DE2419716A1

DE2419716A1 - Eisenteil und verfahren zum auftragen eines ueberzugs, der bestaendig gegen verschleiss, fressen und korrosion ist und der die schlagfestigkeit und die haftbarkeit von schmierfilmen verbessert

Info

Publication number: DE2419716A1
Application number: DE2419716A
Authority: DE
Inventors: Jacques-Jean Caubet
Original assignee: Centre Stephanois de Recherches Mecaniques Hydromecanique et Frottement SA
Current assignee: Centre Stephanois de Recherches Mecaniques Hydromecanique et Frottement SA
Priority date: 1973-04-25
Filing date: 1974-04-24
Publication date: 1974-11-07
Also published as: NL7405574A; US3890686A; FR2227346A1; ZA742640B; BR7403398D0; FR2227346B1; JPS5041725A; CA1059845A; GB1436661A; US3996400A; AR202924A1; SE398132B; IT1010088B

Description

PATENTANWALT DIPL.-INQ. JOACHIM STRASSE Z H I 3 / I Q

6« HANAU · ROM ERST*. 1» · POSTFACH 793 · TEL. {061«) 10« 03 · TE LEQRAMME ι HANAUPATENT · TELEX: 41M7llp«i

Centre Stephanois de

Recherches Mecanlques

HYDROMECANIQUE et FROTTEMENT . 24. April 1974

Andrezleux-Boutheon (Loire), Frankreich Str/Jg - 11 080

Elsentell und Verfahren"zum Auftragen eines Überzugs, der beständig gegen Verschleiß, Fressen und Korrosion ist und der die Schlagfestigkeit und die Haftbarkelt von Schmierfilmen verbessert

Es sind einerseits Verfahren zum Behandeln der Oberflächen von Teilen aus Elsen oder Eisenverbindungen oder Eisenlegierungen zum Verbessern der Beständigkeit gegen Fressen und Verschleiß bekannt. Andererseits gibt es Behandlungsverfahren, die den KorrosIonswIderstand verbessern. Wenn außerdem berücksichtigt wird, daß andere Materialeigenschaften der Teile, wie beispielsweise die Bruchfestigkeit öder die Festigkeit gegen Ermüdungsbrüche, neben der besseren Haftfähigkeit eines Ölfilms durch Variationen der örtlichen, schichtweisen oder gesamten. Materialzusammensetzung verbessert werden sollen, so ergibt sich, daß nach dem Stand der Technik wohl einzelne, vielleicht auch zwei, aber nicht mehrere oder gar alle Ei gen-schaf ten zugleich verbessert werden können.

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ORIGINAL INSPECTED

Es ist daher Aufgabe der vor I i eg'encten " Erf i ndung, diese verschiedenartigen Anforderungen miteinander . iη Einklang zu bringen. Dementsprechend bezieht sich die Erfindung auf mechanisch einsetzbare Teile, die derart behandelt sind, daß diese Teile erfindungsgemäß mit einer Schicht versehen sind, die der Natur des* Ori g i na I tei 1 s entspricht,, die jedoch überraschende Eigenschaften aufweist, und.diese spezifische Art von Teilen wird nachstehend stets als "die SCHICHT" bezeichnet. Ein mit der "SCHICHT" überzogenes'Stück weist erhebliche verbesserte Eigenschaften in größerer Kombinationsanzahl auf, wobei sich beispielsweise zumindest fünf von den eingangs genannten Eigenschaften verbessern lassen, nämlich die Beständigkeit gegen Fressen, Verschleiß, Korrosion und Schlag sowie die Fähigkeit, in erheblichem Maß einen Ölfilm an die Oberfläche zu binden. Dennoch verändert sich die sechste der vorstehend als erwünscht erwähnten'Eigenschaften nicht, nämlich die Beständigkeit gegen Ermüdungsbrüche.

