DE2361017B2

DE2361017B2 - Verfahren zum Borieren der Oberfläche eines metallischen Werkstücks

Info

Publication number: DE2361017B2
Application number: DE19732361017
Authority: DE
Inventors: Erwin G. 2358 Kaltenkirchen Preuschen
Original assignee: Vac-Hyd Processing 2358 Kaltenkirchen GmbH
Current assignee: Vac-Hyd Processing 2358 Kaltenkirchen GmbH
Priority date: 1973-12-04
Filing date: 1973-12-04
Publication date: 1979-08-30
Also published as: DE2361017C3; DE2361017A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Borieren der Oberfläct? eine? fertig bearbeiteten, metallischen Werkstücks gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 32 22 228 bekannt Nach dieser Druckschrift wird das borhaltige Material als wässerige Aufschlämmung oder Aufschlämmung in einem anderen flüchtigen Stoff verarbeitet Nach den in der Druckschrift gegebenen Beispielen ist dabei hauptsächlich an destilliertes Wasser gedacht Wenn nach dem Auftragen einer derartigen Aufschlämmung ein Werkstück entweder an der Atmosphäre odtr im Ofen getrocknet wird, sind Risse und Abplatzungen in der aufgetragenen Schicht kaum zu vermeiden, jedenfalls dann nicht, wenn nur einfach beschichtet werden soll. Stärkere Beschichtungen führen dagegen zum Aufwachsen, d. h. zu einer Volumenvergrößerung des Werkstückes, wodurch eine nachträgliche Bearbeitung auf genaue Formen erforderlich wird. Dies schließt die Verwendung des bekannten Verfahrens für Präzisionsteile aus.

Aus der DE-OS 21 46 472 ist ein Borierungsmittel bekannt, das zur Herstellung rissefreier, spannungsfreier und einphasiger Borverbindungsschichten auf Metallen und Legierungen geeignet sein soll und eine Kombination von borabgebenden Mitteln, Aktivatoren und Zusätzen ist, die das Borpotential herabsetzen, wobei die borabgebenden Substanzen durch bei Borierbedingungen nicht reaktionsfähige, feuerfeste Materialien teilweise ersetzt werden, z. B. durch Siliciumcarbid, freien Kohlenstoff, kieselsäure- oder aluminiumoxidhaltige Produkte, dabei ist vorgesehen, daß dieses Borierungsmittel im Einsatzverfahren verwendet wird. Gemäß DE-OS 22 08 734 soll das Borierungsmittel einen möglichst geringen Boraxgehalt aufweisen. Dadurch soll erleichtert werden, die Rückstände nach dem Gebrauch zu entfernen. Außerdem können überschüssige Materialien, besonders beim Einsatzverfahren, wiederverwendet werden.

Nach der DE-OS 2127 096 ist vorgesehen, beim Einsatzverfahren kein Pulver zu verwenden, sondern ein Granulat, zu dessen Herstellung eine kohlenstoffhaltige Substanz, z. B. Holzkohleteer als Bindemittel benutzt wird.

Bei den bisher bekannten Verfahren, auch bei den gemäß US-PS 32 22 228, ergibt sich die Schv, serigkeit, eine ausreichend gleichmäßige Borierungsschicht zu erzielen, die frei von Rissen ist und spaltfrei auf dem behandelten Werkstück liegt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leicht zu handhabendes Borieoingsverfahren zu schaffen, das zu hochverschleißfesten Oberflächen mit hohem Gehalt an Fe₂B führt, ohne daß das Werkstück ein nennenswertes Aufwachsen zeigt

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 geschaffen. Das Verfahren gestattet wie die in der Praxis erzielten Ergebnisse gezeigt haben, die Borierung von Präzisionsteilen, ohne daß eine Machbearbeitung erforderlich ist Dabei ergeben sich außerordentlich gleichmäßige Oberflächen, die frei von Rissen und Löchern sind und auch spaltfrei auf dem Material des Werkstücks aufliegen.

Weitere Vorzüge und Merkmaie der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungsfiguren, in denen die Erfindung ausführlich erläutert und dargestellt ist Es zeigt

F i g. 1 eine vergrößerte Fotografie eines Schnittes durch die Oberfläche eines in bekannter Weise borierten Werkstückes und

F i g. 2 eine in gleicher Weise wie F i g. 1 hergestellte, vergrößerte Fotografie eines Schnittes durch die Oberfläche eines erfindungsgemäß borierten Werkstükkes.

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. Dabei gestattet die Erfindung, die Schichtdikke, d. h. 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 Teilflächen eines Werkstückes dem Borierungsverfahren zu unterziehen.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, daß ein Werkstück zunächst völlig fertig bearbeitet wird, d. h. die Oberflächen erhalten die Form und Abmessungen, die für das fertige Werkstück verlangt werden. Das derart bearbeitete Werkstück wird gründlich gereinigt. Hierzu wird es in ein Bad gesetzt, das aus der wässerigen Lösung eines üblichen Metallreinigungsmittels besteht, die durch Ultraschall zusätzlich erregt wird. Anschließend wird das Werkstück abgespült und z. B. in einem Bad aus Trichlorethylen 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 Entfettungsvorgangs und Fingerspuren beseitigt Um eine erneute Verschmutzung der Oberfläche zu vermeiden, wird das Werkstück entweder mechanisch mit Greifvorrichtungen oder von Hand unter Benutzung von Stoffhand-

schuhen aus dem Acetonbad herausgenommen und weiterbefördert.

