DE2361017A1

DE2361017A1 - Verfahren zum borieren

Info

Publication number: DE2361017A1
Application number: DE2361017A
Authority: DE
Inventors: Erwin G Preuschen
Original assignee: VAC HYD PROCESSING GmbH
Current assignee: VAC HYD PROCESSING GmbH
Priority date: 1973-12-04
Filing date: 1973-12-04
Publication date: 1975-06-05
Also published as: DE2361017B2; DE2361017C3

Description

Hamburg, den JO₀ Oktober 1973

Anmelder;

Vac-Hyd Ecocessing GmbH

2358 Kaltenkirchen
Kisdorfer Weg

Verfahren zum Borieren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Borieren der Oberfläche metallischer Werkstücke, wobei die Oberfläche eines Werkstückes zunächst gereinigt und dann mit einer borhaltigen Masse bei einer Temperatur über 700⁰C in Berührung gebracht wird ο

Verfahren dieser Art sind als Einsatz-Härteverfahren bekannt» Sie werden angewendet, um die Oberfläche bestimmter Teile besonders zu härten, wenn nur die Oberfläche eine solche Härte aufweisen muß und für das Material, das den Kern der so

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behandelten Teile bildet, eine geringere Härte genügt. Es ist weiter bekannt, daß Bor selbst bei hohen Temperaturen nur in äußerst geringen Prozentsätzen im Stahl löslich ist," aber, selbst bei diesen geringen Mengen die Härtbarkeit beträchtlich steigert« So kann durch die Borierung der Oberfläche z.B„ eines Stahlwerkstückes die Verwendung teurer Legierungselemente für das Material des gesaraten Werkstückes gespart werden,,

In ähnlicher Weise werden nach bekannten Verfahren kohlenstoffarme Einsatzstähle in kohlenstoffabgebenden Medien aufgekohlt, wobei anschließend wie bei normalen Kohlenstoffstählen gehärtet werden kann» Hierfür sind auch Kohlungspasten entwickelt worden, die nur an den Stellen zementieren, an denen sie aufgetragen werden,,

Weiter ist es bekannt, die Oberfläche eines Nitrierstahles durch Nitrieren mit Stickstoff anzureichern, um eine sehr harte, aber dünne Nitrierschicht zu bilden«, Hierzu wird der Stahl im Ammoniakstrom bei 500 C mit nachfolgendem langsamen Abkühlen behandelt« Das Nitrieren hat den Vorteil, daß das Material sich nicht verzieht, da kein Abschrecken erforderlich ist₀ Nachteile des Nitrierverfahrens bestehen darin, daß die Behandlung ziemlich lange dauert, etwa 50 bis 100 Stunden, und dementsprechend hohe Energiemengen erfordert. Ein weiterer Nachteil besteht in der geringen Dicke der erzielten Härteschichtc Obwohl diese Schicht härter als eine Schicht ist,

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die durch Einsatzhärten mit Kohlenstoff hergestellt wird,, ist sie spröder und dünner,· so daß bei starkem Druck die Siiicht durchbrechen kann«, Ein weiterer Nachteil dieses auf Stahl anwendbaren Verfahrens besteht darin, daß im Stahl von vornherein Nitridbildner, z.B_o Chrom, Molybdän und besonders Alluminium enthalten sein müssen«

Bei Borierungsverfahren sind derartig lange Wärmebehandlungen nicht erforderliche Die dabei erreichbare Härte ist im. allgemeinen auch größer als beim Aufkohlen· Beim sogenannten Diffusionsglühen, bei dem ein Werkstück in eine Masse eingesetzt wird, aus der bei der Behandlungstemperatur Bor in die Oberfläche des Werkstückes einwandert, ergibt sich die Schwierigkeit, eine ausreichend gleichmäßige Oberflächenschicht zu erzielen. Im allgemeinen zeigt die Oberfläche eines derart behandelten Werkstückes ein sehr ungleichmäßiges kristallines Gefüge« Bei Werkstücken,- bei denen es auf die Einhaltung, bestimmter Toleranzen ankommt, werden dementsprechend Nachbearbeitungen erforderlich« Derartige Nachbearbeitungen sind aufgrund der Borierung besonders schwierig und kostspielige

