DE2526956A1

DE2526956A1 - Verfahren zur oberflaechenbehandlung von metallischen werkstoffen

Info

Publication number: DE2526956A1
Application number: DE19752526956
Authority: DE
Inventors: Yoshiki Oshida
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1974-06-17
Filing date: 1975-06-16
Publication date: 1975-12-18
Also published as: JPS5549153B2; DE2526956C3; JPS50159836A; SU679154A3; CH612696A5; US4016012A; FR2274695A1; FR2274695B1; DE2526956B2; GB1515373A

Description

Verfahren zur Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstoffen, insbesondere unter Ausnutzung der Superplastizitätserscheinung an einem Umwandlungspunkt des metallischen Werkstoffs.

Die bisher angewandten Oberflächenbehandlungsverfahren erfordern eine beträchtliche Zeitspanne zur Gewährleistung der gewünschten Tiefe der Oberflächenbehandlung, und zwar unabhängig davon, ob das verwendete Oberflächenbehandlungs- bzw. Veredelungsmittel ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas ist. Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit der Verfahrenssteuerung oder -führung und auf zukünftige Aussichten der Oberflächenbehandlungsverfahren kann außerdem gesagt werden, daß das das feste Oberflächenbehandlungsmittel verwendende Verfahren immer weniger zum Einsatz kommt, während das Verfahren mit dem flüssigen Behandlungsmittel immer noch gebräuchlich ist und das Verfahren unter Verwendung eines gaaförmigen Behandlungsmittels in aller Welt als aussichtsreich

Ke/Bl/ro - 2

509851/1120

angesehen wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Eindringen des Behandlungsmittels in den metallischen Werkstoff sowohl bei aufkohlender Behandlung (Einsatzhärtung) als auch bei Nitrierung als diffusionsgesteuertes Verfahren angesehen wird. Bei diesen bisher angewandten Verfahren muß jedoch die aktivierende Kohle oder der Stickstoff während des gesamten Vorgangs der Oberflächenbehandlung durch Steuerung stets in einem konstanten Zustand gehalten werden. Diese Steuerung verlangt einen hohen technischen Aufwand, so daß die einfache Durchführung der Oberflächenbehandlung bisher nicht möglich war.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines verbesserten Verfahrens für die Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstoffen, bei dem eine gewünschte Tiefe der Oberflächenbehandlung bzw. Veredelung oder Vergütung im Gegensatz zu den bisher angewandten Verfahren innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne und auf einfache Weise erzielt werden kann.

Im Verlauf von Forschungsarbeiten über die Superplastizitäts-Feststoffphasenbindung hat es sich erfindungsgemäß herausgestellt, daß an einer Grenzfläche bei der Preßverbindung zwischen Weichstahl und Gußeisen bzw. Grauguß, welche unterschiedliche Kohlenstoffgehalte besitzen, Kohlenstoff durch Diffusion aus dem Grauguß in den Weichstahl überführt wird, wodurch der Weichstahl gekohlt wird. Auf der Grundlage dieser Feststellung wurde erfindungsgemäß die Möglichkeit der Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstoffen unter Ausnutzung der Superplastizitätserscheinung der metallischen Werkstoffe untersucht und die Erfindung erarbeitet.

Die genannte Aufgabe wird also bei einem Verfahren zur Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstoffen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Oberflächenbehandlungsmittel und

609851/1120

ein zu behandelnder metallischer Werkstoff in eine Behandlungsvorrichtung eingebracht werden, daß der metallische Werkstoff abwechselnd und wiederholt auf eine bestimmte, über seinem einen Umwandlungspunkt liegende obere Grenztemperatur erwärmt und auf eine bestimmte, unter dem Umwandlungspunkt liegende untere Grenztemperatur abgekühlt wird, daß auf den metallischen Werkstoff beim Erreichen der unteren Grenztemperatur eine bestimmte Belastung ausgeübt wird und daß nach Durchführung einer bestimmten Zahl von Temperaturzyklen die angelegte Belastung aufgehoben wird, wenn der metallische Werkstoff seine untere Grenztemperatur erreicht.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Temperatürzyklen und der Beziehung der angelegten bzw. ausgeübten Belastung in Abhängigkeit von der Zeit, welche beim Kohlen von Weichstahl nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandt werden,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehungen der angelegten Belastung und der Wiederholungsfrequenz der Zyklen in Abhängigkeit von den Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten in einem Temperaturzyklus für den Fall, daß unter den Temperatürzyklen gemäß Fig. 1 eine vorgegebene feste Kohlungstiefe erreicht wird, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Behandlungszeit und der Tiefe der vollständigen Kohlung beim erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zum bisher angewandten Verfahren.