Die zum Borieren auf das Werkstück aufzutragende Masse besteht aus einem feinkörnigen, borhaltigen Pulver. Vorzugsweise liegt der Kerndurchmesser dieses Pulvers zwischen 1 und 10 μ. Die Korngröße soll die hier angegebene obere Grenze vorzugsweise nicht überschreiten.. Im Handel sind Borierpulver erhältlich, die diesen Anforderungen genügen. Ebenfalls als Bindemittel sind z. B. Acrylesterharze handelsüblicher Qualität verwendbar. Als Verdünnungsmittel ist Aceton verwendbar. Die mengenmäßige Zusammensetzung und Konsistenz der aufzutragenden Masse richtet sich einerseits nach der Stärke der zu erzielenden Schicht, andererseits nach der AuftragungsarL Vorzugsweise wird ein Auftragungsverfahren gewählt, das auch eine sehr gleichmäßige Auftragsschicht gewährleistet, z. B. das Aufspritzen. Bei größeren ebenen Flächen kann die Masse such aufgespachtelt werden. Weitere Auftragsmöglichkeiten bestehen im Tauchen. Bei der Behandlung von Bohrungswänden, insbesondere bei kleinen Durchmessern, werden die Bohrungen mit der Masse gefüllt Eine genaue Begrenzung 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 eingesetzt 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 umspült werden. 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 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 58°C und tiefer gewählt. Den Bedingungen genügt z. B. Wasserstoff. Bei entsprechender Anpassung kann auch eine Formiergasmischung aus Stickstoff und Wasserstoff verwendet werden.

Die Behandlungsdauer des Diffusionsglühprozesses hängt ab von der gewählten Temperatur, von dem Material des Werkstückes und der angestrebten Diffusionsschicht. Sie beträgt zumindest einige 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, behandelt.

Bei etwa erforderlicher Wärmenachbehandlung wird vorzugsweise im Vakuum gehärtet. 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 Borierungsschicht wird eine Nachreinigung vorgenommen. Hierzu werden die Werkstücke zunächst in einer temperierten, wässerigen Lösung eines Reinigungsmittels, z. B. in einer Detergentienlösung von etwa 80⁰C, eingeweicht Danach 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. Anschließend wird mit klarem Wasser nachgespült und in Luft getrocknet. Die getrockneten Werkstücke werden mit einem üblichen Konservierungsöl nachbehandelt, um die Oberfläche gegen Umwelteinflüsse zu schützen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird hauptsächlich für Stahlwerkstücke verwendet Es '«t jedoch auch für Werkstücke aus anderen Metall-Legierungen verwendbar, sofern die Oberflächen die Diffusion von Bor gestatten. Durch wiederholte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine größere Diffusionstiefe, d.h. auch eine dickere Borierungsschicht erzielt Bei der Bearbeitung von Stahlwerkstücken, bei denen Oberflächenabschnitte 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 F i g. 1 und 2 zeigt deutlich die Verbesserung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbar ist In F i g. 1 ist die Borierungsschicht an der Oberfläche des Werkstückes durch ein übliches Einsetzverfahren hergestellt worden. Die Schicht ist in ihrer Struktur und auch in der Diffusionstiefe verhältnismäßig ungleichmäßig. 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 F i g. 2 deutlich den erfindungsgemäß erzielbaren Fortschritt Die durch die Diffusion entstandene Schicht zeigt eine äußerst gleichmäßige Struktur und Stärke. Vorher festgelegte Abmessungen werden durch die erfiniiungsgemäße Behandlung nicht V'.'räiidcrt. Das gilt besonders für Oberflächenabschnitte, die behandlungsfrei bleiben sollen.

F i g. 1 zeigt einen Hemmkeil, 4 mm, aus 100 Cr 6, der im üblichen Einsetzverfahren 2 Stunden lang bei 1000⁰C behandelt ist. Die Schichtdecke ist ungleichmäßig; sie beträgt etwa 0,1 b mm. Die Vergr ößerung ist etwa 60 :1.

Fig.2 zeigt einen gleichen Hemmkeil, der aber erfindungsgemäö 1 Stunde lang bei 870⁰C behandelt ist. Die Schichtdecke ist sehr gleichmäßig, etwa 30 μπι. Die Vergrößerung ist etwa 100 :1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Borieren der Oberfläche eines fertigbearbeiteten, metallischen Werkstücks, dessen Oberfläche zunächst gereinigt wird, worauf auf die -, Oberfläche eine dünne Schicht einer Masse aufgetragen wird, die eine borhaltige Verbindung und außerdem ein mittels Wärmeeinwirkung beseitigbares, die Auftragung ermöglichendes Mittel enthält, und danach das Werkstück in einem ein entoxidie- u. rep.des und/oder reduzierendes Gas enthaltenen Glühmedium auf 700 bis 1100° C erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Beschichtung verwendete Masse ein im Temperaturbereich von 100°C bis 500°C sich zersetzendes ι. Kunstharz als Bindemittel enthält

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in einem Bereich über 250° C sich zersetzendes Bindemittel auf Acrylharz-Basis verwendet wird. _>·!

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konsistenz der auf das Werkstück aufzutragenden Masse durch Zusatz von Aceton eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Anspruch 1—3, ·ϊ dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Glühdiffusionsvorgang eine Wärmehärtung des Werkstücks im Vakuum vorgenommen wird.