Hierfür weist die "SCHICHT" erfindungsgemäß folgende Merkmale auf:

1. Die Dicke liegt zwischen 5 und 80 Mikrometer.

2, Sie weist notwendigerweise zumindest die Bestandteile

FeSn,
FeSn„ und

FeSnC auf, wobei χ .eine Besetzungszahl des Kohlen-Stoffs im Kristal!gitter ist, die im vorliegenden Fall zwischen 0,7 und 1,3 liegt.

Die Zusammensetzung der Bestandteile der "SCHICHT" liegen nach Volumenprozenten· in folgendem Bereich:

FeSn zwischen 5 und 30 %
FeSn zwischen 60 und 90 %

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FeSnC zwischen 0 und 10 %

3. Über die vorstehende reine prozentuale Zusammensetzung hinaus sollte die "SCHICHT", die ein mechanisch einsetzbares Stück aus Elsen, einer Eisenlegierung oder einer Ei sen verb Indung überzieht, gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung für jede der drei entsprechenden metallurgischen Phasen der "SCHICHT" von außen nach Innen Konzentrationsgradienten aufweisen, deren genaue Verläufe aus den beigefügten graphischen Darstellungen ersichtlich sind, in denen folgende Erkenntnisse aufgetragen sind:

Fig. 1 der Gehalt an FeSn₂ soll im schraffierten Berei ch Ii egen;

Fig. 2 der Gehalt an FeSn soll im schraffierten Berei ch Ii egen;

Fig. 3 der Gehalt an FeSnC soll im schraffierten Bereich liegen.

4. Die "SCHICHT" folgt von außen nach innen sehr präzisen Härtegesetzen, die sie in Übereinstimmung mit den wissenschaftlichen Regeln von Drei stoff Iagern bringt, soweit es sich um die Gestaltungsart der Oberfläche handelt, die den Widerstand gegen Fressen und andere mechanische Veränderungen bestimmt. Hierzu kann auf die eigene Abhandi ung

"Oberflächenbehandlung gegen Verschleiß; Beschreibung und industrielle Anwendung" Centre Stephanois de Recherche Mecaniques HYDROMECANIQUE ET FROTTEMENT- DUNOD (Paris) 1968 verwiesen werden.

Nachfolgend wird die Dicke der "SCHICHT" mit "e" bezeichnet, wobei "e" ein Wert ist, der Im voraus als Funktion der Parameter der jeweils gestellten mechanischen Aufgabe gewählt worden ist.

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Es gelten folgende Härtegesetze: Gemäß der VIckers-Norm und unter einer Belastung von 15 Gramm sollte die Härte mit einer Tiefe von -^- von außen nach innen zwischen 500 bis 650 Vickers liegen. Dann wächst sie und geht über ein Maximum hinaus, das -zwischen einer Tiefe von ·? und e liegt, wobei dieses Maximum zwischen 600 und 900 Vickers liegen sollte.

Nachfolgend werden bei nach der Erfindung ausgeführten "SCHICHTEN" gemessene oder festgestellte Ergebnisse angegeben:

1. Ein Test des Widerstands gegen Fressen wurde auf einem von der Anmelderin selbst entwickelten "Tribometre"-Apparat, Typ HEF, durchgeführt. In diesem Zusammenhang muß bemerkt werden, daß bei dieser Reibungsbestimmung, ausgehend von einem Ring und einer kleinen Platte, auf einer Ebene ein zylindrischer Gleitkontakt hergestellt wird. Während der Ring in Drehung versetzt wird, beschreibt die para I IeI epipede Platte eine abwechselnde Ubertragungsbewegung, wodurch es ermöglicht wird, in der Zeit eine erzeugende Berührung aufrecht zu erhalten*. Wenn ein solcher Versuch in Wasser mit einer Platte aus Baustahl mit 0,35 % Kohlenstoffgehalt ausgeführt wird, wobei der Ring aus einsatzgehärtetem Stahl besteht, führt dies unweigerlich zum Fressen. Wenn dagegen unter den gleichen Bedingungen die Platte aus dem gleichen Material mit der "SCHICHT" überzogen ist, läßt sich der Versuch nach 15 Stunden abbrechen, ohne daß irgendweI ehe Anzeichen von Fressen auftreten.

