daran,
daß der Oxidfilm sehr dünn ist, und hierbei einfach ein
dielektrischer Durchbruch hervorgerufen werden kann. Die
elektrische Entladung wird nämlich durch den dielektrischen
Durchbruch erzeugt. Wenn dann die Spannung hoch ist, oder die
Entfernung zwischen den Elektroden (Entladungselektroden und
Werkstück) kurz ist, so wird der Potentialgradient (V/cm)
zwischen den Elektroden hoch, so daß ein dielektrischer
Durchbruch erzeugt wird, wodurch die elektrische Entladung
erzeugt wird.
Dieser Effekt läßt sich unter Berücksichtigung der Tatsache
verstehen, daß eine Coronaentladung an einer
Hochspannungsübertragungsleitung erzeugt wird, oder daß ein
Tunnelstrom durch einen dünnen Oxidfilm fließt. Wenn
allerdings die Entfernung zwischen den Elektroden verkürzt
wird, um den Potentialgradienten zu erhöhen, tritt eine
elektrische Entladung auf, und sammelt sich geschmolzenes
Metall auf der Elektrode infolge des Entladungsdrucks an.
Wenn das anschwellende Metall auf einer Elektrode die
gegenüberliegende andere Elektrode berührt, bevor es sich von
der einen Elektrode abtrennt, so entsteht ein Kurzschluß
zwischen den Elektroden, und bricht die elektrische Entladung
zusammen. Kurz ausgedrückt wird die elektrische Entladung
instabil. Die Anmelder haben bereits festgestellt, daß bei
einer Ti-Elektrode oder der Ti-Grünkörper-Kompaktelektrode
die elektrische Entladung instabil ist.
Das heiße Titan reagiert chemisch mit Kohlenstoff, der aus
dem zersetzten Arbeitsfluid erzeugt wird, während Ti auf das
Werkstück auftrifft, und bis die Werkstückoberfläche mit dem
auftreffenden Ti bedeckt ist, und die erste Beschichtung mit
dem dann auftreffenden Ti bedeckt wird. Ein gewisser Anteil
wird hierbei zu TiC. Wenn das Werkstück aus einem Material
besteht, welches mit Ti gut legiert werden kann,
beispielsweise Stahl, und wenn sein Schmelzpunkt im Vergleich
zu einem harten Metall und dergleichen relativ niedrig ist,
wird Ti gut in das Basismetall (Werkstück) eingeschmolzen,
oder auf dem Basismaterial abgelagert, während es daran
anhaftet, nach dem Auftreffen. Beispielsweise weist Stahl
einen Schmelzpunkt von 1560°C und einen Siedepunkt von
2500°C auf.
Wenn die sekundäre Bearbeitung auf der Beschichtung
durchgeführt wird, die durch Ablagerung mit derselben
Elektrode oder einer unterschiedlichen Elektrode erhalten
wird, während die Elektrodenpolarität oder die Bedingungen
für die elektrische Entladung geändert werden, werden die
durch die erste Ablagerung erzeugten Leerräume zerstört und
verschwinden durch Umschmelzung. Daher ist es möglich, eine
abgelagerte Schicht oder eine Beschichtung mit hoher Dichte
zur Verfügung zu stellen. Dies ist in der früheren Anmeldung
der vorliegenden Anmelder beschrieben. Die Fig. 3a bis 3c
sind Mikroskopaufnahmen, die den Aufbau der abgelagerten
Schicht zeigen, die sich bei der primären Bearbeitung ergibt,
sowie den Aufbau, der sich nach der sekundären Bearbeitung
einstellt.
Wenn das Werkstück jedoch ein hartes Metall (eine
Sinterlegierung aus WC+Co, WC+Co+Ti) oder dergleichen ist, so
kann die Beschichtung des Ti-Grünkörpers leicht von der
Werkstückoberfläche abgeschält werden, selbst wenn sie dort
abgelagert wurde. Ti lagert sich nämlich nur schwer auf dem
Werkstück ab. Man versteht diese Tatsache einfach, wenn man
das Schweißen von Metallmaterialien berücksichtigt. Stähle
können durch Lichtbogenschweißen geschweißt werden.
Andererseits können Hartmetalle durch Lichtbogenschweißung
nicht geschweißt werden. Weiterhin können Hartmetall und
Stahl durch Lichtbogenschweißen nicht geschweißt werden.
Wenn die Oberfläche des Stahls oxidiert ist, ist dessen
Lichtbogenschweißung unmöglich. Daher wird überlicherweise
ein Flußmittel bei einer Schweißelektrode oder einem
Schweißdraht verwendet, um die Oxidation zu verhindern.
Andererseits gibt es Materialien wie Aluminium, welche im
Normalzustand schwierig durch Lichtbogenschweißen geschweißt
werden können, obwohl der Schmelzpunkt niedrig ist. Dies
liegt daran, daß die Oberfläche von Aluminium immer mit einem
dünnen und kompakten Film aus Aluminiumoxid in Gegenwart von
Luft bedeckt ist. Es ist bekannt, daß Aluminium geschweißt
werden kann, wenn der Oxidfilm durch Ultraschallschwingungen
und dergleichen zerstört wird.
Der Grund dafür, daß Ti der Grünkörper-Kompaktelektrode,
welches auf das Werkstück auftrifft, nicht auf der Oberfläche
eines Hartmetalls abgelagert wird, wird nachstehend unter
Berücksichtigung der voranstehend geschilderten Effekte beim
Schweißen erläutert. Es wird angenommen, daß infolge der
Tatsache, daß die Oberfläche von Ti-Pulvern mit einem dünnen
Oxidfilm (TiO₂) bedeckt ist, dieser Film verhindert, daß die
abgelagerte Schicht an dem Werkstück haftet. Je kleiner
nämlich die Abmessungen des Ti-Pulvers sind, desto größer ist
das Verhältnis der Oberfläche des Pulvers im Vergleich zum
Volumen des Pulvers. Daher nimmt der Anteil des Oxids auf der
Pulveroberfläche zu.
Ein ähnliches Phänomen tritt auf, wenn die Größe einer
oxidierten Oberfläche zunimmt, oder ein an dem Werkstück
haftendes Oxid beim Schweißen einen großen Einfluß hat. Diese
Tatsache läßt sich folgendermaßen erklären.
Das Verhältnis der Pulveroberflächenfläche zum Pulvervolumen
ist nachstehend angegeben.
- (1) Wenn angenommen wird, daß das Pulver kugelförmig ist:
Oberflächenfläche: S = π · d²
Pulvervolumen: V = π · d³/6
(wobei d der Durchmesser des Pulvers ist)
Verhältnis der Oberflächenfläche zum Volumen:
S/V = 6/d. - (2) Nimmt man an, daß das Pulver würfelförmig ist:
Oberflächenfläche: S = 6 · d²
Pulvervolumen: V = d³
(wobei d die Länge einer Seite ist)
Verhältnis der Oberflächenfläche zum Volumen:
S/V = 6/d.
Aus den voranstehenden Überlegungen ergibt sich, daß bei
geringeren Abmessungen des Pulvers das Verhältnis der
Oberflächenfläche zum Volumen zunimmt. Wenn daher die
Pulveroberfläche eng mit einem Oxidfilm und dergleichen
bedeckt ist, wird die Verarbeitung desto stärker durch den
Oxidfilm beeinflußt, desto kleiner die Abmessungen des
Pulvers sind.
Zusätzlich wird angenommen, daß der hohe Schmelzpunkt des
Hartmetalls das Schweißen erschwert. Dies liegt daran, daß
der hohe Schmelzpunkt dazu führt, daß ein geschmolzener
Abschnitt des Hartmetalls beim Schweißen nur schwer fließt.
Im Gegensatz hierzu kann ein geschmolzener Abschnitt eines
Stahls beim Schweißen leicht fließen.