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Borierung sverfahren zu schaffen, das die Erzielung eines Oberflächenschicht mit sehr gleichmäßigem Gefüge und in gleichmäßiger Stärke gestattet, so daß die Nachbearbeitung in dem bisher üblichen Umfange entfällt· ■ -

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Nach der Erfindung ist ein Verfahren zum Borieren der Oberfläche metallischer Werkstücke, wie eingangs erwähnt, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück zunächst im wesentlichen fertig bearbeitet und daß nach der Reinigung auf seine Oberfläche eine Schicht einer Masse aufgetragen' wird, die eine beim Diffusionsglühen borabgebende Verbindung enthält, worauf das Werkstück auf eine Temperatur im Bereich von etwa 7QQ bis 110O⁰G erwärmt wird«, Besonders genaue Dosierungen sind erfindungsgemäß durch mehrmaliges Auftragen und Erwärmen des Werkstückes möglich. Auf diese Weise können z.B. auch die Wandungen von Bohrungen ausreichend boriert werden, deren Durchmesser in der Größenordnung der angestrebten Schichtdicke liegt»

Die Erfindung sieht weiter vor, daß auf das zu behandelnde Werkstück eine Masse aufgetragen wird, die eine borhaltige Verbindung oder borhaltige Verbindungen und ein Bindemittel . enthält, das sich im Temperaturbereich zwischen 100 und 500⁰C zersetzte Vorzugsweise wird mit einem Bindemittel gearbeitet, das sich in einem Temperaturbereich über 25O⁰C zersetzte

Um eine unerwünschte Einwirkung von Zersetzungsprodukten auf die Oberfläche des Werkstückes zu verhindern, wird vorzugsweise mit einem Glühmedium gearbeitet, das entsprechend eingestellt ist. Bei Verwendung von Bindemitteln auf der Basis von Kunstharzen ist als Glühmedium ein entoxidierendes und/ oder reduzierendes Gas vorgesehen, das vorzugsweise aus Wasser-

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stoff besteht oder Wasserstoff enthalte .

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungsfiguren, in denen die Erfindung ausführlich erläutert und dargestellt ist_o
Es zeigen : '

Figo 1 eine vergrößerte Fotografie eines Schnittes

durch die Oberfläche eines in bekannter Weise borierten Werkstückes und

Pig« 2 eine in gleicher Weise wie Figo 1 hergestellte,

vergrößerte Fotografie eines Schnittes durch die Oberfläche eines erfindungsgemäß borierten Werkstückes O

• -

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet vor allem die Herstellung einer äußerst gleichmäßigen borierten Oberflächenschicht« Die Gleichmäßigkeit bezieht sich einerseits auf die Struktur der Schicht, andererseits auf die Dicke ο Dabei gestattet die Erfindung, die Schichtdicke, d,h_o die Eindringtiefe der Diffusion, innerhalb praktischer Grenzen genau zu bestimmen«) Durch das Auftragen einer für das Diffusionsglühen geeigneten Masse auf die Oberfläche des Werkstückes ist es schließlich auch möglich, nur Teilflachen eines Werkstückes dem Borierungsverfahren zu unterziehen«, . ·

