DE2216628A1 - Process for the treatment of steel surfaces - Google Patents
Process for the treatment of steel surfacesInfo
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Description
PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 8O. MAUERKIRCHERSTR. 45PATENT LAWYERS 8 MUNICH 8O. MAUERKIRCHERSTR. 45
-6. April 1972-6. April 1972
Anwaltsakte 22 $02
Be/Sch Attorney File $ 22.02
Be / Sch
United Kingdom Atomic Energy Authority London/EnglandUnited Kingdom Atomic Energy Authority London / England
"Verfahren zur Behandlung Von ütahloberflächen""Process for the treatment of metal surfaces"
uie vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Behandlung von otahloberflächen zur Modifizierung ihrer btruktur.The present invention relates to methods of treatment of otah surfaces to modify their structure.
Ks iiüt allgemein DeK.anr.it, daß Stahlgegenstände der Einsatz- bzw. Oberflächenhärtung unterworfen werden können, riach bekannten verfahren wird dies in der Weise durchge- Ks iiüt general DeK.anr.it that steel objects can be subjected to case or surface hardening, according to known methods this is carried out in the manner
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führt, daß man eine harte resistente Oberfläche auf einem (zähen) Stahlkern mit niederem Kohlenstoffgehalt dadurch bildet, daß man den aus Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt gebildeten Gegenstand, der bei erhöhten Temperaturen (ungefähr 910°C) gehalten wird, einer Kohlenstoff-angereicherten Atmosphäre unterwirft. Dies kann durch Verwendung von Kohlenwasserstoffgas oder durch Einpacken in Holzkohle erreicht werden. Der Kohlenstoff diffundiert in die Oberfläche des Stahls bis zu einer Tiefe von ungefähr 1,27 nun unter Bildung einer Oberfläche mit hohem Kohlenstoffgehalt, die nachfolgend zu Martensit für maximale Härte und Abriebwiderstandsfähigkeit abgeschreckt wird. Die Härte ist abhängig von dem Kohlenstoffgehalt und nimmt mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt zu.results in a hard resistant surface on one (Tough) steel core with low carbon content is formed by the fact that one made of steel with low carbon content formed article that is held at elevated temperatures (approximately 910 ° C) is a carbon-enriched one Subdues atmosphere. This can be done by using hydrocarbon gas or by packing in Charcoal can be achieved. The carbon diffuses into the surface of the steel to a depth of approximately 1.27 now forming a high carbon surface, which is subsequently quenched to martensite for maximum hardness and abrasion resistance. The hardness depends on the carbon content and increases with increasing carbon content.
Das oben erwähnte thermische Härtungsverfahren besteht darin, daß man die zur -behandlung vorgesehenen Gegenstände relativ hohen Temperaturen unterwirft, wobei dies in manchen Fällen, beispielsweise bei rostfreiem stahl, unerwünscht sein kann und die vorliegende Erfindung betrifft demgemäß ein Verfahren zur Härtung von rostfreiem Stahl, bei dem man nicht hohe Temperaturen verwenden muß.The above-mentioned thermal curing method exists in that the objects intended for treatment are subjected to relatively high temperatures, in some cases this Cases, for example in the case of stainless steel, undesirable and the present invention accordingly relates to a method for hardening stainless steel, where you don't have to use high temperatures.
Die vorliegende iirfindung betrifft in einer Hinsicht ein Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche aus rostfreiein Stahl zur Modifizierung der struktur dieser Oberfläche, durch das die Oberfläche dadurch gehärtet wird, daü manThe present invention relates to one another Process for treating a surface made of stainless steel in order to modify the structure of this surface, by which the surface is hardened by the fact that one
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die Oberfläche dem Beschüß von Kohlenstoffionen unterwirft, um Kohlenstoff in die Oberfläche einzubringen und dadurch deren Struktur zu modifizieren.subjects the surface to the bombardment of carbon ions, to introduce carbon into the surface and thereby modify its structure.
Es ist darauf hinzuweisen, daß bei der Einführung von Ionen in die Oberfläche eines Metalls die Zusammensetzung der Oberfläche zusätzlich zu der Struktur der Oberfläche modifiziert werden kann.It should be noted that when ions are introduced into the surface of a metal, the composition the surface can be modified in addition to the structure of the surface.