Berücksichtigt man, daß die Oxidschicht auf der
Pulveroberfläche die abgelagerte Schicht daran hindert,
verschmolzen zu werden und an dem Werkstück anzuhaften, so
werden die komprimierten Pulver durch Oxid leicht beeinflußt,
und wird dieser Einfluß des Oxids größer, wenn die
Pulverabmessungen kleiner werden. Im Vergleich hierzu ist im
Falle einer Festkörper-Titanelektrode das Verhältnis einer
Oxidschicht zur Oberfläche klein. Daher ist es möglich, die
Oberfläche mit einer Metall-Ti-Elektrode zu beschichten,
obwohl dies wenig effizient ist.
Ti lagert sich auf dem Werkstück im Fall einer Festkörper-Ti-
Elektrode relativ gut ab. Ti lagert sich auch dann gut ab,
wenn die Elektrode gesintert oder zeitweilig gesintert wurde,
in einem Vakuumofen oder dergleichen. Allerdings ist das
Ausmaß der Ablagerung (die Dicke) bei der Ti-
Feststoffelektrode oder der Ti-Sinterelektrode gering, und
ist in diesen Fällen die Haftfestigkeit geringer, verglichen
mit einer Grünkörper-Kompaktelektrode aus TiH₂, die später
beschrieben wird. Es wird nämlich angenommen, daß ein
Störfaktor infolge des Oxids unberücksichtigt bleibt.
Wie aus der voranstehenden Beschreibung deutlich wird, ist
bei dem konventionellen Oberflächenbehandlungsverfahren unter
Verwendung einer elektrischen Entladung der Materialpulver
der Grünkörper-Kompaktelektrode aus Ti und dergleichen eng
mit dem Oxidfilm bedeckt (TiO₂). Daraus wird verständlich,
daß selbst dann, wenn Sauerstoff teilweise von der
Pulveroberfläche bei der elektrischen Entladung freigegeben
wird, der Oxidfilm immer noch verhindert, daß das
Pulvermetall, welches die Elektrode ausbildet, auf der
Werkstückoberfläche abgelagert wird, und mit dem
Werkstückmetall verschmilzt. Darüber ist die Temperatur der
thermischen Zersetzung von TiO₂ sehr hoch (1800°C). Wenn das
Metallpulver der Elektrode daher infolge des Drucks der
elektrischen Entladung gestreut wird, treffen viele
Pulverteilchen auf die Werkstückoberfläche in Form von TiO₂
auf. Darüber hinaus ist es erforderlich, den Spalt zwischen
den Elektroden zur Erzeugung der elektrischen Entladung enger
auszubilden, da der Oxidfilm die Erzeugung der elektrischen
Entladung erschwert. Daher treten bei dem
Oberflächenbehandlungsvorgang Kurzschlüsse auf. Aus diesem
Grund beeinträchtigt der Oxidfilm die Werkstückoberfläche,
und beeinflußt den Wirkungsgrad der Bearbeitung.
Ein Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines
Oberflächenbehandlungsverfahrens durch Bearbeitung mittels
elektrischer Entladung, bei welchem Materialpulver gut auf
einem Werkstück wie einem gesinterten Hartmetall mit hoher
Haftfestigkeit abgelagert werden können, Kurzschlüsse während
der Bearbeitung verhindert werden können, der Wirkungsgrad
verbessert werden kann, und eine gleichmäßige und gut
aussehende Endbearbeitungsoberfläche zur Verfügung gestellt
werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
ein Oberflächenbehandlungsverfahren mittels elektrischer
Entladung zur Verfügung gestellt. Bei diesem Verfahren wird
eine Entladungselektrode so angeordnet, daß sie einem
Werkstück gegenüberliegt. Die Entladungselektrode wird durch
Bearbeitung von Metallpulvern hergestellt, die zumindest
Pulver aus einem Metallhydrid enthalten. Dann wird eine
elektrische Entladung zwischen der Entladungselektrode und
dem Werkstück in einem Arbeitsfluid erzeugt, welches
Kohlenstoff enthält. Daher wird eine Beschichtungsschicht,
die Hydrid enthält, auf einer Oberfläche des Werkstücks
erzeugt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus
welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben. Es zeigt:
Fig. 1 ein Flußdiagramm eines konventionellen
Oberflächenbehandlungsverfahrens unter
Verwendung einer Grünkörper-Kompaktelektrode aus
einer Mischung aus WC+Co;
Fig. 2 eine erläuternde Ansicht des Grundprinzips der
Primärbearbeitung von Fig. 1;
Fig. 2a eine erläuterende Ansicht des Grundprinzips
einer sekundären Bearbeitung von Fig. 1;
Fig. 3a eine Mikroskopaufnahme eines Schnitts einer
bearbeiteten Schicht eines Werkstücks nach der
Primärbearbeitung von Fig. 1;
Fig. 3b eine Mikroskopaufnahme eines Schnitts einer
bearbeiteten Schicht eines Werkstücks nach der
sekundären Bearbeitung von Fig. 1;
Fig. 3c eine vergrößerte Mikroskopaufnahme von Fig. 3b;
und
Fig. 4 Diagramme zum Vergleich der Ergebnisse von
Abriebversuchen, die bei Oberflächen
durchgeführt wurden, die mit dem
erfindungsgemäßen
Oberflächenbehandlungsverfahren bzw. einem
konventionellen Behandlungsverfahren hergestellt
wurden.
Die erste Ausführungsform eines
Oberflächenbehandlungsverfahrens gemäß der Erfindung
verwendet eine TiH₂-Grünkörper-Kompaktelektrode für die
Bearbeitung mittels einer elektrischen Entladung. Die TiH₂-
Grünkörper-Kompaktelektrode wird durch Verdichtung von Pulver
aus TiH₂ hergestellt, welches eine vorbestimmte Korngröße
aufweist, bei einem vorbestimmten Druck. Die Grünkörper-
Kompaktelektrode wird normalerweise scheibenförmig mit festem
Durchmesser und fester Dicke ausgebildet. Dann wird der
scheibenförmige kompakte Grünkörper mit dem Vorderende einer
Metallfestkörperelektrode verbunden, beispielsweise einer
Kupferstange, über einen leitfähigen Kleber. Hierdurch wird
eine elektrische Entladungselektrode aus TiH₂ erhalten. Die
TiH₂-Grünkörper-Kompaktelektrode wird zur
Oberflächenbehandlung eines vorbestimmten Hartmetalls als
Werkstück verwendet. Bei dieser Behandlung wird eine
elektrische Entladung in einem Arbeitsfluid zwischen der
TiH₂-Grünkörper-Kompaktelektrode und dem Hartmetall unter
festen Bedingungen hergestellt. Das Arbeitsfluid enthält
Kohlenstoff oder ein Polymermaterial, welches sich thermisch
zersetzt, so daß Kohlenstoff erzeugt wird. Im einzelnen
besteht das Polymermaterial aus Mineralöl und Fett oder einem
Pflanzenöl und Fett. Diese Verarbeitung entspricht der
primären Bearbeitung der konventionellen
Oberflächenbehandlung, die im Schritt S1 von Fig. 1 gezeigt
ist, obwohl die Bearbeitungsbedingungen unterschiedlich sind.
Charakteristische Funktionen und Effekte des
erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsverfahrens werden
nachstehend beschrieben, wobei ein TiH₂-Kompakt-Grünkörper
als Elektrode verwendet wird.
Wasserstoff beginnt sich von TiH₂ bei einer Temperatur von
300°C oder mehr abzutrennen. Man nimmt an, daß die
Oberfläche des Werkstück am Entladungspunkt während der
elektrischen Entladung auf dem Siedepunkt gehalten wird, und
daß dieser Zustand normalerweise über einen Zeitraum von
0,1 bis 1000 Mikrosekunden andauert. Dann ist TiH₂
vollständig zersetzt.
