DE2063649C3 - Wärmebehandlungsverfahren zur Herstellung eines innenoxidierten Metall/Metalloxid-Verbundwerkstoffes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmebehandlungsverfahren zur Herstellung ei.ies innenoxidierten Metall/Metalloxid-Verbundwerkstoffes.

Zur Herstellung innenoxidierter Metall/Metalloxid-Verbundwerkstoffe ist es bereits bekannt, daß die zu behandelnde Legierung, die als Mischkristall vorliegt, in oxidierender Atmosphäre zu glühen. Hierdurch diffundiert der Sauerstoff in den Mischkristall und reagiert mit dem unedleren Legierungselement unter Bildung feindispers verteilter Oxidteilchen. Diese innere Oxidation hat zur Voraussetzung eine relativ hohe Sauerstofflöslichkeit im Mischkristall sowie eine stärker negative freie Bindungsenthalpie als das Oxid des Grundmetalls und ferner eine Diffusionsgeschwindigkeit der zulegierten Metallatome, welche wesentlich geringer ist als die Diffusionsgeschwindigkeit der einwirkenden Sauerstoffatome. Da bei der inneren Oxidation die Diffusion des Sauerstoffs im Mischkristall für den Ablauf der gewünschten Behandlung geschwindigkeitsbestimmend ist, ergeben sich bei diesem Verfahren relativ lange Behandlungszeiten. Zu deren Abkürzung sind verbesserte Wärmebehandlungsverfahren bekannt, bei denen durch Erhöhung der Temperatur und des Sauerstoffpartialdruckes eine Beschleunigung der Sauerstoffdiffusion erzielt wird. Die Anwendung dieser Verfahren ist aber einerseits durch den Schmelzpunkt der Legierung und andererseits durch den erforderlichen apparativen Aufwand begrenzt

Zum Stande der Technik gehört ferner ein Vergütungsverfahren nach der DT-PS 6 68 639, bei dem die Behandlung der Gegenstände in einer ionisierten Atmosphäre derjenigen Elemente erfolgt, die die gewünschte Vergütung bewirken sollen. Das Vergütungsverfahren bezweckt eine oberflächennahe Verbesserung von Gebrauchseigenschaften, vor allem eine Steigerung der Härte, z. B. durch einen Nitrierungsprozeß. Die dabei verwendeten Elemente, wie Stickstoff, Kohlenstoff, Phosphor, Silizium und Bor, werden gasförmig ionisiert und wirken in Unterdruckatmosphären auf den erhitzten Körper ein. Selbstverständlich wird dadurch keine Anleitung zur Herstellung eines in seiner Schichtdicke gleichmäßig innenoxidierten Verbundwerkstoffes mit Diffusion des Sauerstoffs in einen Mischkristall erteilt.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, den Ablauf des Verfahrens der inneren Oxidation bei mäßigem gerätetechnischen Aufwand weiter zu beschleunigen. Diese Aufgabenstellung wird dadurch gelöst, daß die Wärmebehandlung des Werkstoffes unter Bedingungen vorgenommen wird, bei denen die Konzentration von atomaren Sauerstoff an seiner Oberfläche gegenüber der Konzentration im thermischen Gleichgewicht mit Sauerstoff erhöht ist.

Die Erhöhung des Anteils an atomarem Sauerstoff an der Probenoberfläche kann in verschiedener Weise und nach verschiedenen, teilweise bekannten, Verfahren erfolgen.

Der Sauerstoff in der Gasphase kann durch Zufuhr von Energie in angeregte Zustände überführt und auch bereits dissoziiert werden. Auf der Metalloberfläche treffen dann Sauerstoffatome und die angeregten Sauerstoffmoleküle. Diese angeregten Sauerstoffmoleküle werden an der Probenoberfläche zu einem größeren Teil dissoziieren als nicht angeregte Moleküle.

Die Energiezufuhr kann z. B. vorteilhaft erfolgen durch eine Glimmentladung, durch Einwirkung von Mikrowellen, durch Bestrahlung mit Korpuskular- und Röntgenstrahlen, durch energiereiche Lichteinstrahlung (Ultraviolett) u. a. Kennzeichnend ist, daß die Energiezufuhr nicht allein eine Wärmezufuhr, d. h. eine Zufuhr thermischer Energie, ist, wie bei den bereits bekannten Verfahren.