Gemäß einem weiteren Gegenstand der Erfindung kann eine ähnliche Verfahrensweise zur Modifizierung der Oberflächenstruktur von Flußstahl durch Ionenimplantation von Öhromionen in die Oberfläche angewendet werden.According to a further subject matter of the invention, a similar procedure can be used for modifying the surface structure of mild steel by ion implantation of ear ions to be applied into the surface.
Bei der Behandlung einer Oberfläche nach der Erfindung können die Eindringtiefen der Ionen größer sein, als sie als Angströmwerte üblicherweise gemessen werden und sie können derart sein, daß eine gehärtete Struktur eher innerhalb eines Körpers als gerade an dessen Oberfläche gebildet wird. Es kann daher eine gehärtete Oberfläche bei einer Tiefe von ungefähr 0,025 mro hergestellt werden. So kann ein Körper gebildet werden, bei dem ein weicher äußerer Bereich auf einem härteren inneren Bereich vorliegt. Bei einem Körper, der so behandelt ist, daß er eine vertieft angeordnete "abgedeckte Schicht" aufweist, kann der äußere Bereich bis zu der gehärteten Oberfläche durch Abschaben, ochleifen, usw. entfernt werden.When treating a surface according to the invention, the penetration depths of the ions can be greater than them are usually measured as angstrom values and they can be such that a hardened structure tends to be within of a body than is just being formed on its surface. It can therefore have a hardened surface a depth of approximately 0.025 mro. Thus, a body can be formed having a soft outer area on a harder inner area. In the case of a body which has been treated in such a way that it has a recessed "covered layer", the outer area up to the hardened surface can be removed by scraping, grinding, etc.
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Solche Behandlungen liegen im Bereich der vorliegenden Erfindung.Such treatments are within the scope of the present invention.
Die Tiefe, bis zu der die Ionen implantiert werden, hängt von der Energie der Ionen ab, wobei hohe Energie die Bildung von vertieften Schichten veranlasst. Es ist weiterhin möglich, mit verschiedenen Energien zu implantieren, sodaß eine Reihe von implantierten Bereichen aufgebaut wird, um eine Schicht von gewünschter Stärke zu bilden.The depth to which the ions are implanted depends on the energy of the ions, with high energy forming caused by recessed layers. It is still possible to implant with different energies, so that a series of implanted areas are built up to form a layer of desired thickness.
Jie Implantation kann mit niederen Energien bis zu Energien bis zu mehreren tausend KeV durchgeführt werden. Ein typischer Arbeitsbereich ist 1 bis 200KeV, wobei Energien im Bereich von 50 bis 10OKeV praktisch zweckmäßig sind.Jie implantation can be with lower energies up to energies up to several thousand KeV can be carried out. A typical working range is 1 to 200KeV, with energies in the range from 50 to 10OKeV are practical.