Zu diesem Zeitpunkt zeigen Ti und der zersetzte Wasserstoff
eine sehr aktive chemische Reaktion. Eine
Wasserstoffverbindung wie TiH₂ ist nämlich instabil und
reagiert mit hoher Aktivität. Man weiß dies aufgrund
allgemeiner Kenntnisse über chemische Reaktionen.
Genauer gesagt ist Oxid oder dergleichen selbst auf der
Oberfläche eines Hartmetalls und von Stahl und dergleichen
vorhanden, obwohl es hier möglicherweise nicht fest anhaftet.
Der Wasserstoff im entstehenden Zustand trifft dann auf die
Werkstückoberfläche auf, und entfernt oder reinigt einen
Oxidfilm und dergleichen, der auf der Werkstückoberfläche
vorhanden ist.
Weiterhin trifft Ti, welches nicht mit Oxid bedeckt ist, und
seine hohe Aktivität beibehält, auf die Werkstückoberfläche
auf, so daß Ti auf dem Werkstück mit hoher Haftfestigkeit
abgelagert werden kann. Darüber hinaus ist TiH₂ an sich
zerbrechlich, so daß es in kleine Teilchen aufgebrochen wird,
wenn die elektrische Entladung erzeugt wird, und kleiner wird
als den ursprünglichen Kornabmessungen von TiH₂ entspricht.
Daher verbessert TiH₂ die Oberflächenrauhigkeit der
festgestellten Oberfläche des Werkstücks, und macht sie
glatter als dann, wenn sie mit dem konventionellen kompakten
Grünkörper aus WC-Co erhalten wird, wenn die Bearbeitung
unter denselben elektrischen Bedingungen durchgeführt wird.
Bei der konventionellen Elektrode beträgt die
Oberflächenrauhigkeit Rmax 30-40 µm. Im Gegensatz hierzu
beträgt bei der erfindungsgemäßen Elektrode die
Oberflächenrauhigkeit 6-12 µm Rmax.
Weiterhin wird eine Oberfläche des Werkstücks am Anfang durch
Wasserstoff im entstehenden Zustand gereinigt, und dann
werden die TiH₂-Pulver auf dieser sauberen
Werkstückmetalloberfläche abgelagert. Nach dem ersten
Bearbeitungszyklus ist die gesamte Werkstückmetalloberfläche
mit Ti oder TiC beschichtet. Hierbei entsteht TiC durch
chemische Reaktion von Ti mit Kohlenstoff, der aus dem
zersetzten Öl stammt. Diese Ti- oder TiC-Oberfläche bildet
dann eine Werkstückoberfläche, die mit der folgenden
elektrischen Entladung bearbeitet werden soll. Dies bedeutet,
daß keine Teilchen vorhanden sind, die durch solches Ti
abgedeckt sind, welches TiO₂ enthält, anders als beim Stand
der Technik. Die durch die folgenden Beschichtungsschritte
erhaltenen, abgelagerten Schichten verbinden sich daher mit
der ersten Schicht unter sehr hoher Adhäsionskraft. Aufgrund
der voranstehenden Tatsachen zeigt die Beschichtungsschicht
bei der vorliegenden Ausführungsform eine extrem hohe
Adhäsion an dem harten Metall. Ein Abriebversuch beweist, daß
hierbei hervorragende Verschleißeigenschaften erzielt werden,
die bislang nicht erhalten wurden.
Es ist unmöglich, mit üblicher Lichtbogenschweißung
Hartmetalle zu schweißen. Bei der Bearbeitung mit einer
elektrischen Entladung erreicht allerdings der
Entladungspunkt den Siedepunkt des Hartmetallmaterials.
Darüber hinaus ist die Energiedichte 100mal höher als beim
Lichtbogenschweißen und dergleichen. Daher haftet die
Beschichtungsschicht fest selbst an dem Hartmetall, wenn wie
voranstehend geschildert die Metalloberfläche gereinigt wird.
Die Grünkörper-Kompaktelektrode aus TiH₂ wurde folgendermaßen
hergestellt. Zuerst wurden Pulver aus TiH₂ mit einer
Korngröße von 10 Mikrometer oder weniger unter einem Druck
von 11,4 Tonnen (etwa 6500 kg/cm²) zur Form einer Scheibe mit
einem Durchmesser von 15 mm und einer Dicke von etwa 5 mm
verdichtet. Die so erzeugte Grünling-Scheibe wurde mit einem
Ende einer Kupferstange über einen leitfähigen Kleber
verbunden, um eine Elektrode für eine elektrische Entladung
auszubilden. Als Werkstück wurde ein hartes Metall aus
WC+TiC+Co (GTi30, Mitsubishi Materials Inc.) verwendet.
Dann wurde eine elektrische Entladung zwischen der TiH₂-
Grünlingelektrode und dem Hartmetall unter den nachstehend
angegebenen Bedingungen erzeugt, wodurch eine abgelagerte
Schicht auf der Werkstückoberfläche hergestellt wurde. Die
Oberflächenbehandlung durch Bearbeitung mit elektrischer
Entladung wurde nur unter Einsatz der TiH₂-Grünlingelektrode
durchgeführt, was der primären Bearbeitung bei dem
konventionellen Verfahren entspricht.
- i) Bearbeitungsbedingungen:
Entladungsstrom: Ip = 3,5 A
Impulsbreite: τp = 32 µs
Bearbeitungszeitraum: 2 Minuten
Elektrodenpolarität: Minus (-) - ii) Härte, Rauhigkeit der festgestellten Oberfläche:
Vickershärte: Hv = 600 - 900 (Meßdruck: 10 g)
Dicke der abgelagerten Schicht: 13 µm
Rauhigkeit der festgestellten Oberfläche: 10 µm Rz - iii) Ergebnisse des Abriebversuchs
(Ohkoshi Stift-Scheiben-Verfahren):
Atmosphäre: Luftatmosphäre
Stiftform: Durchmesser 7,98 mm (0,5 cm²)
Andruckkraft: 0,5 kg
Druck: 1 kg/cm²
Reibungsgeschwindigkeit: 1 m/s
Scheibenmaterial: SKH-3.
Fig. 4 zeigt Ergebnisse des Reibungsverschleißversuches für
die Werkstückoberfläche, die gemäß dem ersten Beispiel für
das Oberflächenbehandlungsverfahren behandelt wurde, zusammen
mit verschiedenen Vergleichsbeispielen. Die Diagramme in
Fig. 4 zeigen Ergebnisse des Abriebversuchs nach einer
Bewegungsentfernung von 25 km.
Bei der Oberflächenbehandlung gemäß dem ersten Beispiel wurde
ein Abriebverlust von 0 mg bei dem Werkstück erzielt, wie
unter (6) und (7) von Fig. 4 gezeigt ist.
Abriebverluste für die Hartmetallmaterialien, die durch
andere Verfahren behandelt wurde, sind nachstehend angegeben,
zum Vergleich mit den Ergebnissen des Abriebversuchs gemäß
dem ersten Beispiel.
Der Abriebverlust eines Hartmetalls (GTi30) bei einer
geschliffenen Versuchtsoberfläche betrug 2,1 mg ((1) und (2)
von Fig. 1), wobei die durchgezogene Linie den Fall (1)
zeigt, und die gestrichelte Linie den Fall (2).
Abriebverluste des Hartmetalls bei einer Versuchsoberfläche,
die mit einer elektrischen Entladung unter Verwendung einer
Titanelektrode behandelt wurde, betrugen 0,7 bis 1,5 mg (in
Fig. 4: (3), (4) und (5)).
Abriebverluste des Hartmetalls bei einer Versuchsoberfläche,
die durch Ionenmischung von TiN+Ti₂N behandelt wurde
(Filmdicke 2 µm), betrugen 1,5 mg.
(Nachwort) Die Auflösung bei der Messung der Abriebverluste
beträgt annähernd 0,1 mg.