2. Der Versuch über die Haftfähigkeit eines Ölfilms -wurde auf einem "FaviI Ie-LevaI Iy"-Gerät durchgeführt. Bei dieser Versuchsart wird ein Probestab mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge von 40 mm zwischen zwei im Winkel von 90 zueinander V-förmig angeordneten Backen in Drehung versetzt, wobei die Einheit aus Backen

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und Probestab in Öl getaucht wird. Es wird dann auf die Backen eine Belastung aufgebracht, die linear in Funktion der Zeit ansteigt. Die Figur 4 zeigt den Einfluß der "SCHICHT" auf die Haftfähigkeit eines Ölfilms. Sie zeigt, daß der Probestab aus Baustahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,35 % seinen Ölfilm bei einer Last In der Nähe von 600 Deka-Newton abreißen läßt. Danach setzt unmittelbar ein Fressen ein. Dagegen kann ein mit der "SCHICHT" bedeckter Probestab einen Wert von 2500 Deka-Newton erreichen, ohne daß der Reibungskoeffizient am Ende des Versuchs einen Wert von 0,05 übersteigt, was beweist, daß der Ölfilm ausreicht, um die Reibung im hydrodynamischen Bereich sicherzustellen.

Dabei zeigt aber eine mikrographische Untersuchung des mit der "SCHICHT" bedeckten Probestabes, daß die Belastung von außen durch den Ölfilm hindurch so stark war, daß Spuren von Fließlinien, daß Kaltaushärtungen und daß Verdichtungen in der Mi krostruktur der "SCHICHT" na.chwelsbar waren. Dennoch war der Schmierfilm nicht abgerissen. -

3. Die Verschleißbeständigkeitsversuche sind mit einer herkömmlichen Vorrichtung ausgeführt worden, die englisch "pin on ring" genannt wird. Der Ring wird In eine Drehbewegung mit einer Geschwindigkeit von 100 Umdrehungen ' je Minute oder in eine Gl eitbewegung·von 0,3 m/sec versetzt. Die auf den-Stab aufgebrachte Last beträgt 10 Newton.

Unter diesen Bedingungen und bei einem Stab aus Stahl mit 1 % Kohlenstoff und 1,5 % Chrom beträgt die Verschleißgeschwindigkeit einer Probescheibe aus Baustahl mit 0,35 % Kohlenstoff 8 mg/Std., währen-d die VerschIelßgeschwtndlgkeit einer gleichen Probescheibe in derselben Zusammensetzung, die jedoch mit der "SCHICHT" überzogen ist, nur • 2 mg/Std, beträgt.

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4. Die Ergebnisse des Tests auf Ermüdnungsbrüche, die mittels Drehbiegung erzielt wurden, zeigen an, daß ein Teil, das . eine Oberfläche aus einer Eisenlegierung ohne und mit der "SCHICHT" aufweist, in seiner Gesamtermüdungsfestigkeit nur uiii etwa 1 % variiert. Die Ermüdungsgrenze eines Probestabes aus Baustahl mit 0,48 % Kohlenstoff liegt bei

2
40,2 kg/mm , während die eines Stabes aus demselben Material, das mit der "SCHICHT" überzögen ist, bei 40,6 kg/mm" liegt. Eine solche geringfügige Abweichung liegt unterhalb" der Meßgenauigkeit und zeigt, daß die "SCHICHT" keinen nachteiligen Einfluß auf den Ermüdungswiderstand der behandelten Teile ausübt.