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Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, daß ein Werkstück zunächst völlig fertig bearbeitet wird, d_oh. die Oberflächen erhalten die Form und Abmessungen, die für das fertige Werkstück verlangt werden. Das derart bearbeitete Werkstück wird gründlich gereinigte Hierzu wird es in ein Bad gesetzt, das aus der wässerigen Lösung eines üblichen Metallreinigung^ ittels besteht, die durch Ultraschall zusätzlich erregt wird. Anschliessend wird das Werkstuck abgespült und z.B„ in einem Bad aus Trichloräthylen entfettet«, Stattdessen können auch andere übliche Entfettungsbäder verwendet werden« Das aus dem Entfettungsbad kommende Werkstück wird noch mit Aceton gewaschen, um eine chemisch saubere Oberfläche herzustellen« Im Acetonbad werden insbesondere Reste des Entfettungsvorganges und Fingerspuren beseitigt« Um eine erneute Verschmutzung der Oberfläche zu vermeiden, wird das Werkstück entweder mechanisch mit Greifvorrichtungen oder von Hand unter Benutzung von Stoffhandschuhen aus dem Acetonbad herausgenommen und weiterbeforderte

Die zum Borieren auf das Werkstück aufzutragende Masse besteht aus einem fernkörnigen, borhaltigen Pulver. Vorzugsweise liegt der K«rndurchmesser dieses Pulvers zwischen 1 und 10 ,u_o Die Korngröße soll die hier angegebene obere Grenze vorzugsweise nicht überschreitenο Borierpulver, die für diesen Zweck verwendbar sind, sind unter den Bezeichnungen SO95 und EKabor von der Firma Elektroschmelzwerk Kemmten erhältliche Ebenfalls

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verwendbar sind Pulver, die von der Firma Advanced Metals Inc., Boston, U₀S₀A., unter den Bezeichnungen Borkote und" Implife in den Handel gebracht warden« Als Bindemittel sind • z.B. Acrylesterharze verwendbar, z.B₀ die unter der Bezeichnung _. "Acryloid A-30" von der Firma Röhra & Haas, U.S_oA_e, angebotene Sorteo Als Verdünnungsmittel ist Aceton verwendbare Die Mengenmäßige· Zusammensetzung und Konsistenz der aufzutragenden Masse richtet sich einerseits nach der Stärke der zu erzielenden Schicht, andererseits nach der Auftragungsart_o Vorzugsweise" wird ein Auftragungsverfahren gewählt, das auch eine sehr gleichmäßige Äuftragsschicht gewährleistet, z.B. das Aufspritzen» Bei größeren ebenen Flächen kann die Masse auch aufgespachtelt werden,, Weitere Auftragungsmöglichkeiten bestehen im Tauchen,, Bei der Behandlung von Bohrungswändenj insbesondere bei kleinen

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Durchmessern, werden die Borungen mit der-Masse gefüllt₀ Eine genaue Abgrenzung der zu behandelnden und behandlungsfrei bleibenden Flächen ist nach dem Antrocknen der aufgebrachten Masse möglich, indem über irgendwelche' Ränder oder Grenzen hinüberreichende Auftragsschichten mechanisch und/oder durch Lösemittel entfernt werden*,

Nach dem Auftragen und Antrocknen der das borhaltige Pulver enthaltenden Masse wird das Werkstück in die Glühvorrichtung eingesetzte "Die zu borierenden Flächen dürfen sich dabei nicht berühren«, Die Teile müssen so angeordnet sein, daß sie besonders an den nicht beschichteten Oberflächen von dem Glühmedium

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umspült werdeno Dementsprechend ist eine punktweise Abstützung der zu behandelnden Teile vorgesehen«,

Bei dem anschließenden Diffusionsglühprozeß wird eine Diffusionstemperatur gewählt, die.je nach dem Material des Werkstückes zwischen 700° und 1100⁰C liegt« Als Glühmedium wird ein Gas oder ein Gasgemisch verwendet, das entoxidierend a±k und/oder reduzierend wirkt und dafür sorgt, daß Oxide, die durch die Wärme und die Zersetzung des Bindemittels an der Werkstückoberfläche sich bilden können, sofort wieder beseitigt werden, so daß auch an den nicht von der Behandlungsmasse überdeckten Oberfläche des Werkstückes kein bleibendes Oxid gebildet wird«. Bei der Verwendung von Bindemittel auf der Basis von Acrylesterharz und von Aceton als Lösemittel wird ein Gas oder Gasgemisch mit einem Taupunkt von minus 58⁰C und tiefer gewählt« Den Bedingungen genügt z.B„ Wasserstoffe Bei entsprechender Anpassung kann auch eine Formiergasmischung aus Stickstoff und Wasserstoff verwendet werden«.

Die Behandlungsdauer des Diffusionsglühprozesses hängt ab von ]

I der gewählten Temperatur, von dem Material des Werkstückes und ;

der angestrebten Diffusionsschichte Sie beträgt zumindest eini- j ge Minuten und kann bis zu mehreren Stunden dauern«. Werkstücke, für die eine besondere Präzision angestrebt wird, werden vorzugsweise im Bereich der unteren Grenztemperatur über längere Zeit,· bis zu 10 Stunden, behandelte

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Bei etwa erforderlicher Wärmenachbehandlung wird vorzugsweise im Vakuum gehärtete Anschließend wird unter Vakuum in Öl abgeschreckt, oder im unterkühlten ' Gas-Umspülverfahren <> Danach werden die Werkstücke in entoxidierender Atmosphäre angelassen»

Zur Beseitigung irgendwelcher Reste der aufgetragenen Börierungsschicht wird eine Nachreinigung vorgenommen_o Hierzu werden die Werkstücke zunächst in einer temperierten, wässerigen Lösung eines Reinigungsmittels, z.B» in einer Detergentienlösung.von etwa 80 C, eingeweichte Dänach werden die Werkstücke in ein Bad gebracht, das aus der gleichen Lösung besteht, die jedoch noch nicht mit Resten der Beschichtung verunreinigt ist und die durch Ultraschall erregt wird_o Anschlies-•send wird mit klarem Wasser nachgespült und in Luft getrocknet* Die getrockneten Werkstücke werden mit einem üblichen Konservierungsöl nachbehandelt, um die Oberfläche gegen Umweltein- · flüsse zu schützen,,

Das erfindungsgemäße Verfahren wird hauptsächlich für Stahlwerk stücke verwendet _o Es ist jedoch auch für Werkstücke aus anderen Metall-Legierungen verwendbar, sofern die Oberflächen die Diffusion von Bor gestatten_o Durch wiederholte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine größere Diffusionstiefe, doho auch eine dickere Borierungsschicht erzielt<, Bei der Bearbeitung von Stahlwerkstückenj bei denen Öberfiächeri-

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abschnitte freibleiben, hat dann das Glühmedium die besondere Aufgabe, auch eine Entkohlung der Oberflächenschicht zu verhindern«, Das Gas wird vorzugsweise mit einem solchen Überdruck durch den Behandlungsraum geLeitet, daß das Material ausreichend umspült und eine dauernde Veränderung der Oberfläche durch Oxidierung und/oder Entkohlung verhindert wird«

Ein Vergleich der Fig. 1 und 2 zegt deutlich die Verbesserung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbar· ist_o In Figo 1 ist die B-orierungsschicht an der Oberfläche des Werkstückes durch ein übliches Einsetζverfahren hergestellt worden* Die Schicht ist in ihrer Struktur und auch in der Diffusionstiefe verhältnismäßig ungleichmäßige Obwohl damit vielleicht eine ausreichende Härtung erzielt werden kann, ist eine solche Schicht sehr empfindlich«, Die grobe Struktur der Schicht kann sogar dazu führen, daß bei vorgeschriebenen engen Toleranzen Nachbearbeitungen erforderlich werden können«, Mit dem bekannten Verfahren ist es auch nicht möglich, bei Bohrungen mit kleinem Durchmesser die Wandungen zu borieren.

Dagegen zeigt Figo 2 deutlich den erfindungsgemäß erzielbaren Fortschrittο Die durch die Diffusion entstandene Schicht zeigt eine äußerst gleichmäßige Struktur und Stärke_o Vorher festgelegte Abmessungen werden durch die erfindungsgemäße Behandlung nicht veränderte Das gilt besonders für Oberflächenabschnitte,

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die behandlungsfrei bleiben sollen«,

Fig. 1 zeigt einen Hemmkeil, 4m,. aus 100 Cr 6, der im üblichen Eisetzverfahren 2 Stunden lang bei 100O⁰C behandelt ist. Die Schichtdecke ist ungleichmäßig; sie betragt etwa 0,16mm. Die Vergrößerung ist etwa 60:1.

Fig. 2". zeigt einen gleichen-Hemmkeil, der aber erfindungsgemäß 1 Stunde lang bei 870⁰C behandelt ist. Die Schichtdecke ist sehr gleichmäßig, etwa JOjim.Die Vergrößerung ist etwa 100:1. ,

- . PATENTANSPRÜCHE' -

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Claims

PATEKlATSP'R'ÜTn

(Q Verfahren zum Borieren der Oberfläche metallischer Werkstücke, wobei die Oberfläche eines Werkstücks zunächst gereinigt und dann mit einer borhaltigen Masse bei einer.· Temperatur über 70O⁰C in Berührung gebracht wirdj dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück zunächst im wesentlichenfertig bearbeitet und daß nach der Reinigung auf seine Oberfläche eine Schicht einer Masse aufgetragen wird, die eine borhalt ige Verbindung enthält-, worauf das Werkstück auf eine Temperatur im Bereich von,700 bis 1100⁰C erwärmt wird«
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrmaliges Auftragen und Erwärmen«,

Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Masse aufgetragen wird, die eine im Temperaturbereich zwischen 100 und 500⁰C sich zersetzendes Bindemittel enthält«

4-O Verfahren nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel sich in einem Bereich über 25>O°C zersetzte

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Verfahren nach Anspruch; 1 bis\4^_;]äääurchL.gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung des mit der boriiaitigen Masse beschichteten: Werkstücke;^ irir £iäem Criiihmeäiuiii Vorgenommen ■ wirdj dais <äin ahtoMcfrereiidts uöd/b;d0r:;-^e|Ai^ierfettdes Gas enthält;«, ■■-''■-.' " - -·:.;;- ':■"": '_-':- - - ·■■'"

Verfahren nach AnöprucH 5j eLädüreh gekerihziiQhneti; daß das Glühmedium iQo^;likiiiareri Wasserstoff eiitliaite

Verfahren nacH Ähsjä?üch A biä:; 6^ dädürcH gdaß die die ServeriDihdung 0rit£äitend|! Maisse' partiell auf-. das Werkstück aufgetragen wird und die übrigen; Flächenäb— schnitte während der .Erwärmung von dem unter Überdruck stehenden Glühmediuni umspüit werden.

8c Verfahren nach Anspruch Ί bis y?> dadurch gekennzeichnet, daß die eine-Borverbindung; enthaltende; Masse ein Bindemit tel auf. .Äcrylharzbäsis enthalte .· Γ ^:

Verfahren nach Anspruch 1 bis; 8₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Konsistenz der auf das Werkstück aufzutragenden, eine Boi^erbindung > entnalfcendeii Massel düröh^ Zusatz von Aceton,eingestellt^vrird«" "■ '-■'." '-■'-■■ ■- ■■:' - ■ -""- ^;;;' '■ '^: ■ ■ "■-'"-.. -

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10« Verfahren^nach Anspruch 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Reste der■auf das Werkstück aufgetragenden Masse nach der Erwärmung in einem Reinigungsverfahren entfernt werden«, _;

ο Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Giühdiffusionsvorgang und vor der Nachreinigung eine Wärme härtung im Vakuum vorgenommen wird«,

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