Die Härte von Hv=600-900, die bei dem ersten Beispiel erzielt
wurde, entspricht nur der Härte eines abgeschreckten Stahls
oder eines angelassenen Stahls. Allerdings ist die
Abriebfestigkeit sehr hoch. Andererseits ist die Härte des
Hartmetalls als Basismaterial hoch, etwa gleich Hv=1500-1800.
Allerdings tritt bei dem Hartmetall, dessen Oberfläche nur
geschliffen wird, ein Abrieb von 2,1 mg auf, wie voranstehend
bereits erwähnt.
- i) Es gibt keine genaue Erklärung des Mechanismus,
warum trotz der geringen Härte eine derartig hohe
Abriebfestigkeit erhalten werden kann. Allerdings haben die
Erfinder der vorliegenden Anmeldung folgende Vermutungen. Die
Oberfläche einer abgelagerten Schicht, die bei der
Bearbeitung unter einer elektrischen Entladung unter
Verwendung des Grünlings aus TiH₂ erhalten wird, besteht aus
Ti und TiC. Daher haftet die abgelagerte Schicht fest an der
Oberfläche des Hartmetalls als Basismetall an, ohne daß
dazwischen irgendein Oxid vorhanden ist.
Selbst die Oberfläche des Hartmetalls kann momentan durch die dort einwirkende elektrische Entladung ihren Schmelzpunkt erreichen, so daß abgelagertes Ti und TiC in das Basismetall hineindiffundieren und mit diesem verschmelzen können, jedenfalls in gewissem Ausmaß. Die abgelagerte Schicht besteht aus Ti und TiC, von der Innenoberfläche (einer Grenzfläche zum Basismetall) bis zur Außenoberfläche. In diesem Fall beträgt die Dicke der abgelagerten Schicht etwa 13 um. Die abgelagerte Schicht haftet fest an dem Basismetall an, da sie kein Oxid enthält. Der Ti-Anteil an der äußersten Oberfläche der abgelagerten Schicht wird an Luft oxidiert und wird zu TiO₂. Das Innere der abgelagerten Schicht bleibt jedoch Ti, welches aktiv ist.
Daher wird vermutet, daß nach dem Verschleiß der äußersten Schicht der abgelagerten Schicht und deren Entfernung durch das diese berührende Scheibenmaterial (SK-3) bei dem Abriebversuch das Scheibenmaterial wiederum entfernt wird, und in die Seite der abgelagerten Ti-Schicht einschmilzt. Dann bewegt sich das geschmolzene Scheibenmaterial und haftet an der Basismetalloberfläche an, die mit der Ti-Schicht beschichtet ist. Nach dem Verständnis der Erfinder haftet das transportierte Scheibenmaterial (SK-3) an der relativ weichen Ti-Oberfläche an und schützt diese, während das harte TiC auch auf der Oberfläche der abgelagerten Schicht zusammen mit dem Ti vorhanden ist. - ii) Bei der voranstehenden Untersuchung ist es erforderlich, Unterschiede zwischen der Adhäsion bei einer Oberflächenbehandlung mittels Elektroplattierung und der Adhäsion bei der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung logisch zu beschreiben, sowie Unterschiede zwischen dem Reinigungseffekt durch zersetzten Wasserstoff des Arbeitsfluids bei der elektrischen Entladung und des Reinigungseffekts durch den Wasserstoff aus dem TiH₂. Bei der Elektroplattierung wird ein Plattierungsmetall auf einer negativen Elektrode abgelagert. In diesem Fall sollte die Oberfläche der negativen Elektrode durch den Wasserstoff gereinigt werden, der erzeugt wird, wenn die Wasserlösung der Metallplattierung zersetzt wird. Allerdings ist die Adhäsion des Plattierungsmetalls an einem Basismetall nicht sehr hoch. Weiterhin ist bekannt, daß das Basismetall und die plattierte Oberfläche infolge Wasserstoffversprödung brüchig werden. Es läßt sich überlegen, daß das Plattierungsmetall nicht in das Basismetall eindiffundieren und mit diesem verschmelzen kann, da die Bearbeitung nicht unter hohem Druck und hoher Temperatur erfolgt, obwohl die plattierte Basismetalloberfläche gereinigt werden kann.
- iii) Falls Arbeitsöl durch die Bearbeitung unter einer elektrischen Entladung zersetzt wird, so wird offensichtlich die Oberfläche der negativen Elektrode durch den auftreffenden Wasserstoff gereinigt, da Kohlenstoff und Wasserstoff erzeugt werden, während der meiste Kohlenstoff auf der positiven Elektrode abgelagert wird.
Dieser Effekt ist nicht vernachlässigbar. Es ist wahr, daß
bei der Ablagerung der Metallpulver einer WC+Co-Elektrode auf
einer. Stahloberfläche die abgelagerte Schicht eine extrem
hohe Adhäsion aufweist. Allerdings wurde ein Versuch
unternommen, Pulver aus WC+Co auf einer Hartmetalloberfläche
abzulagern, jedoch ließ sich keine hohe Adhäsion erzielen.
Zwar wurde ein weiterer Versuch unternommen, Titanpulver auf
einem Stahlmaterial abzulagern, unter Verwendung einer
Grünling-Elektrode, die nur aus dem Titanpulver bestand. Es
ließen sich jedoch keine Bedingungen für eine gute Ablagerung
finden.
Aus den voranstehend geschilderten Versuchsergebnissen und
der Tatsache, daß die Metallpulver selbst dann nicht auf dem
Hartmetall abgelagert werden konnten, nachdem die
Metalloberfläche durch den Wasserstoff gereinigt wurde, der
bei der Bearbeitung mit elektrischer Entladung erzeugt wurde,
ergibt sich die Vermutung, daß eine reduzierende Reaktion bei
den Metallpulvern nicht möglich ist, deren Oberfläche von
einem Oxidfilm bedeckt ist, also etwa Titanpulver.
Es wurde eine elektrische Entladung zwischen einer Grünling-
Elektrode aus TiH₂ und einem Hartmetall als Werkstück
erzeugt, wobei einige Bedingungen unterschiedlich waren, die
nachstehend angegeben sind, wodurch eine abgelagerte
Beschichtungsschicht auf der Werkstückoberfläche ausgebildet
wurde. Die Grünling-Elektrode aus TiH₂ wurde aus TiH₂-Pulvern
auf dieselbe Weise wie beim ersten Beispiel hergestellt. Auch
das Hartmetall kann dasselbe wie bei dem ersten Beispiel
sein. Hierbei wurde die Oberflächenbehandlung durch die
elektrische Entladung nur mit der Grünling-Elektrode aus TiH₂
durchgeführt, was der primären Bearbeitung bei dem
konventionellen Verfahren entspricht.
Eine durch diese Bearbeitung erhaltene Beschichtungsschicht
wurde untersucht. Versuchsergebnisse sind nachstehend
angegeben, in Bezug auf solche Fälle, in welchen die
Bedingungen für die elektrische Entladung geändert wurden.
- (1) Falls die Elektrodenpolarität geändert wird:
- i) Grünling-Elektrodenpolarität: Minus (-)
Entladungsstrom: Ip = 10 A
Impulsbreite: τp = 32 µs
Bearbeitungszeitraum: 5 Minuten
Härte der bearbeiteten Oberfläche: Hv = 670-900
(Meßdruck: 10 g) - ii) Grünling-Elektrodenpolarität: Plus (+)
Elektrische Bedingungen: ebenso wie oben (i)
Härte der bearbeiteten Oberfläche: Hv = 1450-1550
(Meßdruck: 10 g).
- i) Grünling-Elektrodenpolarität: Minus (-)
Es wurde gezeigt, daß sich die Härte der bearbeiteten
Oberfläche entsprechend der Änderung der Polarität der
Elektrode ändert, wie aus den voranstehenden Fällen (1) und
(2) hervorgeht.
- (2) Für den Fall, daß der Strom der elektrischen Entladung
hoch ist, während seine Impulsbreite sehr klein ist.
Entladungsstrom: Ip = 45 A
Impulsbreite: τp = 0,5 µs
Bearbeitungszeitraum: 2 Minuten
Grünling-Elektrodenpolarität: Minus (-)
Härte der bearbeiteten Oberfläche: Hv = 2000-3000
(Meßdruck: 10 g)
Härte der bearbeiteten Oberfläche: Hv = 1300-2000
(Meßdruck: 50 g)
Dicke der abgelagerten Schicht: 2 µm
Rauhigkeit der fertigen Oberfläche: 6 µm Rz.
Bei kleinem Meßdruck war die Härte sehr groß. Andererseits
war die Härte relativ gering, oder war die bearbeitete
Oberfläche relativ weich, wenn der Meßdruck groß war. Dies
bedeutet, daß die abgelagerte Schicht so ausgebildet ist, daß
sie eine harte Oberfläche aufweist, während ihr Inneres
relativ weich ist. Die abgelagerte Schicht wies daher einen
Abfall der Härte auf. Offenbar stärkt ein derartiger Abfall
der Härte die abgelagerte Schicht gegen eine thermische
Expansion und Schockbeanspruchungen und dergleichen beim
Einsatz in der Praxis.
- (3) Angesichts der Versuchsergebnisse (1) und (2) gibt es offenbar verschiedene Arten und Weisen, die Oberfläche der abgelagerten Schicht sehr hart auszubilden, während die Schicht im Inneren allmählich weich ausgebildet wird, wodurch der Abfall der Härte in starkem Ausmaß erhöht wird. Eine Art und Weise besteht darin, die Bearbeitung mittels elektrischer Entladung in dem Zustand i) von (1) durchzuführen, und dann die nächste Bearbeitung mit elektrischer Entladung in dem Zustand (2) durchzuführen. Eine andere Art und Weise besteht darin, die Elektrodenpolarität zu ändern, beispielsweise von Minus (Zustand i) von (1)) auf Plus (Zustand ii) von (1)), oder so ähnlich.
Ein Stahl (SK-3) wurde als zu bearbeitendes Werkstück
benutzt. Die Oberfläche des Stahls wurde mit einer
Primärbearbeitung mittels elektrischer Entladung behandelt,
und mit einer sekundären Bearbeitung unter elektrischer
Entladung wie bei dem konventionellen Verfahren. Die bei
diesen beiden Bearbeitungen erhaltenen Beschichtungsschichten
wurde jeweils untersucht. Versuchsergebnisse sind nachstehend
angegeben.
- (1) Eine Oberflächenbehandlung wurde mit dem Stahl mittels
elektrischer Entladung unter Verwendung einer Grünling-
Elektrode aus TiH₂ durchgeführt, als Primärbearbeitung.
Die Grünling-Elektrode aus TiH₂ war dieselbe wie beim
ersten Beispiel. Auch die Bearbeitungsbedingungen waren
dieselben wie beim ersten Beispiel.
Entladungsstrom: Ip = 3,5 A
Impulsbreite: τp = 32 µs
Bearbeitungszeitraum: 5 Minuten
Härte der bearbeiteten Oberfläche: Hv = 900-1000
(Meßdruck: 10 g)
Dicke der abgelagerten Schicht: 47 µm
Abriebverlust nach Abriebversuch: 0 mg - (2) Nach der primären Bearbeitung unter den voranstehend
bei (1) angegebenen Bedingungen erfolgte die sekundäre
Bearbeitung bei dem Stahl (SK-3) unter Verwendung einer
Graphitelektrode. Die Bedingungen bei der sekundären
Bearbeitung waren folgende:
Entladungsstrom: Ip = 3,5 A
Impulsbreite: τp = 4 µs
Gearbeitungszeitraum: 5 Minuten
Graphitelektrodenpolarität: Minus (-)
Härte der bearbeiteten Oberfläche: Hv = 1600-1750.
Aus den voranstehenden Ergebnissen sieht man, daß die
sekundäre Bearbeitung die Härte der Werkstückoberfläche
extrem stark erhöht. Statt der Graphitelektrode kann bei der
sekundären Bearbeitung eine Kupferelektrode verwendet werden.
Bei Verwendung einer Kupferelektrode wurde die Härte der
Werkstückoberfläche in demselben Ausmaß erhöht.
Dies liegt daran, daß C (Kohlenstoff), der aus dem zersetzten
Arbeitsöl stammt, mit Ti-Resten in der Beschichtungsschicht
vereinigt wird, wodurch der Anteil an TiC vergrößert wird,
der in der Beschichtungsschicht vorhanden ist, obwohl neues
Ti oder TiC bei der Sekundärbearbeitung auf der
Werkstückoberfläche nicht abgelagert wird.
Die zweite Ausführungsform verwendet eine Grünling-Elektrode,
die durch Mischung von TiH₂ mit einem anderen Metall, Karbid,
Nitrid oder Borid hergestellt wird. Eine derartige Mischung
vergrößert den Bereich der voranstehend geschilderten,
hervorragenden Eigenschaften von TiH₂. Es wurde zahlreiche
Versuche durchgeführt, um verschiedene Grünling-Elektroden
herzustellen, durch Mischung der folgenden Substanzen mit den
TiH₂-Pulvern.
- (1) Metall, welches bei der Bearbeitung durch elektrische Entladung ein Karbid bilden kann (beispielsweise Ta, Nb, V, Zr)
- (2) Karbid (beispielsweise TiC, TaC, NbC, VC, BC, B₄C)
- (3) Nitrid (beispielsweise TiN, HBN, CBN)
- (4) Borid (beispielsweise TiB₂, Borsäure (H₂BO₃),
Borax (Na₂B₄O₇ · 10H₂O)) - (5) Yttriumoxid (Y₂O₃).
Als typische Beispiele für die voranstehend genannten
Substanzen wurden Versuche mit einer Elektrode aus einer
Mischung von TiH₂ und TiB₂ durchgeführt, einer Elektrode aus
einer Mischung von TiH₂ und TiN, und einer Elektrode aus
einer Mischung von TiH₂, TiB₂ und TiN, wie nachstehend
gezeigt. Bei den Versuchen wurde ein Hartmetall wie bei dem
ersten Beispiel als zu bearbeitendes Werkstück verwendet. Die
Oberfläche des Hartmetalls wurde durch eine primäre
Bearbeitung unter elektrischer Entladung wie beim ersten
Beispiel behandelt. Im übrigen wurde das Hartmetall weiter
durch eine sekundäre Bearbeitung mit elektrischer Entladung
behandelt, wie bei dem dritten Beispiel. Die in diesen zwei
Fällen erhaltenen Beschichtungsschichten wurde jeweils
untersucht. Versuchsergebnisse sind nachstehend als vierte
bis sechste Ausführungsform angegeben.
Hierbei stellte sich bei den Versuchen folgendes heraus. Nur
durch die primäre Bearbeitung übersteigt die Härte der
Werkstückoberfläche die Härte des Hartmetalls selbst.
Allerdings stellte sich heraus, daß die sekundäre Bearbeitung
unter Verwendung einer Graphitelektrode oder dergleichen die
Härte weiter verbesserte. Es kann gut sein, eine
Kupferelektrode, Wolframelektrode oder dergleichen statt der
Graphitelektrode zu verwenden. Bei der sekundären Bearbeitung
wies das bearbeitete Hartmetall einen Härteabfall in der
Hinsicht auf, daß die Härte an seiner Oberfläche die Hälfte
des Wertes für Diamant betrug (ebenso wie bei CBN, Hv = 5000
oder mehr), während das Innere weich wurde.
- (1) Eine Grünling-Elektrode aus TiH₂+TiB₂ wurde auf dieselbe
Weise hergestellt wie die Elektrode beim ersten Beispiel.
Wurde nur die primäre Bearbeitung unter Verwendung dieser
Elektrode eingesetzt, so erhielt man folgende Ergebnisse
unter den nachstehend angegebenen Bedingungen:
Elektrische Bedingungen: Ip = 5,5 A, τp = 32 µs
Bearbeitungszeitraum: 5 Minuten
Härte: Hv = 1850-2500 (Druck: 10 g)
Dicke: 24-28 µm
Härte: Hv = 1650-2500 (Druck: 50 g). - Als Ergebnis eines Abriebversuchs, der auf dieselbe Weise wie bei dem ersten Beispiel durchgeführt wurde, ergab sich ein Abriebverlust bei der Werkstückoberfläche von 0 mg.
- Zusätzlich wurde die voranstehend geschilderte Bearbeitung mittels elektrischer Entladung auf einer Schneidoberfläche und einer Vorderflanke einer harten Bohrschneide (Mitsubishi Materials Inc., Material UTi20) jeweils zwei Minuten lang durchgeführt. Dann wurde der Einsatz als Schneidwerkzeug dadurch untersucht, daß ein Schneidversuch unter Verwendung einer Drehbank unternommen wurde. Es zeigte sich, daß die bearbeitete Bohrschneide eine Lebensdauer aufwies, die 1,9 mal so groß war wie bei einer Bohrschneide ohne Bearbeitung mittels elektrischer Entladung, unter den nachstehend angegebenen Schneidbedingungen.
- Weiterhin wurde ein weiterer Versuch durchgeführt, bei
welchem die Bedingungen für die elektrische Entladung
folgendermaßen geändert wurden:
Elektrische Bedingung: Ip = 8 A, τp = 8 µs
Bearbeitungszeitraum: 5 Minuten. - Die so bearbeitete Bohrschneide wies eine Lebensdauer auf,
die das 2,8-fache der Lebensdauer einer Bohrschneide ohne
Bearbeitung mittels elektrischer Entladung betrug, unter den
nachstehend angegebenen Schneidbedingungen.
Schneidbedingungen:
Geschnittenes Material: S45C
Schneidtiefe: 0,5 mm
Vorschub: 0,3 mm/Umdrehung
Schneidgeschwindigkeit: 160 m/Minute
Trockenes Schneiden. - Beurteilung der Lebensdauer: Abriebbreite der Vorderflanke bei Schneidentfernung von 7 km (üblicherweise als VB bezeichnet).
- (2) Nach der primären Bearbeitung wurde die sekundäre
Bearbeitung durchgeführt, unter Verwendung der
Graphitelektrode über einen Zeitraum von fünf Minuten, unter
folgenden Bedingungen:
Elektrische Bedingung: Ip = 3,5 A, τp = 4 µs
Bearbeitungszeitraum: 5 Minuten
Grünling-Elektrodenpolarität: Minus (-)
Härte: Hv = 2100-5100 (Druck: 10 g)
Härte: Hv = 1500-3000 (Druck: 50 g)
Dicke: 32-36 µm. - Die Härte von Hv=5000 liegt am nächsten an der Diamanthärte von Hv=10000, und ist gleich der Härte von CBN, Hv=5000. In diesem Fall zeigt die Beschichtungsschicht ebenfalls eine abnehmende Härteverteilung, so daß die Beschichtungsschicht eine sehr harte Oberfläche aufweist, wogegen sie nach innen hin allmählich weicher wird. Die Beschichtungsschicht weist die Eigenschaften sowohl einer Oberflächenhärte als auch einer Zähigkeit auf, so daß sie sehr nützlich ist.
- (1) Primärbearbeitungsbedingungen:
Elektrische Bedingung: Ip = 5,5 A, τp = 32 µs
Bearbeitungszeitraum: 5 Minuten
Elektrodenpolarität: Minus (-)
Härte: Hv = 1050-1800 (Druck 10 g). - Wenn nur die primäre Bearbeitung durchgeführt wurde, zeigte die Beschichtungsschicht eine hohe Härte, die nicht ganz die Härte der Beschichtungsschicht erreichte, die bei Verwendung der Grünling-Elektrode aus TiH₂+TiB₂ beim vierten Beispiel erreicht wurde, jedoch dieser nahe kam.
- (2) Wenn die sekundäre Bearbeitung unter Verwendung der Graphitelektrode nach der primären Bearbeitung durchgeführt wird, nimmt die Härte der Beschichtungsschicht einen Wert von etwa Hv=1700-2300 an.
- (1) Härte unter alleiniger Primärbearbeitung.
- Die Bearbeitungsbedingungen waren dieselben wie beim ersten
Beispiel, bei einem Bearbeitungszeitraum von fünf Minuten.
Härte: Hv = 2000-2300 (Druck: 10 g)
Dicke: 12-18 µm. - (2) Härte im Falle einer zusätzlich durchgeführten sekundären Bearbeitung unter Verwendung der Graphitelektrode:
- Die Bearbeitungsbedingungen waren dieselben wie bei dem
ersten Beispiel, wobei der Bearbeitungszeitraum fünf Minuten
betrug.
Härte: Hv = 2550-6050 (Druck: 10 g)
Dicke: 14-18 µm. - Wenn ein hoher Meßdruck (50 g) gewählt wurde, sank die Härte auf etwa Hv=1800 ab. Hieraus wird deutlich, daß die Beschichtungsschicht ebenfalls einen Härteabfall aufweist.
Ein Ziel der ersten und zweiten Ausführungsform besteht
darin, den Abriebwiderstand eines Werkstücks zu erhöhen. Die
primäre Bearbeitung mit der Grünling-Elektrode aus TiH₂
führte zu einem hohen Abriebwiderstand, obwohl die Härte
nicht so hoch war. Nach unserem Verständnis liegt das daran,
daß die Adhäsion der abgelagerten Schicht sehr stark ist.
Wurde TiB₂ und dergleichen dem TiH₂ hinzugefügt, zeigte
darüber hinaus die Beschichtungsschicht eine hohe Härte und
einen hohen Abriebwiderstand.
Besteht andererseits die Befürchtung eines Versprödungsbruchs
infolge einer zu hohen Härte, so ist es wirksam, Substanzen
wie Nb, Ta oder NbC, TaC und dergleichen hinzuzufügen, um die
erforderliche Zähigkeit oder Festigkeit zu erzielen. Diese
Vorgehensweise ist in der Hartmetallwerkzeugindustrie
bekannt.
Es wurde eine Oberflächenbehandlungsbearbeitung unter
denselben Bedingungen durchgeführt wie bei dem ersten
Beispiel, während Ta, Nb und V bis TiH₂ jeweils in einem
Gewichtsanteil von 10% hinzugefügt wurde. Im Falle von Ta,
No ergab sich eine Härte von Hv=600-700. Im Falle von V
betrug die Härte Hv=900. Die Härte nahm daher in keinem der
beiden Fälle zu. Schlug man allerdings mit einem Hammer oder
dergleichen auf die Beschichtungsoberfläche, so war es
schwierig, die Beschichtungsoberfläche zu beschädigen oder zu
zerbrechen. Daraus geht hervor, daß die Zähigkeit bzw.
Festigkeit der Beschichtungsschicht verbessert wurde. Die
Beschichtungsschicht wurde gut abgelagert, und die
Beschichtungsbearbeitung war stabil. Nach einer Bearbeitung
von fünf Minuten ergab sich eine Dicke der abgeschichteten
Schicht von 10 bis 20 µm.