5. Die mit einem PendeI sch Iagwerk nach CHARPY ausgeführten Schlagfestigkeitsversuche zeigen eine beträchtliche Verringerung der Sprödigkeit der behandelten Probestücke: Beispielsweise stieg bei einem Baustahl mit 0,48 % Kohlenstoffgehalt die Schlagzähigkeit von nicht überzogenen Prüfstücken gegenüber den mit der "SCHICHT" überzogenen

2 Prüfstücken von 2,9 auf 3,7 Deka-Joule/cm und bei einem Baustahl mit 0,35 % Kohlenstoffgehalt von 5,73 auf 7,5

2
Deka-Joule/cm .

6. Die Korrosionsbeständigkeitsversuche zeigten in atmosphärischer Umgebung und in salzigem Medium ein sehr gutes Verhalten der mit der "SCHICHT" verkleideten Proben gegenüber den nicht mit der "SCHICHT" versehenen Prüfstücke. Beispielsweise liegen die Korrosionsbeständigkeitseigenschaften der "SCHICHT", nachdem sie 500 Stunden einem Salzsprühnebel ausgesetzt war, derartig günstig, daß die festgestellten Gewichtsverluste im wesentlichen denen eines nichtrostenden Stahls gleichen, das heißt, sie liegen

2
etwa bei 0,3 mg/cm .

Es ist selbstverständlich, daß jedes Verfahren zur Herstellung der zuvor beschriebenen "SCHICHT" ein Teil der vorliegenden

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Erfindung ist, und insbesondere gehören hierzu solche Verfah-.. ren wie das Einsatzhärten in der Gasphase oder wie Verfahren mit elektrolytischen Niederschlägen· und anschließendem Glühen, um den aufgebrachten Meta I IniederschI ag in den metallischen Untergrund eindringen zu lassen.

Nachfolgend werden einige Beispiele angeführt, die Verfahren zum Herstellen oder Aufbringen der erfindungsgemäßen "SCHICHT" beschreiben, ohne damit die Erfindung auf diese Beispiele zu begrenzen.

Bei sp i eI 1

Das zu behandelnde Teil wird in einen Einsatz eingetaucht, der aus 5 % Zinnfluorid SnF₂ und 95 % einer neutralen Substanz^ wie beispielsweise Magnesium besteht; die Einheit aus Teil und Einsatz wird auf eine Temperatur von 600 ° C gebracht. Während der ganzen Dauer der Behandlung wird durch Spülen mit Wasserstoff eine reduzierende Atmosphäre aufrecht erhalten. Nach einstündiger Behandlung ist das Teil mit einer Diffusionsschicht mit einer Dicke von 50 Mikrometer in Übereinstimmung mit der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen "SCHICHT" bedeckt.

Beispiel 2

Das zu behandelnde Teil wird in einem Ofen in Gegenwart von Zinnchloriddampf SnCI„ auf eine Temperatur von 570- C gebracht, wobei diese Dämpfe dadurch erhalten werden, daß Zinnchlorid in einem zweiten Ofen auf eine Temperatur von 500 C gebracht wird und in den Hauptofen durch einen wasserstoffgesättigten Stickstoffstrom eingeleitet wird. Nach eineinhalbstündiger Behandlung ist das Teil mit einer Diffusionsschicht in einer Stärke von 60 Mikrometer in Übereinstimmung mit der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen "SCHICHT" bedeckt.

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Beispiel 5

Auf dem zu behandelnden Teil wird eiη eIektroIytischer Zinn-Niederschlag mit einer Dicke von 10 Mikrometer hergestellt; das Teil wird dann der nachfolgenden WfirmebehandIung unterzogen :

in -15 Minuten von 0 ° bis 2OQ ° C

in 7 Stunden von 200 ° bis 280 ° C

in 2 Stunden von 290 ° bis 570 ° C und

dann 2 Stunden lang bei 570 C gehalten.

Auf der Oberfläche des Teils entsteht dann eine Schicht mit einer Dicke von 25 Mikrometer in Übereinstimmung mit der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen "SCHICHT".

