DE2340282B2 - Verfahren zum Härten der Oberfläche eines Substrats durch Implantieren von Metallionen in die Oberfläche des Substrats und Aufbringen eines Metallüberzugs - Google Patents

Verfahren zum Härten der Oberfläche eines Substrats durch Implantieren von Metallionen in die Oberfläche des Substrats und Aufbringen eines Metallüberzugs

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Description

a) die Oberfläche des Substrats mit Ionen eines ι ο Metalls aus der Gruppe Scandium, Yttrium, Lanthan, Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadin, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Cer und Thorium in der Weise bombardiert wird, daß die Metallionen in eine vorher festgelegte ;> Eindringtiefe implantiert werden,
b) die Bombardierung mit Metallionen so lange fortgesetzt wird, bis in der festgelegten Eindringtiefe eine Sättigung an Metallionen auftritt, 2i)
c) die Bombardierung mit Metallionen weiter fortgesetzt wird bis zur Bildung eines Metallüberzugs auf der Substratoberfläche und
d) der dabei erhaltene Überzug auf der Substratoberfläche mit einem Element aus der Gruppe :> Kohlenstoff, Bor, Stickstoff und einem der genannten Elemente (mit Ausnahme des implantierten Metalls) umgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- jo zeichnet, daß als Substrat ein Kohlenstoff enthaltender Stahl, insbesondere ein 03 bis l,8Gew.-%, speziell 0,5 bis 0,8 Gew.-°/o kohlenstoff enthaltender Stahl verwendet wird, der vorzugsweise auf eine Temperatur innerhalb sein-s Austenit-Bereiches v, erhitzt und mit einer überkritischen Abkühlungsgeschwindigkeit abgekühlt wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten der Oberfläche eines Substrats durch Implantieren von Metallionen in die Oberfläche des Substrats und Aufbringen eines Metallüberzugs sowie das dabei erhaltene Produkt.
Das Schneidevermögen und die Lebensdauer von Schneiden beispielsweise von Messerklingen, hängen von der Anwesenheit einer Matrixstruktur aus einem schwach getemperten Martensit mit einer hohen Härte und der Einbettung einer ausreichenden Anzahl von fein und gleichmäßig verteilten Carbiden in dieser Matrix ab. Es sind bereits viele Verfahren bekannt, die zur Herstellung von Schneidwerkzeugen mit einer Schneide einer großen Härte und Haltbarkeit angewendet werden können. Bei rostfreiem Stahl wird bisher beispielsweise der Kohlenstoffgehalt des Stahlsubstrats erhöht, um den Mengenanteil der harten Chromcarbide in der Struktur zu erhöhen, wenn er für Schneidmaterialien verwendet wird. Es ist auch bereits bekannt, andere Carbid-bildende Legierungsbestandteile, wie Molybdän, Wolfram, Vanadin, Titan und dergl., dem Substrat zuzusetzen.
Auch überzogene bzw. beschichtete Substrate liefern gute Schneidwerkzeuge und gegen Verschleiß beständige Oberflächen. Da die Korrosion häufig ein Faktor ist, der die Schneidekanten oder verschleißfesten Oberflächen beeinträchtigt, sind die Korrosionsbeständigkeit erhöhende Legierungen oder Legierungselemente, die dem Substrat zugesetzt werden können, von großem Wert. Es sind bereits verschiedene Verfahren zum Überziehen bzw. Beschichten der Oberfläche eines Substrats mit einem Materia! bekannt, beispielsweise die in den US-Patentschriften 34 04 084, 29 16 409 und 31 92 892 beschriebenen Ionenbeschichtungsverfahren. Keines dieser bekannten Beschichtungsverfahren führt jedoch zu einer Schneidekante bzw. Schneide mit der gewünschten extrem hohen Härte.
Aus der US-Patentschrift 33 41 352 ist ein Verfahren zum Aufbringen eines Metallüberzugs auf ein Metallsubstrat unter Verwendung eines ionisierten Inertgasstromes bekannt Bei dem in der Schweizer Patentschrift 3 65 921 beschriebenen Verfahren wird die Oberfläche von Metallkörpern unter Anwendung einer elektrischen Gasentladung behandelt bei gleichzeitiger Implantierung von Fremdionen in die beschichtete Oberfläche. Keines dieser Verfahren liefert jedoch verschleißfeste Schneidekanten mit der gewünschten extrem hohen Härte. Zwar ist es aus »Vapor Deposition« von Powell et ai, i960, New York, Seiten 352—353, bekannt, daß Metalle mit Kohlenwasserstoffen zu Carbiden umgesetzt werden können, die sich durch eine außergewöhnlich hohe Härte auszeichnen, ein Hinweis auf die Anwendbarkeit dieses Verfahrens zum Härten von Schneidekanten findet sich darin jedoch nicht.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 02 015 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften von Stahlschneidekinten bekannt, bei dem die betreffende Schneidekante zur Erhöhung ihrer Härte einer lonenimplantationsbehandlung unter Verwendung von Metaüionen unterworfen wird. Nach diesem Verfahren ist es möglich, die Oberfläche eines Substrats durch Implantieren von Metallionen in die Oberfläche des Substrats und Aufbringen eines Metallüberzugs zu härten, die damit erzielbare Oberflächenhärte genügt jedoch nicht den Anforderungen, die an extrem verschleißbeständige und extrem harte Schneidkanten gestellt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu entwickeln, mit dessen Hilfe es möglich ist, die Oberfläche eines Substrats so zu härten, daß damit extrem verschleißfeste Schneidekanten bzw. Schneiden mit einer extrem hohen Härte hergestellt werden können.
Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst werden kann, daß man die Oberfläche des Substrats mit bestimmten Metallionen bombardiert, um die Metailionen in eine vorher festgelegte Eindringtiefe zu implantieren, und die Bombardierung mit diesen Metallionen so lange fortsetzt, bis in der festgelegten Eindringtiefe eine Sättigung an Metallionen auftritt und auf der Oberfläche des Substrats ein Metallüberzug entstanden ist, der durch Umsetzung mit bestimmten Elementen genärtet wird.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Härten der Oberfläche eines Substrats durch Implantieren von Metallionen in die Oberfläche des Substrats und Aufbringen eines Metallüberzugs das dadurch gekennzeichnet ist, daß
a) die Oberfläche des Substrats mit Ionen eines Metalls aus der Gruppe Scandium, Yttrium, Lanthan, Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadin, Niob. Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Cer und Thorium in der Weise bombardiert wird, daß die
Metallionen in eine vorher festgelegte Eindringtiefe implantiert werden,
b) die Bombardierung mit Metallionen so lange fortgesetzt wird, bis in der festgelegten Eindringtiefe eine Sättigung an Metallionen auftritt, =,
c) die Bombardierung mit Metallionen weiter fortgesetzt wird bis zur Bildung eines Metallüberzugs auf der Substratoberfläche und
d) der dabei erhaltene überzug auf der Substratoberfläche .nit einem Element aus der Gruppe Kohlenstoff, Bor, Stickstoff und einem der genannten Implantierungsmetalle (mit Ausnahme des implantierten Metalls) umgesetzt wird.
Zur Durchführung des erfindungsgerr.äßen Verfahrens verwendet man vorzugsweise als Substrat einen Kohlenstoff enthaltenden Stahl, insbewondere einen 0,3 bis 1,8 Gew.-%, speziell 0,5 bis 0,8 Gew.-% Kohlenstoff enthaltenden Stahl, der vorzugsweise auf eine Temperatur innerhalb seines Austenit-Bereiches erhitzt und mit einer überkritischen Abkühlungsgeschwindigkeit abgekühlt wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, durch Implantieren von bestimmten Metallionen in das Substrat und anschließendes Aufbringen eines Überzugs auf die Substratoberfläche, der anschließend durch chemische und/oder thermische Umsetzung gehärtet wird, die Oberflächenhärte des Substrats so stark zu erhöhen, daß daraus extrem verschleißfeste und extrem harte Schneidwerkzeuge und Abriebswerkzeuge hergestellt werden können, die ein überlegenes Schneidevermögen, eine verbesserte Haltbarkeit, Festigkeit und Korrosions- und Verschleißbeständigkeit aufweisen. Außerdem erhält man dabei ein Produkt, das gegen Wärmeschock sehr beständig ist und einen sehr y, niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Oberfläche des zu behandelnden Substrats, vorzugsweise ein Stahlsubstrat oder ein Eisen enthaltendes Legierungssubstrat, zunächst gereinigt, bevor Ionen der obengenannten Metalle in die Oberfläche des Substrats in eine vorher festgelegte Eindringtiefe implantiert werden. Zu diesem Zweck können neben den bereits genannten Elementen auch noch Elemente der Seltenen Erden, wie Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium, Metalle der Actiniden-Reihe, ·-,< > wie Actinium, Protactinium, Uran, Neptunium, Plutonium, Americium, Curium, Berkelium, Californium, Einsteinium, Fermium, Mendelevium, Nobelium und Lawrencium, Eisen, Kobalt, Nickel und Bor verwendet werden. >->
Nach dem Implantieren von Ionen der genannten Metalle in eine vorher festgelegte Eindringtiefe wird die Bombardierung mit den Metallionen so lange fortgesetzt, bis in der festgelegten Eindringtiofe eine Sättigung an Metallionen auftritt und auf der Substratoberfläche μ ein Metallüberzug entstanden ist, der durch Umsetzung mit Kohlenstoff, Bor, Stickstoff oder einem der genannten Implantierungsmetalle mit Ausnahme des implantierten Metalls unter Bildung eines Carbids, Borids, Nitrids oder einer entsprechenden Metallverbindung des Besehichtungsmctalls gehärtet und anschließend noch abgeschreckt wird, wenn es sich bei dem Substrat um Stahl handelt. Nach dieser Behandlung des Substrats erhält man einen superharten Martensii und einen viel härteren Überzug aus der Carbid-, Borid-, Nitrid- oder Metallverbindung, der eine ausgezeichnete Schneidekante bzw. Schneide ergibt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
Fig.. 1 eine Mikrophotographie eines unlegierten Kohlenstoffstahls, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt worden ist, und
Fig. 2 eine Mikrophotographie eines unlegierten Kohleristoffstahls, welcher der gleichen Wärmebehandlung unterzogen worden ist, in den jedoch keine Ionen implantiert worden sind.
Die Ionenimplantation in einen Kohlenstoff enthaltenden Stahl in Kombination mit einer Härtungsbehandlung führt unabhängig von dem implantierten Material zu einem superharten Martensit. Beim Implantieren von Ionen in ein Siahlsubstrat sollte der Kohlenstoffgehalt des Substrats innerhalb des Bereiches von 0,3 bis 1,8 Gew.-% liegen, wobei der optimale Bereich 0,5 bis 0,8 Gew.-% ber i.gL Ein Substrat mit einem Kohlenstoffgehalt unterh&i'r 0,3% wird ais »weicher Stahl« bzw. »Schmiedeeisen« bezeichnet und ist für Schneidwerkzeuge und verschiedene verschleißbeständige Gegenstände zu weich. Seine Überzüge brechen leicht, wenn der Träger oder das Substrat viel weicher und schwächer ist als der Überzug selbst. Deshalb sollten die Substrate hart sein, vorzugsweise aus gehärtetem Stahl. Es besteht nämlich keine maximale Grenze bezüglich des /Cohlenstoffgehaltes innerhalb des Substrats, er hängt davon ab, wie spröde das Substrat sein soll, nachdem wie oben angegeben, abgeschreckt worden ist. Bei dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl kann es sich um irgendeinen Stahl oder um irgendeine Eisen enthaltende Legierung handeln.
Durch die Ionenimplantation wird der Vorteil erzielt, daß die gehärtete Matrix härter als der Martensi t ist, wie er durch normale Härtungsmethoden erhalter. wird. Die Ionenbeschichtung in Kombination mit einer Härtung der mit Ionen implantierten Matrix stellt ein Verfahren ^.ur Erzielung härtester Überzüge auf einer superharten Matrix dar, was nach keinem anderen Verfahren erzielbar ist. Gleichzeitig ist die Haftung zwischen dem Überzug und der Matrix besser als die nach irgendeinem Verfahren erzielbare Haftung.
Die erste Stufe in dem erfindungsgemäßen lonenbeschichtungsverfahren besteht darin, das Substrat zu reinigen. Das Substrat wird auf irgendeine geeignete Weise gereinigt und dann schnell so auf einem Metallgestell befestigt, daß die Kanten, die mit Ionen beschichtet werden sollen, freiliegen. Das Gestell wird für die lonenimplan'ation und für die Beschichtung in ei' fc Vakuumkammer überführt, wobei das Substrat die Kathode bildet.
Die Kamme; wird bis zu einem Vakuum von 2,67 χ 10"3Pa oder einem noch besseren Vakudm unter häufigem Spülen mit Argongas evakuiert. Ein solcher niedriger Druck ist erforderlich, um das Plasma aufrechtzuerhalten. Es wird Argongas in die Kammer eingelassen. An die Kathode (Substrat) wird dann ein elektrisches Potential angelegt und allmählich erhöht. bis ein Argonplasma gebildet wird. Es wird Argon verwendet, weil es mit dem Substrat oder mit den durch Ionen zu beschichtenden Material nicht reagier und ein genügend hohes Atomgewicht hat, wodurch die Aufprallkraft der Ionen auf das Substrat erhöht und dadurch eine bessere Reinigunpswirkung erzieh wird.
Die Plasmabildung beginnt innerhalb des Bereiches von 1 kV und 50 mA und kann dann bei viel niedrigeren Potentialen aufrechterhalten werden. Die Energiezufuhr kann je nach den Erfordernissen variiert werden. Das mit den Ionen zu beschichtende Objekt wird zuerst mit dem Argonplasma durch Ionen gereinigt. Das als Ionen aufzubringende Material bildet in Form eines F:adens (z. B. eines Wolframdrahtes) oder in Form eines geschmolzenen Metallvorrates, der durch eine Elektronenkanone erhitzt worden ist, innerhalb der Kammer die Anode. Indem man einen ausreichenden Strom durch diesen Faden leitet, während das Argonplasma aufrechterhalten wird, wird der Faden (die Anode) allmählich erhitzt, bis das Material auf der Anode schmilzt und verdampft. Die ionisierten Partikel werden von der Kathode (dem mit Ionen zu beschichtenden Gegenstand) wegen der großen Potentialdifferenz (die v'.)ii 500 bis 50 000 V vai iicicn kann) angezogen iinu sie bewirken eine Ionenimplantation.
Tatsächlich werden die ersten Ionen, die auf die S.ibstratoberfläehe auftreffen, in das Substrat implantiert. Wenn das Substrat durch die Ionenimplantation »gesättigt« ist, wird der Rest der Ionen auf der S.jbstratoberfläche abgelagert. Die Eindringtiefe der ionenimplantation in da·; Substrat hängt von der Härte des Substrats ab. Im allgemeinen ist ein Substrat mit einer Harte von weniger als 50 Rockwell C bevorzugt.
Es ist nicht bekannt, ob die implantierten Ionen mit dem in dem Substrat vorhandenen Kohlenstoff reagieren und dabei einen Niederschlag bilden oder »in Lösung« innerhalb des Kristallgitters des Substrats vorhanden sind. Die durch die implantierten Ionen gebildeten Verbindungen sind zu klein, um nach den heutigen Methoden beobachtet werden zu können. Die implantationszeit kann von Bruchteilen von Sekunden bis zu mehreren Minuten variieren.
Das obige Verfahren kann mit einer Reihe von Stahl oder Eisen enthaltenden Legierungen, beispielsweise bei Industrieklingen, Bandsägen, Feilen. Nägeln und dergl.. sowie bei anderen Metallen und Formen, wie z. B. Fleischzerhackerplatten, durchgeführt werden.
Es können die verschiedensten Elemente in Form von Ionen auf das Substrat aufgebracht werden. Neben den bereits genannten Elementen können auch noch Elemente der Seltenen Erden, wie Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium. Europium, Gadolinium, Terbium. Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium, Metalle der Actinidenreihe, wie Actinium, Protactinium. Uran, Neptunium, Plutonium. Americium, Curium, Berkeliur.·, Californium. Einsteinium, Fermium, Mendelevium, Nobelium und Lawrencium. Eisen, Kobalt, Nickel und Bor verwendet werden. Einige dieser Metalle machen die Verwendung einer Hochenergie-Verdampfungseinheit, beispielsweise einer Elektronen kanone, erforderlich, wenn sie verdampft werden sollen. Bei der großtechnischen Herstellung ist die Verdampfung durch Elektronenbeschuß bevorzugt
Verschleißbeständige und korrosionsbeständige Schneidekanten bzw. Schneiden werden erhalten mit superharten Materialien, die der mit Ionen implantierten Substratoberfläche zugesetzt werden können. Die härtesten bekannten Materialien sind Carbide, Boride und Nitride und Verbindungen der Obergangselemente mit Elementen der zweiten Periode, wie z. B. TiC, ScN, VC, Cr4C3, TiB, B4C und BN. Außerdem kann jedes Metall innerhalb der oben angegebenen Liste von Ionenbeschichtungsmaterialien außer dem bereits auf das Substrat aufgebrachten Metall der mit Ionen
implantierien Substratoberfläche zugesetzt werden. Diese Materialien können dem Substrat in Form von Verbindungen zugesetzt werden, diese sind jedoch sehr stabil und schwierig zu verdampfen. Die beste Methode besteht darin, das reine Metall (Ti, Cr, B, Sc usw.) in Form von Ionen auf das Substrat aufzubringen und dann das Metall in das jeweilige Carbid. Borid oder Nitrid zu überführen.
Ob nun Kohlenstoff. Bor oder Stickstoff verwendet wird, hängt von dem Substratüberzug ab. So ist beispielsweise Kohlenstoff das beste Mnlcrial für die Reaktion mit Titan, während Bor am besten mit Vanadin und Stickstoff am besten mit Scandium reagieren. Die Carburierung, Boridierung (Boridhärtung), Nitrierung (Nitridhärtung) oder Metallisierung muß in einer sauerstofffreien Atmosphäre durchgeführt werden, weil auf dem Substrat ein Oxid des Metalls gebildet werden könnte, uas spiüuei als das Cai'uiu, Bor tu ouei Niinu dieses Metalls ist. Die Carburierung kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden: Ein Kohlenstoff enthaltendes Gas, wie z. B. ein Kohlenwasserstoff, kann zusammen mit dem beschichteten Substrat auf eine Temperatur innerhalb des Bereiches von 600 bis 900"C (in der Regel oberhalb etwa 8000C) erhitzt werden, wodurch der Kohlenstoff und der Metallüberzug miteinander reagieren unter Bildung eines Carbids, wie z. B. TiC i.nd dergl. Das beschichtete Substrat kann aber auch auf irgendeine andere geeignete Art und Weise carburiert werden, beispielsweise unter Anwendung irgendeiner üblichen Kasten-, Cyanid- oder Gascarburierungsmethode. Es kann auch in einem durch eine Stickstoff/Propan-Mischung gebildeten Plasma (oder in irgendeiner anderen carburierenden Gasmischung, die durch einen Lichtbogen verdampften Kohlenstoff enthält) behandelt werden.
Die letzte Stufe ist die Härtung des carburierten, boridierten. nitrierten oder metallisierten Substrats, um das Substrat in den martensitischen Zustand zu überführen. Die Härtung kann auf irgendeine übliche Art und Weise erfolgen, beispielsweise durch Abschrekken in Wasser (z. B. durch Erhitzen des Substrats bis auf eine Temperatur innerhalb des Austenit-Bereiches und Abkühlen desselben mit einer überkritischen Abkühlungsgeschwindigkeit), durch Induktions- oder Impulshärtung. Die Härtung kann als getrenntes Verfahren nach dem Legieren des Überzugs oder im Rahmen eines kombinierten Verfahrens durchgeführt werden. Besonders vorteilhafte Eigenschaften wurden erzielt durch schnelles Erhitzen der Schneidekante (Schneide) oder eines Sägezahns und Abschrecken in einem Kühiungsmittel oder unter Verwendung der Matrix als Kühlblech.
Die Eindringtiefe der Ionen in das Substrat kann durch eine Reihe von Faktoren, beispielsweise durch die Verdampfungsgeschwindigkeit, durch die Zeit, das Potential, den Druck und die geometrische Form des Substrats gesteuert werden. Die Eindringtiefe beträgt normalerweise 0,025 bis 0,508 mm.
Normalerweise hat der Martensit der Schneidekanten eine Knoop-Härte von 850 bis 900, wobei ein Wert von 1000 etwa das Maximum darstellt Schneidkanten oder Abriebsmaterialien, die erfindungsgemäß behandelt worden sind, weisen einen Martensit mit einer Knoop-Härte auf, die mehr als 1200 beträgt Im Falle der Titanionenimplantation ist es das Titancarbid, das der superharten Martensitmatrix die sehr hohe Härte verleiht Im Falle der Eisen- und Nickelionenimplantation wird ein Martensit mit einer verbesserten Härte erhalten.
Ein Stück aus einem unlegierten Kohlenstoffstahl, der auf übliche Weise carburicrt und gehärtet worden war, wies einen Martensit auf, der eine Glasplatte nicht ritzte. Der in mil Nickel- und Eisenionen beschichtetem Stahl erhaltene Martensit ritzte jedoch wiederholt Glas. Die mit Titanionen beschichteten und anschließend earburiertcn Oberflächen schneiden Cjlas fast ebenso gut wie Demanten.
Zwei Feilen, eine im geglühten (getemperten) und die andere im gehärteten Zustand, wurden mit Titanionen implantiert und beschichtet. Sie wurden in einer Mcthan-Wasserstoff-Atinosphäre carburicrt und durch Abschrecken mit Wasser gehärtet. Dabei wurde gefunden, daß zwischen den beiden ein Unterschied in bezug auf die Knoop Härte von nahezu 300 Punkten bestand:
lon-behandcltc Feile
Nicht - Ifin-hohiinilpltf1
1120
Es wird angenommen, daß dieser Unterschied in bc/ug auf die Härte darauf zurückzuführen ist, daß Fehlstellen in das Material eindringen können. Der Mechanismus der Bildung von superhartem Martensit ist höchstwahrscheinlich der. daß die auf die Metalloberfläche auftreffenden Atome eine Fehlstelle erzeugen, die sich bis in eine bestimmte Tiefe in das Material hineinbewegt und die auftreffenden Atome mit sich führt. Weiche Materialien erleichtern die Wanderung von Fehlstellen und können deshalb auftreffende Atome absorbieren, so daß sie tiefer unter die Oberfläche eindringen.
Ein Vorteil, der durch die vorliegende Erfindung erzielt wird, ist der, daß dadurch eine Haftung des Überzugs an dem Substrat erzielt wird, die größer ist als die Festigkeit des Substrats. Auf einen Teil des überzogenen Substrats wurde ein Klebstoff aufgebracht. Bei dem Versuch, den Überzug von der Substratoberfläche abzuziehen, brach unter der Spannung entweder das Substrat oder der Klebstoff. Die »Verbindungsstelle« oder die Überzugs/Substrat-Grenzfläche brach niemals.
Nach dem Verfahren der Erfindung erhält man einen Überzug auf einem Substrat, der gegen Wärmeschock sehr beständig ist. Extreme und plötzliche Temperaturänderungen beeinflussen weder den Überzug noch die Verbindungssielle. Dies kann durch geeignete Auswahl eines Überzugs mit einer geringeren Wärmedehnung
Tabelle II
als das Substrat erzielt werden. Wenn nach den Beschichten bei einer etwas höheren Temperatui abgekühlt wird, wirken auf den Überzug Druckspannun gen ein. Auch durch geeignete Auswahl eines Überzugs materials mit einem niedrigen Reibungskoeffizienter wird das Erwärmen durch Reibung, z. B. bei Hackplat ten beim Schneiden von Fleisch, verhindert. Eir Titancarbidüberzug beispielsweise liefert gleichzeitig beide Vorteile und deshalb wird die Beständigkeit geger Wärmeschock erhöht.
Die Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung zeigt eine Mikrophotographie einer Probe A eines unlegierten mit Titanionen beschichteten Kohlenstoffstahls, der mil einem durch eine Stickstoff/Propan-Mischung gebildeten Plasma carburicrt und in Wasser abgeschreckt worden ist.
Die Fig. 2 der beiliegenden Zeichnung zeigt eine Mikrophotographie einer Probe B des gleicher unlegierten, carburieren und abgeschreckten Kohlenstoffstahls wie die Probe A, diesmal jedoch ohne Ionenbeschichtung. Die Testbelastung für beide Prober A und B betrug 100 g. Die Vergrößerung der F i g. I und 2 ist 250fach.
Wie aus der folgenden Tabelle I ersichtlich, waren die Knoop-Härtewerte für die carburierte Probe (Probe B] ziemlich konstant und ähnlich denjenigen eines normalen Stahls. Bei der mit Ionen implantierten Probe (Probe A) war jedoch die Oberflächenhärte sehr viel höher.
Tabelle I
Knoop-Iliirle-Wcrtc
Belastung IfJOg		 I'robc Λ I'robc B
1480
1110
1080
915
910		 885
885
880
880
880
Kante (Schneide)
Im Innern
Typische Härtewerte für Proben unter variierenden r, Versuchsbedingungen in bezug auf Spannung, Strom, lonenbeschichtungsmaterialien und Ionenbeschichtungszeit sind in der folgenden Tabelle II angegeben.
Mit Ionen
beschichtetes
Maleria!
lonenbeschichtungs-Material
und -Atmosphäre
lonen-
beschich-
tungszeit
(Min.)
Spannung Strom
Carburierungsmed.
(kV) (mA)
Knoop-Härte in der Nähe der Oberfläche
(50 g)
Bemerkungen
1. Unlegierter
Kohlenstoffstahl
2. desgl.
3. desgl.
4. desgl.
5. desgl.
6. desgl.
7. desgl.
8. desgl.
Ti/Argon
desgl.
desgl.
desgl.
desgl.
Fe/Argon
Al/Argon
Ti/Propan
100
1180
1/2
2
4
2
2
2
2
2
100 C + Hj 1020
100 +C + Hj 1230
100 +C + Hj 1240
100 +C + Hj 1050
100 +C + Hj 1160
100 +C + Hj 950
100 impuls- 1030
gehärtet
ritzte Glas wiederholt und tief
mäßig
gut
gut
mäßig
gut
schlecht
mäßig
ίο
l'ortsct/ιιημ lonen- loncn- Spannung Strom t'arbi'rie- Knonp-I liirle Hemerkungen
Mit Ionen beschich- heschich- rungsmed. in der Nähe der
beschichtetes tungs-Matcrial tungs/cit Oberfläche
Material und -Atmo
sphäre (Min.) (kV) ImA) (50 g)
Ti/Argon 3 3 100 1C + II2 1120 sehr gut
9. Stahlfeile
getempert desgl. 3 3 KK) 'C + II, 825 schlecht
10. Stahlfeile
gehärtet - - - - Nj-C1Hs/ 885 schlecht
11. Unlegierter Plasma
Kohlenstoff
stahl - - - impuls- 965 schlecht
12. desgl.
gehärtet
I.) Alle Proben wurden 2 Minuten lang in Argon einer Ionenreinigung unterzogen mit Ausnahme der Probe 2. 2.) 'C = Kohlenstoff enthaltende gasförmige Verbindung, /.. B. Methan.
Die vorstehend beschriebenen Versuche wurden wiederholt, wobei diesmal anstelle von Titan Chrom, Vanadin, Molybdän, Zirkonium, Yttrium, Tantal und Cer r. als lonenimplantierungs- bzw. lonenbeschichtungsmetall zum Härten der Oberfläche eines unlegierten Kohlenstoffstahl-Substrats verwendet wurden. Dabei wurden die gleichen Ergebnisse wie bei Verwendung
von Titan erhalten. Die mit Molybdän, Zirkonium und Niob erzielten Metallüberzüge waren zwar verhältnismäßig dünn, sie konnten jedoch durch Verwendung einer Elektronenkanone, mit deren Hilfe auch die sehr hochschmelzenden Metalle in ausreichendem Maße verdampft werden konnten, auf die gewünschte Dicke gebracht werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Härten der Oberfläche eines Substrats durch Implantation von Metallionen in die -, Oberfläche des Substrats und Aufbringen eines Metallüberzugs, dadurch gekennzeichnet, daß
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