Im i'alle der Ionenimplantation in Oberflächen von rostfreiem otahl bietet die Einführung von Kohlenstoff in die Oberflächen durch dieses Ionenimplantationsverfahren, das bei relativ niederen Temperaturen durchgeführt werden kann, Vorteile gegenüber Verfahren, die die Verwendung von hohen Temperaturen und Kohlenstoff-angereicherten Atmosphären vorsehen. Die Bezeichnung "niedere Temperatur", wie sie in dieser Beschreibung verwendet wird, bezeichnet Temperaturen von ungefähr Kaumtemperatur. Das Implantationsverfahren kann bewirken, daß sich die Temperatur des der Implantation unterworfenen Werkstücks leicht, d.h. um ungefähr 1 oder 20G erhöht, wobei dies Jedoch ohne BedeutungIn all of ion implantation in stainless steel surfaces, the introduction of carbon into the surfaces by this ion implantation process, which can be carried out at relatively low temperatures, offers advantages over processes which involve the use of high temperatures and carbon-enriched atmospheres. The term "low temperature" as used in this description refers to temperatures of approximately barely any temperature. The implantation process can cause the temperature of the workpiece to be implanted to increase slightly, that is to say by about 1 or 20 G, but this is of no importance
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ist. Unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ist es beispielsweise möglich, gehärtete Bereiche bzw. Felder auf rostfreien Stahlgegenständen herzustellen, die bisher nicht nach Hochpräzisionsnormen hergestellt werden konnten, weil nunmehr das Risiko des Verwerfens und der erhaltene Verlust an dimensioneller Präzision, der dadurch eintritt,, daß man die Gegenstände hohen Temperaturen unterwirft, auioer acht gelassen werden kann. Es können daher oberflächengehärtete Kugellager, Uhrenlager und ähnliche Gegenstände hergestellt werden, nachdem sie in den gewünschten Toleranzen in rostfreiem ütahl hergestellt sind; eine gehärtete Kante kann auf einer Rasierklinge aus rostfreiem Stahl hergestellt werden. Die Kosten derartiger Härtungsverfahren würden sehr gering sein, zum Beispiel im Falle von Uhrenlagern, wo es wegen ihrer Größe möglich wäre, eine Vielzahl (möglicherweise mehrere Hundert) Gegenstände in einem Implantationsarbeitsverfahren zu behandeln.is. For example, using the present invention it is possible to create hardened areas Manufacture on stainless steel objects that previously could not be manufactured according to high-precision standards, because now the risk of rejection and the loss of dimensional precision that occurs as a result, that the objects are subjected to high temperatures, but can be ignored. It can therefore be surface-hardened Ball bearings, watch bearings and similar items are manufactured after they are in the desired tolerances are made of stainless steel; a hardened one Edge can be made on a stainless steel razor blade. The cost of such curing processes would be very small, for example in the case of watch bearings, where, because of their size, it would be possible to have a large number Treating (possibly several hundred) items in an implantation procedure.
Esdst weiterhin möglich ziemlich genau die zur Behandlung vorgesehenen Bereiche bzw. Felder der Oberfläche durch geeignete Kontrolle des Ionenstrahls auszuwählen, der typischerweise wenige Millimeter breit sein kann; es kann auch eine Maske verwendet werden, die es ermöglicht, den ionenstrahl nur mit den ausgesetzten Feldern der zur Behandlung vorgesehenen Oberfläche in Kontakt zu bringen.You can still eat pretty much the treatment designated areas or fields of the surface select appropriate control of the ion beam, which may typically be a few millimeters wide; it can A mask can also be used which enables the ion beam to be treated only with the exposed fields to bring the intended surface into contact.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorausgehenden Fest-It should be noted that the previous festivities
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Stellungen im Hinblick auf die behandlung einer Vielzahl von Gegenständen und die Weise , in der Flächen selektiv behandelt werden können, auch für die Implantation von Chrom in Flußstahl anzuwenden sind.Positions with a view to treating a variety of objects and the way in which surfaces can be selectively treated, including for implantation of Chromium are to be used in mild steel.
Es werden nunmehr in beispielhafter Weise verschiedene Verfahren zur Durchführung der Erfindung beschrieben.There will now be various examples by way of example Method for carrying out the invention described.
In dem ersten Beispiel wurden Felder von Überflächen von rostfreiem Stahl $16 mit einem Strahl von Kohlenstoffionen behandelt. Eine Probe von rostfreiem Stahl $16 wurde in der Probenkammer eines linearen Beschleunigers befestigt und die Kammer evakuiert. Der lineare Beschleuniger wurde angestellt und der Ablauf entsprechend den normalen Arbeitsverfahren füiplineare Beschleuniger durchgeführt, bis ein Ionenstrahl auf das Ziel auftrifft. Die Ion»en hatten bei diesem Implantationsverfahren Energien von 100 KeV. Es wurde eine Kohlendioxidgasquelle und die magnetische Analyse verwendet, um aus den durch die Quelle gebildeten Ionen Kohlenstoffionen für die Implantation abzutrennen und auszuwählen. Die behandelten Bereiche, bei denen Kohlenstoffionen in eine Tiefe von wenigen tausend A implantiert wurden, waren vollständig resistent gegenüber Vibrierpolieren, während die unbehandelten Bereiche der Oberflächen ziemlich leicht entfernt wurden.In the first example, fields of stainless steel surfaces were $ 16 with a beam of carbon ions treated. A $ 16 stainless steel sample was mounted in the sample chamber of a linear accelerator and evacuated the chamber. The linear accelerator was turned on and the process followed normal working procedures füiplineare accelerator carried out until an ion beam hits the target. The Ions had energies of 100 KeV in this implantation process. It became a carbon dioxide gas source and the magnetic one Analysis used to separate carbon ions for implantation from the ions formed by the source and select. The treated areas where carbon ions are implanted to a depth of a few thousand Å were completely resistant to vibratory polishing, while the untreated areas of the surfaces were removed fairly easily.
