DE2137244A1

DE2137244A1 - Verfahren zur Oberflächenhärtung von Stahlen und Sinterhartmetallen

Info

Publication number: DE2137244A1
Application number: DE19712137244
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-07-28
Filing date: 1971-07-26
Publication date: 1972-02-03
Also published as: FR2099641A1; GB1363764A; US3770512A; FR2099641B1; CH556394A

Description

.eise rjxc"v«yci'ii
Ig₁UIrJCh Kinkel;;·;
7032 Sindelf Inge c 2137244

■ ^; .''''""t - Wfijnimr Pir-i',,; ^J , ζ
- Vi

Anton Bopp, Meilen (Schweiz)

Verfahren zur Oberflächenhärtung von Stählen und Sinterhartmetallen.

Die Erfindung "bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Stählen und Sinterhartmetallen bei dem durch eine thermische Behandlung in einem Stoffgemisch

auf dem Material eine relativ dicke, festverankerte Infusionsschicht hoher Härte erhalten wird.

Kohlenstoff-, Nitrierung- und Borierungshärtungen von Stählen sind bekannt. Bei der Stahlborierung diffundiert Bor in Stähle ein unter Bildung von dünnen, harten, verschleissfesten im Stahlgrund zahnförmig verankerten Eisenboridschichten. Bei der Pestphasenborierung wird amorphes Bor neben Ferrobor und/oder B^C in feiner Körnung zusammen mit Al 0, und einem Aktivator (beispielsweise NH Ci) verwendet. Hierbei werden

nur relativ dünne Filme bis O₅6 mm Dicke erhalten, wenn im Ü

HKu.-er
13.7.7-1

9 8 8 8/1314 BAD ORIGINAL

dichten Aufkohlungskasten oder Keramiktiegel bei Temperaturen von 950° bis 105O⁰C 5 bis 25 Stunden behandelt wird. Beim Arbeiten in Aethy1silikatpaste enthaltend gleiche Gewichtsteile B. C und Kryolith werden bei rund 1200 C im Hochfrequenzinduktiom ofen bereits innerhalb von 3 Minuten Infusionsschichten von bis zu 0,125 mm Stärke erhalten. Ungünstig bei diesem Verfahren ist der variable Filmdickenanfall und das mögliche Aufschweissen von Partikeln.

Salzbadborierungen mit Natriumchlorid, Bariumchlorid und Bor-Carbid, bzw. Natriumchlorid, Natriumborfluorid und Borcarbid arbeiten zwischen rund 900° und 1000°C . Die praktischen Einsätze dauern 5 bis 10 Stunden. Bor-Carbid kann dabei ausschei3ai. Es ist erwiesen, dass das aufkommende Bortrifluorid nur als Aktivator auftritt und dass der wirksame Bestandteil nur das Bor-Carbid ist.

Es ist ferner bekannt Stahlborierungen kathodisch in Boraxschmelzen unter Zusatz von Aktivatoren vorzunehmen. Wegen der relativ hohen Viskosität der Badschmelzen regeln sich die Vorgänge hierbei oft schlecht. Nachteilig sind auch die auftretenden Krustenbildungen, die nicht sonderlich leicht ablösbar sind.

Es ist ferner bekannt in der Gasphase mit BCl, und BH, in. Wasserstoff zu borieren, jedoch sind diese Verfahren wegen ihrer hohen Kosten und des Material^ufweindes nur sehr

10 98 8 6/13 14
SAD ORIGINAL

begrenzt anwendbar.

Das erfindungsgemäss vorgeschlagene Verfahren ist demgegenüber äusserst einfach durchführbar, arbeitet bei relativen niedrigen Temperaturen und führt zu dicken, festverankerten Infusionschichten mit einer bisher noch nicht erreichten Härte.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Oberflächenhärtung von Stählen und Sinterhartmetallen ist dadurch gekennzeichnet, dass das, Material bei einer Temperatur oberhalb von etwa 570 C und in weitgehender Abwesenheit von Sauerstoff in Kontakt gebracht wird mit einem Stoffgemisch, enthaltend etwa 5-7O Gew.Teile Bor-Carbid 1-60 Gew.Teile Aluminiumoxyd wasserfrei Spur - 6 Gew.Teile HaBP
Spur - 10 Gew.Teile Natriumfluorid