Ansprüche:

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Claims

- 9 Patentansprüche :

Mechanisches Tell aus Elsen oder einer Eisenlegierung, die mit einer Oberflächenschicht bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schicht dem Teil zugleich Verschleiß-, Freß-, Korrosions- und Schlagbeständigkelt verleiht, während sie gleichzeitig die Haftfähigkeit eines SchmieröIftIms vergrößert, ohne daß der Ermüdungswlderstand geändert wird, wobei diese Schicht zumindest die Phasen FeSn«, FeSn, FeSnC umfaßt (wobei χ zwischen 0,7 und 1,3 liegt), und zwar In den folgenden Proportionen: FeSn₂ zwischen 5 und 30 Volumenprozent FeSn zwischen 60 und 95 Volumenprozent FeSnC zwischen 0 und 10 VoIamenprozent und wobei die Verteilung dieser drei Phasen In der Schicht In Übereinstimmung mit den entsprechenden Diagrammen aus den Figuren 1, 2 und 3 steht.

2* Meta I I teil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche Vlckershärte der. Schicht auf dem Teil zwischen 5 und 80 Mikrometer verteilt Ist.

3. Metal Ite 11 gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die VIckerdiärte der Schicht über • das Teil, gemessen mit einer Belastung von 15 g, mit dem Gesetz, das einer Funktion der Dicke e der Schicht folgt, übereinstimmt, wobei die Härte bei einer Tiefe von ·§· von außen nach Innen zwischen 500 und 600 Vlckershärte-Graden liegt, dann ansteigt und über ein Maximum geht, das bei einer Tiefe zwischen ·|· und -τ liegt, wobei das Maximum zwischen 600 und 900 Vlckershärte-Graden liegt.

4. Verfahren für einen Oberflächenüberzug eines TeJIs gemäß

einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekenn-

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zeichnet durch folgende Schritte:

a) ein chemischer Zinn-Niederschlag wird In der Gasphase bei.einer Temperatur zwischen 400 und 700 ° C hergestellt, wobei das Teil Ih ein Aufkohlungsmittel oder In einen Einsatz eingetaucht wird, das oder der aus . einer Mischung eines Zinnhalogen I ds mit einer neutralen Substanz, wie beispielsweise Magnesium oder Aluminium, besteht,

b) während der ganzen Behänd Iungsdauer" wlrd der Ofen bei einer reduzierenden Atmosphäre, beispielsweise durch Wasserstoffspü lung, gehalten. -

j. Verfahren für einen Oberflächenüberzug eines Teils gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) das zu behandelnde Teil wird in einen bei einer Temperatur zwischen 400 und 700 C gehaltenen Ofen gebracht,

b) dasjZlnn wird auf das Niveau des zu*behandelnden Teils durch den Dampf eines Zinnhalogen I ds, das sich Im unteren Teil des Ofens befindet, gebracht, wobei die Reaktionselnhelt mit einem reduzierenden Gasstrom gespült wi rd,

c) In den oberen Teil des Ofens eingebrachtes flüssiges Zinn dient als Vorrat für das Zementierungsmittel.

6. Verfahren für einen Oberflächenüberzug eines Teils gemäß einem oder mehreren der Ansprüche"] bis 3, gekennzeichnet durch' folgende Schritte:

a) das zu behandelnde Stück wird In einen Hauptofen gebracht, dessen Temperatur zwischen 400 und 700 C gehalten wird,

b) In einem Nebenofen wird ein ZInnhalogen!d von seiner unteren Temperatur auf seine Siedetemperatur erhitzt,

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c) der so entstehende Dampf wird durch einen Strom neutra-" len oder reduzierenden Gases in den Hauptofen, ej ngeführt,

Verfahren für einen Oberflächenüberzug eines Teils gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet · dur-ch folgende Schritte:

a) auf der Oberfläche eines zu behandelnden Teils wird ein e lektrolyt I scher Zi r>n-NIedersch lag hergestellt,

b) darauf wird das Teil wärmebehandelt, damit das Zinn derart in die Unterlage diffundiert, daß auf der Oberfläche des Teils eine Schicht entsteht, die sich aus einer Eisenverbindung und Zinn zusammensetzt.

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