Angeblich sind Nb, TaC, VC und dergleichen auch in der
Hinsicht wirksam, daß sie die Festigkeit oder Zähigkeit eines
Schneidwerkzeugs bei dessen intermittierendem Einsatz
verbessern. Daher wurden diese Substanzen jeweils TiH₂ mit
einem Gewichtsanteil von etwa 10% bei diesem Versuch
hinzugefügt. Es ergab sich eine Härte von Hv=900-1050, also
nicht sehr hoch. Allerdings ließ sich die
Beschichtungsschicht gut ablagern, und war die
Beschichtungsbearbeitung stabil. Nach einer Bearbeitung von
fünf Minuten betrug die Dicke der abgelagerten Schicht etwa
20 bis 30 µm. Die Beschichtungsschicht war fest und
widerstandsfähig gegen Schlagbeanspruchungen und dergleichen.
Wie voranstehend geschildert ist es offensichtlich, daß man
eine abgelagerte Schicht mit höherer Härte auf der
Werkstückoberfläche erreichen kann, wenn man TiH₂ allein
verwendet, oder eine einfache Substanz wie etwa TiB₂ oder TiN
dem Basismaterial TiH₂ beifügt. Wie voranstehend geschildert
liegt der Grund dafür, daß TiH₂ an dem Basismetall anhaftet,
daran, daß die zu beschichtende Werkstückoberfläche durch
Wasserstoffionen reduziert wird, die erzeugt werden, wenn das
Hydrid zerlegt wird. Weiterhin trägt es zur besseren Adhäsion
von TiH₂ bei, daß das zersetzte Ti in hohem Ausmaß aktiviert
ist. Weiterhin wird angenommen, daß infolge der Tatsache, daß
Ti verkleinert oder verfeinert wird, wenn die elektrische
Entladung erzeugt wird, die effektive Auftrefffläche von Ti
auf das Basismetall vergrößert wird, wodurch die Adhäsion von
TiH₂ verbessert wird. Weiterhin ergibt sich die Eigenschaft,
daß infolge der Verfeinerung von Ti und der sich hieraus
ergebenden feineren abgelagerten Struktur eine geringe
Rauhigkeit der fertiggestellten Oberfläche ergibt.
Aufgrund der voranstehend geschilderten Prinzipien kann ein
Metallhydrid zur Oberflächenbearbeitung verwendet werden. Bei
der Oberflächenbearbeitung verwendbare Hydride sind folgende:
ZrH₂, VH, VH₂, NbH, TaH, Fe TiH₂, LaNi₅H₆, TiMnH₂, NaBH₄.
ZrH₂, VH, VH₂, NbH, TaH, Fe TiH₂, LaNi₅H₆, TiMnH₂, NaBH₄.
Als ein Beispiel für die voranstehend angeführten
Metallhydride wurde ein Versuch mit ZrH₂ durchgeführt, und
das betreffende Ergebnis ist nachstehend als das siebte
Beispiel beschrieben. Zr weist eine hervorragende
Hitzebeständigkeit und Korrosionsfestigkeit auf, und wird in
Kernreaktoren als Moderator für thermische Neutronen
verwendet. Es wird bei Schneidwerkzeugen, Lagern, wärme- und
abriebbeständigen Teilen von Wärmekraftmaschinen,
Pumpenteilen und dergleichen eingesetzt.
Eine Grünling-Elektrode wurde aus ZrH₂-Pulver unter denselben
Bedingungen hergestellt wie beim ersten Beispiel:
Verdichtungsdruck von 6500 kg/cm². Stahlmaterial SK-3 als Werkstück wurde mit der Grünling-Elektrode aus ZrH₂ unter folgenden elektrischen Bedingungen bearbeitet: Ip = 5,5 A und τp = 32 µs. Hierbei ergab sich, daß ZrH₂-Pulver auf dem Werkstück in einem äußerst stabilen Bearbeitungszustand abgelagert wurde. Eine Bearbeitung von fünf Minuten führte zu einer abgelagerten Schicht mit einer Dicke von 8 bis 10 µm und eine Härte von Hv=660-690. Obwohl die Härte nicht sehr hoch war, zeigte die abgelagerte Schicht einen hohen Abriebwiderstand.
Verdichtungsdruck von 6500 kg/cm². Stahlmaterial SK-3 als Werkstück wurde mit der Grünling-Elektrode aus ZrH₂ unter folgenden elektrischen Bedingungen bearbeitet: Ip = 5,5 A und τp = 32 µs. Hierbei ergab sich, daß ZrH₂-Pulver auf dem Werkstück in einem äußerst stabilen Bearbeitungszustand abgelagert wurde. Eine Bearbeitung von fünf Minuten führte zu einer abgelagerten Schicht mit einer Dicke von 8 bis 10 µm und eine Härte von Hv=660-690. Obwohl die Härte nicht sehr hoch war, zeigte die abgelagerte Schicht einen hohen Abriebwiderstand.
Wenn eine abgelagerte Schicht mit hoher Härte erforderlich
ist, wird eine Sekundärbearbeitung unter Verwendung einer
Graphitelektrode und dergleichen durchgeführt, wie bei dem
voranstehend geschilderten Beispiel. Die Sekundärbearbeitung
erhöht die Härte der abgelagerten Schicht. Die elektrischen
Bedingungen bei der Sekundärbearbeitung waren: Ip = 3,5 A,
τp = 4 µs, Graphitelektrode (-). Hierdurch wurde eine Härte
von Hv=1350-2350 erreicht.
In einigen Fällen muß bei Aluminium, Zink oder Stahl
(insbesondere bei unlegiertem Stahl) die Oberfläche eine hohe
Abriebfestigkeit aufweisen, wogegen es nicht erforderlich
ist, eine besonders hohe Oberflächenhärte vorzusehen. Es ist
beispielsweise manchmal gewünscht, einen ausreichenden
Abriebwiderstand zu erzeugen, während die Härte nicht so hoch
ist, nämlich bei einer Oberfläche eines verschleißbeständigen
Teils eines Aluminiummotors, einer Oberfläche einer aus Zink
bestehenden Form, oder einer Oberfläche eines mechanischen
Teils, welches aus unlegiertem Stahl besteht. In diesem Fall
wird eine Entladungselektrode dadurch hergestellt, daß
TiH₂-Pulver und das Pulver aus einem Metall eines
Basismaterials gemischt werden, bei welchem die
Oberflächenbearbeitung erfolgen soll. Wenn die Oberfläche des
Metalls mit einer Bearbeitung unter elektrischer Entladung
mit einer derartig hergestellten Elektrode bearbeitet wird,
wird die Metalloberfläche mit einem Film beschichtet, der
eine hohe Adhäsion und eine höhere Härte aufweist als das
Basismaterial.
Als spezifisches Beispiel wird die Bearbeitung von Aluminium
unter Verwendung einer Grünling-Elektrode aus TiH₂+Al
nachstehend geschildert.
Eine Grünling-Elektrode wurde dadurch hergestellt, daß Pulver
eines Werkstücks (Aluminiumdruckgußmaterial mit 11% Si) mit
TiH₂-Pulver gemischt wurde. Das Mischungsverhältnis TiH₂:Al
betrug 3 : 7 (Gewichtsverhältnis). Bei elektrischen Bedingungen
von etwa Ip = 5 A und τp = 32 µs ergab sich eine Härte der
Werkstückoberflächenschicht von etwa Hv=400-600. Bei
elektrischen Bedingungen von etwa Ip = 20 A und τp = 260 µs
erreichte die Härte der Oberflächenschicht einen Wert von
etwa Hv=1400. Dasselbe Ergebnis läßt sich erzielen, wenn die
voranstehend geschilderte Bearbeitung bei Zink durchgeführt
wird, wobei eine Elektrode mit derselben Zusammensetzung
eingesetzt wird.
Es gibt eine sogenannte Superwiderstandslegierung
(Superlegierung) bei Nicht-Eisenmetallen, die ebenfalls mit
einer Oberflächenbehandlung mit einer Bearbeitung mittels
elektrischer Entladung behandelt werden kann. Ein Material
aus Ti, 6% aus Al und 4% V weist eine Zugfestigkeit von
etwa 100 kg/mm² und eine Vickershärte von etwa Hv=260 auf.