Eine weitere gegebenenfalls zweckmäßige Möglichkeit zur Anreicherung des atomaren Sauerstoffs an der Metalloberfläche kann in der Verwendung von gasförmigen, festen oder flüssigen, bei höheren Temperaturen instabilen, Sauerstoffverbindungen bestehen, aus denen sich atomarer Sauerstoff abspalten läßt. Als solche instabile Sauerstoffverbindungen können z. B. vorteilhaft gasförmige ein- oder vierwertige Stickstoffverbindungen in Form von N2O oder NO2 verwendet werden. Eine weitere instabile Sauerstoffverbindung, deren Anwendung in diesem Zusammenhang vorteilhaft erscheint, ist Ozon. Es kann außerdem zweckmäßig sein,

daß der atomare Sauerstoff aus schmelzflüssigen Sauerstoffverbindungen an die Oberfläche des Verbundwerkstoffes durch Wärmespaltung abgegeben wird. Eine derartige Schmelze kann zweckmäßig eine Peroxidschmelze sein.

Insgesamt erscheinen sämtliche Verfahren anwendbar, die es ermöglichen, während der Wärmebehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre den Anteil des atomaren Sauerstoffs an der Metalloberfläche zu erhöhen, welcher eine Beschleunigung des Reaktionsablaufs herbeiführt

Durch die genannten Verfahren wird stationär eine Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche des Metalls eingestellt, die sehr viel höher sein kann als dem thermodynamischen Gleichgewicht mit Luft oder Sauerstoff bei üblichen Drücken entspricht Die Eindringtiefe der inneren Oxidatiowszone in eie Legierung nach bestimmter Zeit ist proportional der Wurzel aus der Konzentration von atomarem Sauerstoff an der Oberfläche.

Es erscheint ferner vorteilhaft, die Behandlung in einer Unterdruck-Sauerstoffatmosphäre auzuführen. Der Druck des Sauerstoffs kann dabei zweckmäßig unterhalb von 5 Torr liegen.

Ausführungsbeispiel

Eine Silber-Kadmium-Legierung 90 :100 (Gewichtsprozent) mit den bekannten Zusätzen von Drittmetallen zur Kornfeinung, z. B. Nickel in einem Anteil kleiner als 0,5%, wird als Blech von 2 mm Dicke bei etwa 500° C unter einem Sauerstoffdruck < 1 Torr oxidiert . Der Sauerstoff wird vor dem Auftreffen auf die Probe durch die Einwirkung von Mikrowellen angeregt, so daß durch Gasentladung ein höherer Anteil atomaren Sauerstoffs an der Probenoberfläche zur Verfügung steht Dabei beträgt die Oxidationsgeschwindigkeit ein Vielfaches der bei Oxidation in Luft oder Sauerstoff bei gleicher Temperatur und bei atmosphärischem oder höherem Druck erreichbaren Geschwindigkeit.

Claims (13)

1. Patentansprüche:

   ι. Wärmebehandlungsverfahren zur Herstellung eines innenoxidierten Metall/Metalloxid-Verbundwerkstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung des Werkstoffes unter Bedingungen vorgenommen wird, bei denen die Konzentration von atomarem Sauerstoff an seiner Oberfläche gegenüber der Konzentration im thermischen Gleichgewicht mit Sauerstoff erhöht ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an atomarem Sauerstoff durch eine Gasentladung erhöht wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Gasentladung eine Glimmentladung vorgenommen wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß. die Gasentladung durch Mikrowellen angeregt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an atomarem Sauerstoff durch Bestrahlung mit Korpuskular- oder Röntgenstrahlen erhöht wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Energie durch energiereiche Lichteinstrahlung zugeführt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der atomare Sauerstoff aus bei höheren Temperaturen instabilen Sauerstoff-Verbindungen abgespalten wird.
8. 8. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 7 auf gasförmige ein- oder vierwertige Stickstoffverbindungen als instabile Sauerstoffverbindungen.
9. 9. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 7 auf Ozon als instabile Sauerstoffverbindung.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der atomare Sauerstoff aus schmelzflüssigen Sauerstoffverbindungen an die Oberfläche des Verbundwerkstoffes durch Wärmespaltung abgegeben wird.
11. 11. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 10 auf eine Peroxidschmelze als flüssige Sauerstoffverbindung.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei Unterdruck vorgenommen wird.
13. 13. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 12 auf einen Unterdruck < 5 Torr.