Das Verfahren ist für die verschiedensten Stähle, wie Kohlenstoffstähle, legierte und hochlegierte Stähle, Sonderstähle sowie Sinter- und Drucksinterhartmetalle anwendbar und arbeitet mit pulvrig aufbereitetenMittelnnach dem Prinzip der Einsatzhärtung. Die aufgezeichnete Wirkung des vorgenannten Stoffgemisches wird darauf zurückgeführt, dass die Komponenten in einem glasigen Zustand vorliegen, wobei ionale Anregungen erfolgen die zu Unsätzen beispielsweise der folgenden Art führen können:

—3—

109886/13U

BAD ORIGINAL

■ -.u^sS^O-OAS

C + BC + 2 NaBF + 70 = 2 CF + Na₃B₄O₇ + 2 B

Es kann daher angenommen werden, dass sich Tetrafluormethan bildet, das als Aktivator und Lösemittel für Oxyde und Hydroxyde wirksam werden kann.

Der hierzu erforderliche Kohlenstoff kann entweder zusätzlich, insbesondere in Form, von Russ zugegeben werden oder er wird dem Kohlenstoffgehalt des Stahls entnommen. Fer-rner kann gewünschtenfalls Tetrafluormethan dem Stoffgemisch noch gesondert als Gas zugeführt werden.

Dem bei dem erfindungsgemässen Verfahren verwen-•deten Stoffgemisch werden ferner, entsprechend dem jeweiligen Einsatz, weitere 2. Teil für diese Zwecke bekannte Stoffe zugesetzt. So verhindert beispielsweise ein Zuschlag von Magnesium in Form von basischem Magnesiumcarbonat eine unerwünschte Sinterung der Härtemittelansätze und erlaubt eine Herabsetzung der Temperaturen beispielsweise auf unter 600 C. Als Zuschlagstoffe kommen insbesondere infrage Ti, Zr,Hf,V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, B, als solche oder deren Oxyde, Carbide, Boride, Nitride oder Suizide.

Die Komponenten v/erden in lulverform eingesetzt wobei eine Korngrösse von etwa 180 - 320 mesh bevorzugt ist. Sollen in Spezial—fällen umfangreiche Gegenstände behandelt werden, wird das pulverfö'rmige Gemisch in einem flüssigen Träger, wie*insbesondere Dibutylphthalat oder einem OeI dis-

-4-109886/13U

BAD ORIGINAL

pergiert, sodass es auf die Oberfläche der Körper aufgebracht werden kann.

Die Behandlungstemperatur ist abhängig von der zu behandelßiclen Stahltype und liegt im allgemeinen oberhalb von 570 C bis Weissglut. Die besten Stahlhärten wurden bei Temperaturen zwischen etwa 75O⁰C und 900⁰C erhalten, nur konvenHonelle Hochtemperaturhärtner wie gewisse SS- und Wärmarbeits-Stähle, die zwischen 750 C und 900 C Kern^erweichen können, verlangen tiefere Temperaturen. Nach oben hin können die Temperaturen bis etwa 1150 C gesteigert werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird in weitgehender Abwesenheit von Sauerstoff, d.h. unter Luftabschluss oder in Anwesenheit eines Schutzgases, wie Stickstoff, Edelgase oder CO^ vorgenommen.

Die Durchführung ist denkbar einfach^ das saubere, zu härtende Stahlgut wird in ein Hitze- und Korrosionsbeständiges Gefäss beispielsweise aus Chrom-Nickel-Stahl, Graphit oder dergleichen so in das Pulver eingebettet, dass es allseitig in dichtem Kontakt damit steht. Das Gefäss wird hermetisch verschlossen,

gewünschtenfalls der Sauerstoff entfernt und in geeigneter, an sich bekannter Weise elektrisch, oder in einem Flammofen auf die erforderliche Temperatur gebracht. Schon nach sehr kurzen Behandlungszeiten, wie 3 bis 5 Stunden werden ausgezeichnete Härtungsergebnisse erhalten.

—5—
109886/13U

Nach, erfolgter Aushärtung wird das Stahlgut samt Gefäss zweckmässig auf ca 500 C luftgekühlt. Bei dieser Temperatur kann das rieselfähxge Pulver durch Siebe abgelassen.

ι
werden ohne durch Luftkontakt zu leiden. Das Stahlgut kann, falls erforderlich, von anhaftendem Pulver leicht befreit werden. Das Pulver wird zu wiederholtem Einsatz verwendet.