Die Oberfläche dieses Materials als Werkstück wurde mit einer
Grünling-Elektrode aus ZrH₂ bearbeitet, deren Fläche 1,7 cm²
betrug, unter den elektrischen Bedingungen von Ip = 5,5 A und
τp = 32 µs. Dann wies die auf dem Werkstück abgelagerte
Schicht eine Härte von Hv=660-690 auf, und eine Dicke von
10 um. Wenn die Werkstückoberfläche durch die sekundäre
Bearbeitung unter Verwendung einer Graphitelektrode weiter
bearbeitet wurde, wies sie eine Härte von Hv=1350-2000 auf.
Dasselbe Ergebnis wurde erzielt, wenn eine Legierung aus
Ni-Al-Ti-Nb-Ta durch die voranstehend geschilderte
Oberflächenbehandlung bearbeitet wurde, mit Hilfe einer
Bearbeitung mit elektrischer Entladung, um so eine
Beschichtung auf der Oberfläche auszubilden.
Zwar wurden bereits zahlreiche Variationen des
erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsverfahrens
voranstehend geschildert, jedoch wird darauf hingewiesen, daß
ein zu bearbeitendes Werkstückmaterial, also ein
Gegenelektrodenmaterial, welches einer Entladungselektrode
zur Erzeugung einer elektrischen Entladung gegenüberliegt,
als Hauptbestandteile folgende Substanzen enthalten kann:
Stahl, Spezialstahl, Hartmetall, Cermet (Keramik-
Metallverbindung), Aluminium, Aluminiumlegierung, Zink,
Zinklegierung, Kupfer, Kupferlegierung, und eine
superwärmebeständige Legierung (auch als Superlegierung
bezeichnet), welche Ni, Co und dergleichen als
Hauptbestandteile enthält. Auch ein sogenanntes Nicht-
Eisenmaterial oder eine Nicht-Eisenlegierung kann mit dem
erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsverfahren bearbeitet
werden.
Durch das erfindungsgemäße Oberflächenbehandlungsverfahren
kann eine Beschichtungsschicht, die eine Dicke von einigen um
bis zu einigen zehn um aufweist, und ein hohes
Adhäsionsvermögen aufweist, auf einer Oberfläche eines
Werkstücks ausgebildet werden, das beispielsweise aus Stahl,
Hartmetall und dergleichen besteht, durch Ausformen von
Metallhydridpulver aus Ti, Zr, V, Nb, Ta und dergleichen zu
einer Grünling-Elektrode, und Erzeugung einer elektrischen
Entladung in einem Arbeitsfluid.
Diese Beschichtungsschicht weist eine sehr gute
Abriebfestigkeit auf. Darüber hinaus ist die Rauhigkeit einer
endbearbeiteten Werkstückoberfläche ebenfalls besser als bei
anderen Vergleichsbeispielen (WC+Co) unter denselben
elektrischen Bedingungen, wobei die Oberflächenrauhigkeit bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren die Hälfte bis ein Drittel
der Oberflächenrauhigkeit bei dem Verfahren gemäß den
Vergleichsbeispielen beträgt.
Wenn das Metallhydrid mit TiB₂, TiN, TiC, TaC, NbC oder VC
gemischt wird, weist die bearbeitete Werkstückoberfläche eine
größere Härte auf.
Wird ein Metall wie Ta, Nb oder V zum Metallhydrid
hinzugefügt, erzielt man eine Verbesserung der Festigkeit
oder Zähigkeit der Werkstückoberfläche. Wenn die
Sekundärbearbeitung mit einer Graphitelektrode, einer
Kupferelektrode und dergleichen durchgeführt wird, wird die
Härte um 50% auf etwa das Doppelte erhöht.
Claims (11)
1. Oberflächenbehandlungsverfahren mittels elektrischer
Entladung mit folgenden Schritten:
Anordnung einer Entladungselektrode gegenüberliegend einem Werkstück (15), wobei die Entladungselektrode durch Formen von Metallpulver hergestellt ist, welches zumindest Pulver aus einem Metallhydrid enthält; und
Erzeugung einer elektrischen Entladung zwischen der Entladungselektrode und dem Werkstück in einem Arbeitsfluid, in welchem Kohlenstoff enthalten ist, wodurch eine Beschichtungsschicht, die das Hydrid enthält, auf einer Oberfläche des Werkstücks ausgebildet wird.
Anordnung einer Entladungselektrode gegenüberliegend einem Werkstück (15), wobei die Entladungselektrode durch Formen von Metallpulver hergestellt ist, welches zumindest Pulver aus einem Metallhydrid enthält; und
Erzeugung einer elektrischen Entladung zwischen der Entladungselektrode und dem Werkstück in einem Arbeitsfluid, in welchem Kohlenstoff enthalten ist, wodurch eine Beschichtungsschicht, die das Hydrid enthält, auf einer Oberfläche des Werkstücks ausgebildet wird.
2. Oberflächenbehandlungsverfahren mittels elektrischer
Entladung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Arbeitsfluid ein Polymermaterial enthält, welches zur
Erzeugung von Kohlenstoff thermisch zersetzt wird.
3. Oberflächenbehandlungsverfahren mittels elektrischer
Entladung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Polymermaterial entweder Mineralfett und Öl oder
Pflanzenfett und Öl ist.
4. Oberflächenbehandlungsverfahren mittels elektrischer
Entladung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Metall
des Hydrids, welches in der Entladungselektrode
enthalten ist, ein Übergangsmetall ist.
5. Oberflächenbehandlungsverfahren mittels elektrischer
Entladung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Materialpulver dadurch hergestellt werden, daß die
Metallhydridpulver mit Pulvern aus zumindest einer der
folgenden Substanzen gemischt werden: ein anderes Metall
als das Metall des Hydrids, Karbid, Nitrid oder Borid.
6. Oberflächenbehandlungsverfahren mittels elektrischer
Entladung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Materialpulver durch Mischung der Pulver des
Metallhydrids mit Pulvern aus zumindest einer der
folgenden Substanzen gemischt werden: Zirkonium,
Vanadin, Niob und Tantal.
7. Oberflächenbehandlungsverfahren mittels elektrischer
Entladung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Materialpulver dadurch hergestellt werden, daß die
Pulver des Metallhydrids mit Pulvern aus einem Metall
derselben Art wie jener des Werkstücks gemischt werden.
8. Oberflächenbehandlungsverfahren mittels elektrischer
Entladung nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch folgende weitere
Schritte:
Anordnen einer sich nicht verbrauchenden Elektrode gegenüberliegend dem Werkstück, nachdem die Beschichtungsschicht auf der Oberfläche des Werkstück hergestellt wurde; und
Erzeugung einer elektrischen Entladung zwischen der sich nicht verbrauchenden Elektrode und dem Werkstück.
Anordnen einer sich nicht verbrauchenden Elektrode gegenüberliegend dem Werkstück, nachdem die Beschichtungsschicht auf der Oberfläche des Werkstück hergestellt wurde; und
Erzeugung einer elektrischen Entladung zwischen der sich nicht verbrauchenden Elektrode und dem Werkstück.
9. Oberflächenbehandlungsverfahren mittels elektrischer
Entladung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die sich
nicht verbrauchende Elektrode aus einer der folgenden
Substanzen hergestellt ist: Graphit, Kupfer, Wolfram,
Silber-Wolfram, Kupfer-Wolfram, oder Wolfram-Karbid.
10. Oberflächenbehandlungsverfahren mittels elektrischer
Entladung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Werkstück aus einem Nicht-Eisenmetall besteht.
11. Oberflächenbehandlungsverfahren mittels elektrischer
Entladung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Werkstück aus einer Superlegierung besteht.
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