In dem zweiten Beispiel wurden Felder von Oberflächen aasIn the second example, fields of surfaces were aas
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rostfreiem btahl 18-8 rait· einem Kohlenstoffionenstrahl behandelt, wobei das Verfahren im wesentlichen dem oben beschriebenen ähnlich ist. Es wurden Ergebnisse erhalten,die denen im Falle von rostfreiem ötahl 316 im ersten Beispiel ähnlich sind.stainless steel 18-8 rait · a carbon ion beam treated, the procedure being substantially similar to that described above. Results were obtained that those in the case of 316 stainless steel in the first example are similar.
In dem dritten Beispiel .wurden Oberflächen aus Flußstahl mit einem ütrahl von Chromionen mit Energien von 100 KeV. unter Verwendung eines linearen Beschleunigers in ähnlicher Weise wie oben beschrieben, behandelt. Es wurde eine Zerstäubungsquelle mit einem Chromstreifen als Quelle für Chromionen und die magnetische Analyse zur Auswahl von Chromionen zur Implantation verwendet. Chrom wurde in eine l'iefe von ein paar tausend & in die behandelten Felder implantiert und es wurde festgestellt, daß die Korrosionswiderstandsfähigkeit (zum Beispiel gegen Rostbildung) in diesen Feldern wesentlich verbessert wurde.In the third example, surfaces were made of mild steel with a beam of chromium ions with energies of 100 KeV. using a linear accelerator in the like Way as described above. It became an atomization source with a chrome strip as the source used for chromium ions and magnetic analysis to select chromium ions for implantation. Chrome was in implanted a depth of a few thousand in the treated fields and it was found that the corrosion resistance (for example against rust formation) in these fields has been significantly improved.
Die Carburierung von Metall mittels bisher bekannter Verfahren wird bei hohen Temperaturen, zum Beispiel 900 bis 1OuU0C, durchgeführt und hängt von der Kohlenstoffdiffundierung in das Metall, wie oben erwähnt, ab. Wenn daher die vorliegende Erfindung zur Implantation von Kohlenstoff bei einer hohen Temperatur verwendet wird, besteht ein Risiko, daß der Kohlenstoff in das Metall diffundiert und dais die mirtungswirkung bei oder nahe der Oberfläche zu Verlust geht. Die vorliegende Erfindung wird daher zweck-The carburization of metal by means of previously known methods is carried out at high temperatures, for example 900 to 10 uU 0 C, and depends on the carbon diffusion into the metal, as mentioned above. Therefore, when the present invention is used to implant carbon at a high temperature, there is a risk that the carbon will diffuse into the metal and that the cooling effect at or near the surface will be lost. The present invention is therefore intended
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mäßigerweise zur Implantation von Kohlenstoff bei Temperaturen unter ungefähr 600 (J verwendet.moderately for the implantation of carbon at temperatures used under about 600 (J.
jiine ähnlicüe situation besteht bei Chromionen.A similar situation exists with chromium ions.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OD | Request for examination | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8325 | Change of the main classification |
Ipc: C23C 14/48 |
|
| 8328 | Change in the person/name/address of the agent |
Free format text: SCHWABE, H., DIPL.-ING. SANDMAIR, K., DIPL.-CHEM. DR.JUR. DR.RER.NAT. MARX, L., DIPL.-PHYS. DR.RER.NAT., PAT.-ANW., 8000 MUENCHEN |
|
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |