DE2126379C3

DE2126379C3 - Verfahren zum Borieren von Metallen, insbesondere von Stahl

Info

Publication number: DE2126379C3
Application number: DE2126379A
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. 6240 Koenigstein Krzyminski
Original assignee: Deutsche Gold und Silber Scheideanstalt
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1971-05-27
Filing date: 1971-05-27
Publication date: 1979-09-06
Also published as: GB1384169A; DE2126379A1; IT948985B; DE2126379B2; JPS5532784B1; US3806374A; FR2138614A1; FR2138614B1

Description

Für das Borieren zur Erzeugung harter Oberflächenschichten auf Stählen und anderen Metallen kommen mehrere Verfahren in Betracht. Die Verfahren unterscheiden sich im wesentlichen nach der Art der borabgebenden Miuel.

Die Behandlung der Metalle in borabgebenden Salzschmelzen kennt zwei Varianten; Variante 1 findet ohne Elektrolyse statt. In Variante 2 wird die Abscheidung des Bors elektrolytisch unterstützt, wobei das zu borierende Teil Kathode ist, während die Tiegelwandung oder eine besondere Elektrode als Anode benutzt werden. Die Anode kann dabei auch aus einem borhaltigen Material bestehen.

Außerdem ist versucht worden. Stähle durch hochfrequente Erwärmung in wäßrigen borhaltigen Lösungen zu borieren. Dabei wurden vorzugsweise wäßrige Lösungen von Borax und Borsäureanhydrid verwendet.

Weitere Versuche erstreckten sich darauf, gasförmige Boriermittel einzusetzen. Dabei wurden als borabgebende Gase Borhalogenide, Diboran und verschiedene organische Borverbindungen benutzt. Eine Sonderstellung zwischen den flüssigen und gasförmigen Bonerverfahren nimmt die sogenannte Tropfgasborierung ein. Hierbei werden flüssige Boriermittel. z. B. Bortribromid, Bortrichlorid und Bortriäthyl, in den vorgeheizten Ofenraum eingetropft und zur Verdampfung gebracht.

Schließlich sind Versuche mit dem Pastenborieren unternommen worden, bei dem auf das Werkstück eine Paste aus einem borhaltigen Mittel, einem Flußmittel und einem Bindemittel aufgetragen wird. Die genannten Verfahren sind bisher nur im Labormaßstab erprobt und eingesetzt worden. Eine praktische Anwendung konnte mit keinem der Verfahren erreicht werden.

Versuche, das Borieren im größeren Maßstab anzuwenden, haben bisher nur mit pulverförrnigen Boriermitteln zu einem gewissen Erfolg geführt. In der Handhabung entspricht das Borieren in Pulvern der seit langem bekannten Pulveraufkohlung. Die zu behandelnden Teile werden mit dem Borierpulver in Kästen eingepackt und einer mehrstündigen Glühbehandlung im Temperaturbereich von 800 bis I IOO°C unterworfen. Die Kästen bestehen normalerweise aus Stahlblech und werden mit einem Deckel aus dem gleichen Material verschlossen. Die Borierpulver enthalten borhaltige Stoffe und in vielen Fällen ein Streckmittel und aktivierende Zuschläge, die die Borierwirkung verstärken sollen (z. B. DE-PS 17 96 212). Als borhaltige Stoffe sind amorphes Bor, kristallines Bor, Ferrobor, Borcarbid und Borax sowie Gemische aus den genannten Stoffen gebräuchlich. Als aktivierende Zuschläge werden folgende Verbindungen eingesetzt: Chloride von Kalium, Natrium, Ammonium, Calcium und Barium, ferner verschiedene Fluoride, insbesondere Bariumfluorid und Magnesiumfluorid. Auch Fluoroborate wurden als Aktivatoren vorgeschlagen (DD-PS 77 881).

Durch die Behandlung werden auf den Teilen sehr harte Schichten erzeugt, die im Fall der Eisenwirkstoffe aus den Verbindungen FeB und Fe2B bestehen. Die borreichere Verbindung FeB entsteht nur, wenn die Borierwirkung des Mittels hinreichend stark ist Da die FeB-Phase nur unbedeutend härter, aber wesentlich spröder als die Fe2B-Phase ist, begnügt man sich häufig mit einer schwächeren Borierwirkung und strebt eine Borierschicht an, die allein aus der Verbindung Fe;B aufgebaut ist. Diese Schichten besitzen eine sehr hohe Verschleißfestigkeit, weshalb das Verfahren heute schon in der Industrie in steigenden". Umfang für verschiedene hochbeanspruchte Bauteile und Werkzeuge eingesetzt wird.

Ein schwerwiegender Mangel des Pulverborieren besteht darin, daß die mit ihm erzielbaren Borierschichten in der äußeren Zone mehr oder weniger stark mit Poren und oxidischen Einschlüssen durchsetzt sind. Die oxidischen Einschlüsse rühren daher, daß die Pulverpakkung Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gase enthält, die auf die Bauteiloberfläche oxydierend wirken. Auf der anderen Seite haben Versuche ergeben, daß die Anwesenheit von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen für die Erzielung dickerer Schichten unerläßlich ist. Erfolgt nämlich die Behandlung in völlig abgedichteten Kästen oder im Vakuum, dann wird die Schichtstärke auf etwa die Hälfte vermindert.

Es war daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum borieren von Metallen zu finden, insbesondere von Stahl, durch Erhitzen in borierenden Pulvergemischen, bestehend aus einem borabgebenden Mittel, sowie Aktivatoren und Streckmittel, das nicht zur Bildung von Schichten mit Oxideinschlüssen und nicht zur Bildung zu dünner Schichten führt.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzlich freien Kohlenstoff enthaltende borierende Pulvergemische eingesetzt werden. Verwendet man derartige Mischungen, dann sind die entstehenden Schichten porenfrei und haben dennoch die gleiche Dicke, wie sie vom Borieren her bekannt ist. Auch ihre Struktur ist die gleiche wie sie bei den bisher üblichen Borierpulvern erzeugt werden kann, was bedeutet, daß die Verbesserung der Eigenschaften nicht etwa auf die Eindiffusion von Kohlenstoff zurückzuführen ist.

Als borabgebende Stoffe sind amorphes Bor, kristallines Bor, Ferrobor, Borcarbid, Borax und Gemische aus diesen Stoffen geeignet. Diese werden, wie auch sonst üblich, mit aktivierenden Substanzen vermischt, insbesondere in Mengen zwischen 2 und 10%, vorzugsweise 4%. Schließlich enthalten sie noch die üblichen Streckmittel. Das wesentliche an der Mischung, deren Verwendung dem Verfahren gemäß Erfindung zugrunde liegt, ist jedoch die Anwesenheit von freiem Kohlenstoff, z. B. in Form von feingemahlener Holzkohle oder von Ruß. Es hat sich gezeigt, daß die Wirkung der Mischungen dann am besten ist, wenn ihr Gehalt an freiem Kohlenstoff zwischen 2 und 40% liegt.

Wird dieser Gehalt unterschritten, dann ist die Bildung porenfreier Schichten nicht mehr gewährleistet, wird er überschritten, dann läßt die Borierwirkung des Pulvers merklich nach. Besonders vorteilhaft ist ein Kohlenstoffgehalt zwischen 5 und 15%.

Beispiel 1

In einem Borierpulver mit einer Zusammensetzung von 74% Borcarbid (B₄C), 16% Borax und 10% Kaliumfluorid wurde eine Probe aus dem Stahl Ck 15, normalisiert, bei 900° C 5 Stunden lang behandelt.

Danach wurde durch metallographische Untersuchung festgestellt, daß eine Boridschicht mit einer Dicke von 220 bis 240 μιη entstanden war. Der äußere Teil dieser Schicht war jedoch stark porös und enthielt grobe oxidische Einschlüsse bis zu einer Tiefe von etwa 60 μιη. Danach folgte eine weitere Schicht mit feineren Einschlüssen bis zu einer Tiefe von 90 μπι.

Beispiel 2

Ein weiterer Versuch wurde durchgeführt mit einem Gemisch aus 66% Borcarbid, 16% Borax, 10% Kaliumfluorid und 8% C, letzterer in Form von feingemahlener Holzkohle. Wiederum wurde eine Probe aus dem Stahl Ck 15 5 Stunden bei 900⁰C boriert. Die metallographisch ermittelte Boridschicht hatte eine Dicke von 220 bis 250 μπι. Die gesamte Schicht war porenfrei.

Beispiel 3

Ein weiterer Versuch wurde durchgeführt mit einev Mischung aus 54% Borcarbid, 16% Borax, 10% la Kaliumfluorid und 20% Kohlenstoff in Form von feingemahlener Holzkohle.

Die metallographisch ermittelte Schichtdicke an einer Probe aus Ck 15, die 5 Stunden bei 900" C boriert worder war, lag bei 190 bis 220 μιτι. Auch diese Schicht war porenfrei.

Beispiel 4

Ein weiterer Versuch wurde durchgeführt mit einer Mischung aus 34% Borcarbid, 16% Borax, 10% >n Kaliumfluorid und 40% Ruß.

Die metallographisch ermittelte Schichtdicke an einer Probe aus Ck 15, 5 Stunden bei 900° C boriert, lag nunmehr bei 150 bis 170 μηι.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Borieren von Metallen, insbesondere von Stahl, durch Erhitzen in borierenden Pulvergemischen, bestehend aus einem borabgebenden Mittel sowie Aktivatoren und Streckmittel, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich freien Kohlenstoff enthaltende borierende Pulvergemische eingesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Anteil an aktivierenden Zusätzen in den borierenden Pulvergemischen zwischen 2 und lOGew.%, vorzugsweise 4 Gew.°/o, eingesetzt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an freiem Kohlenstoff zwischen 2 und 40% eingestellt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an freiem Kohlenstoff zwischen .5 und 1 Wo eingestellt wird ?n