-6-

109886/13U

Ein besonders bevorzugtes Stoffgemisch, das bei den folgenden Versuchen verwendet wurde hat die folgende Zusammensetzung

B₄C	50	Gew.	Teile
Aluminiumoxyd, techn., wasserfrei	43	Gew.	Teile
Russ	2	Gew.	Teile
NaBP.	2	Gew.	Teile
NaP	3	Gew.	Teile

In den Figuren 1 bis 10 sind die Oberflächenhärte, Kernhärte und Schichtdicke der Infusionsschicht in Abhängigkeit von der Einsatztemperatur für verschiedene Stahltypen bzw. Hartmetall dargestellt. Die Proben sind vom Hersteller her, wie in der folgenden Tabelle angegeben vorbehandelt, sodann nach dem erfindungsgemässen Verfahren, wie oben beschrieben bei Temperaturen zwischen 750° und 900⁰C behandelt und im Ofen erkalten gelassen. Die gestrichelte Kurve gibt jeweils die Ergebnisse bei einer 5-stündigen Einsatzzeit, die ausgezogene Kurve bei 20 Stunden Einsatζzeit an.

-7-

109886/131 A

Tabelle

Fig.

Analyse

Vorbehandlung

C 0,32, Si 1,15, Mn 0.50, Cr 4.77, Ni 0.14, V 1.03, Mo 1.41

1ΟΟΟ^υΟ 10'OeI 6OO^V

2 Std. Luft

C 0.84, Si 0.27, Mn 0.25, Cr 4.39, Ni 0.20, W (.34, V 1.87, Mo 4.87 0 2· OeI 51O⁰C 2x1 Std.Luft

C 1.11, Si 0,16, Mh 0.17, Cr 0.14, Ni 0.10 77O⁰C 10' Wasser 20O⁰C 20· Luft

C 2.06, Si 0.42, Mh 0.35, Cr 13.27,Ni 0.17, W 0.37 96O^UC 15' OeI 420⁰C 30· Luft

C 0,09, Si 0,48, Mn 0,13, Cr 13.94,Ni 0,25

990 C 10» OeI

58O⁰C 1 Std. Luft (305 HV_n

C 0,046,Si 0,77, IvIn 1,26, Cr 19.0, Ni 9,92 104O⁰C 10' Wasser (243 HV_n -.)

ο, χ

C 0,013,Si 0,06, Mh 0,10, Cr 0,11, Ni 18,40,Ko 5,00, Co 7,88, Ti 0,43, Al 0,12 820⁰C 1 Std. Luft

470⁰C 4 Std. Luft (551 HV_n _±)

C 0,52, Si 1.45, Mh 0.67, Cr 4.28, No 12.39,W 10.53, V 0.92, Co 1.61

1O5O^UC 30' Luft 76O⁰C 16 Std. Luft(446

C 0,04, Si 0,08, Mn 1,30 Cr 15,25,Ni 26.80,V 0,40, B 0,0037,Mo 1,28, Al 0,032, Ti 2,08

980⁰C 30· Luft 725 C 16 Std. Luft(375 HV_{n Ί})

υ, χ

WCV94SS, Co

1O9886/"1⁸3U

Wie erkennbar zeigen alle Kurven einen sehr steilen Anstieg der Oberflächenhärte auf Werte, wie sie nach bisher bekannten Verfahren niemals erreicht wurden, wobei die Kernhärte praktisch unverändert bleibt. Die Infusionstiefe erreicht ebenfalls hohe Werte und auf dem Schliffbild ist eine ausgezeichnete Verankerung dieser Schicht erkennbar. Diese Ergebnisse werden ■ferner schon nach sehr kurzen Behandlungszeiten·erhalten.

Für eine Anwendung in flüssiger Form kann das erfindungsgemäss verwendete Stoffgemisch beispielsweise 'folgende Zusammensetzung haben:

B.C 85 Gew. Teile

Aluminiumoxyd, techn.,

wasserfrei 73 Gew. Teile

Russ ■ 3,5 Gew. Teile

NaBF. 3,5 Gew. Teile

NaF 5 Gew. Teile

basisches Magnesium-

Carbonat 25 Gew. Teile

Dibutylphthalat 365 Gew. Teile

Die festen Komponenten werden hierbei in dem flüssigen Träger dispergiert und die Dispersion im Spritz-, Tauch- oder Streichverfahren auf das zu behandelnde Gut aufgebracht.

Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens sind erheblich. Bei relativ tiefen Temperaturen und kurzen Behandlungszeiten ergeben sich Härten, die bisher noch nicht erreicht wurden, die vielmals Spitzenwerte extremer Hartstoffhärten übertreffen;

-9-109886/1314

213724Α

Aufgrund der niedrigen Behandlungstemperatur.ergeben sich kaum - oder keine wesentlich störenden Volumenveränderungen. Das einge- * setzte Pulver bleibt nach der Behandlung voll rieselfähig und

kann mehrfach, unter Umständen 5 bis 10 mal benützt v/erden. Der Verbrauch ist minimal, da er bei 0,02$ bis 0,8$ des Gewichtes der Infusionsschicht begrenzt ist. Die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist äusserst einfach und vielseitig anwend-. bar. Das behandelte Gut bleibt sauber, dunkel im Farbton und vorher polierte Flächen zeigen Mattglanz.

-10-

109886/1314

Claims

213724A Patentanspruchl Sinterhartmetallen allen / ählen^ Verfahren zur Oberflächenhärtung von Stählen^ dadurch gekennzeichnet, dass das Material bei einer Temperatur oberhalb von etwa57O0C und in weitgehender Abwesenheit von Sauerstoff in Kontakt gebracht wird mit einem Stoffgemisch, enthaltend etwa 5-70 Gew.Tle.Bor-Carbid 1-60 Gew. " Aluminiumoxyd wasserfrei Spur - 6 Gew. " NaBF. Spur - 10 Gew. " Natriumfluorid Unteransprüche

1.) Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass ferner Tetrafluormethan zugeführt wird.

2.) Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffgemisch ferner basisches Magnesium-Carbonat, Kohlenstoff, und/oder Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, V/, B, als solche oder deren Oxyde ,Carbide, Boride, Nitride oder Suizide enthält.

3.) Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten in Pulverform mit einer Korngrösse von etwa 180 - 320 mesh vorliegen.

HKu.-er
I2.7.7I

109886/13U

4.) Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffgemisch einen flüssigen Träger enthält.

5.) Verfahren nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Träger ein OeI verwendet wird.

6.) Verfahren nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssiger Träger Dibutylphthalat verwendet wird.

7.) Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoff gemisch als Pulver verwendet wird und folgende Zusammensetzung aufweist:

B.C 50 Gew. Teile

Aluminiumoxyd, techn.,

wasserfrei 43 Gew. Teile

Russ 2 Gew. Teile

NaBP₄ 2 Gew. Teile

NaP 3 Gew. Teile.

8.) Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 4, , dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffgemisch in flüssiger Form : vorliegt und folgende Zusammensetzung hat: j

B.C 85 Gew. Teile

Aluminiumoxyd, techn.,

wasserfrei 73 Gew. Teile

Russ 3,5 Gew. Teile

NaBP₄ 3,5 Gew. Teile

HKu.-er

I2.7.7I -12-

109886/13U

NaP 5 Gew. Teile

■basisches Magnesium-Carbonat 25 Gew. Teile

Dibutylphthalat 365 Gew. Teile.

9.) Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch 1 bis IO ppm NaBP. und 1 bis 10 ppm Natriumfluorid enthält.

10.) Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung bei einer Temperatur bis 1150 C vorgenommen wird.

11.) Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung bei Temperaturen um 85O⁰C vorgenommen wird.

12.) Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung bei Temperaturen von 750° bis 90O⁰C vorgenommen wird.

13.) Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung in einer Einbettung des Materials in das pulverförmige Stoffgemisch vorgenommen wird.

14·) Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung im Spritz-, Tauch-, oder Streichverfahren mit einer Dispersion in einem flüssigen Träger vorgenommen wird.

15·) Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung unter Stickstoff vorgenommen wird.'

4a .

HKu.-er

I2.7.7I . -13-

10 3 8 8 6/1314

16.) Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung unter Luftabschluss vorgenommen wird.

Patentanspruch II

Mittel zur Durchführung des Verfahrens enthaltend ein Stoffgemisch aus:

5-70 Gew.# Bor-Carbid

1-60 Gevt.fo Aluminiumoxyd wasserfrei

Spur - 6 Gew.^ NaBF.

Spur - 10 Gew. fo Nat r iumf luor id

ünteranspruch

17.) Mittel gemäss Patentanspruch II zur Durchführung des Verfahrens gemäss den Unteransprüchen 1 bis 16.

HKu.-er

109886/13U