509851 /1 120

Im folgenden ist die Erfindung in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Beim Aufkohlen von Weichstahl nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Temperaturzyklen sowie die Beziehung zwischen der angelegten Belastung und der Zeit gemäß Fig. 1 angewandt. Die Beziehungen zwischen der angelegten Belastung und der Wiederholungsfrequenz der Zyklen einerseits sowie den Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten in einem Temperaturzyklus in dem Fall, daß bei den Temperaturzyklen gemäß Fig. 1 eine vorgegebene feste Kohlungstiefe erreicht wird, sind in Fig. 2 veranschaulicht, in welcher die den Punktmarkierungen zugeordneten Zahlen die Behandlungsperioden in Sekunden angeben. In Fig. 3 ist weiterhin die Beziehung zwischen der Behandlungsperiode bzw. -zeit und der Tiefe der vollständigen Aufkohlung für das erfindungsgemäße Verfahren sowie für ein bisher angewandtes Verfahren (Gaskohlungsverfahren mit Kohlungstemperatur von 900⁰C) angegeben.

Bei dem in Fig. 1 veranschaulichten Beispiel wurde Weichstahl (z.B. Sorte SS41) als der zu behandelnde metallische Werkstoff verwendet. Dieser Weichstahl besitzt einen A.,-Umwandlungspunkt (oc + Fe^C^=^ot+ 7-) bei etwa 720⁰C und einen A,-Umwandlungspunkt (o*- + ηρ+±γ) bei etwa 800⁰C. Infolgedessen wird die obere Grenztemperatur auf 850⁰C und die untere Grenztemperatur auf 450⁰C, vorzugsweise aber 65O⁰C, eingestellt, so daß der Tempera türzyklus durch diese beiden Umwandlungspunkte verlaufen kann und mithin Temperaturzyklen festgelegt werden, bei denen der Werkstoff zwischen diesen oberen und unteren Grenztemperaturen erwärmt und abgekühlt wird. Obgleich die obere und die untere Grenztemperatur beim angegebenen Beispiel auf die genannten Werte festgelegt sind, müssen bei Erhöhung der Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeit die obere Grenztemperatur auf einen höheren und die untere Grenztemperatur auf einen niedrigeren Wert eingestellt werden. In diesem Fall wird eine Abweichung des Temperaturänderungsbereichs

509851 /1120

von etwa ± 20⁰C von den genannten oberen und unteren Grenztemperaturen zugelassen.

Als Erwärmungseinrichtung zur Anlegung der Temperaturzyklen in einer sägezahnförmigen Dreieckswellenform gemäß Fig. 1 kann ein beliebiges Heizsystem angewandt werden, beispielsweise eine elektrische Direktbeheizung, bei welcher elektrischer Strom unter Ausnutzung der Jouleschen Wärme unmittelbar durch den zu behandelnden metallischen Werkstoff geleitet wird, oder eine indirekte Heizeinrichtung innerhalb der Behandlungsvorrichtung. Als Kühleinrichtung kann ein beliebiges Kühlsystem, etwa ein Zwangskühlsystem unter Verwendung eines Inertgases, oder ein natürliches Umwälzkühlsystem (natural cooling system), angewandt werden.

Die Größe der anzulegenden, in Fig. 1 angegebenen Belastung muß in Abhängigkeit von der Art der zu behandelnden metallischen Werkstoffe und von den angewandten Temperaturzyklen entsprechend gewählt werden. Dabei ist zu beachten, daß der Augenblick, in welchem die Belastung auf den Werkstoff ausgeübt wird, der Zeitpunkt ist, zu dem die Temperatur der zu behandelnden metallischen Werkstoffe den unteren Grenztemperaturwert der Temperaturzyklen erreicht hat, während der Augenblick der Aufhebung der angelegten Belastung ebenfalls der Zeitpunkt ist, zu welchem die Temperatur des der Behandlung unterworfenen metallischen Werkstoffs den unteren Grenztemperaturwert im letzten Temperatürzyklus nach wiederholter Durchführung einer Anzahl von Temperaturzyklen erreicht hat. Wie erwähnt, variiert die Größe der angelegten Belastung in Abhängigkeit von den Behandlungsbedingungen, und im Fall der Kohlung liegt sie beispielsweise im Bereich von 0-2 kg/mm Diese Größe der angelegten oder ausgeübten Belastung läßt sich anhand der Daten von Fig. 2 bestimmen, welche die Beziehung zwischen der angelegten Belastung sowie den Erwär-

509851/1120

mungs- und AbkUhlgeschwindigkeiten in einem Temperaturzyklus für den Fall verdeutlichen, daß bei den Temperaturzyklen gemäß Fig. 1 eine vorgegebene feste Kohlungstiefe erreicht wird. Genauer gesagt» Wenn die Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten ausreichend hoch sind, kann im Phasenumwandlungsvorgang die diffusionsgesteuerte oder -abhängige Umwandlungsgeschwindigkeit den Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten im Temperaturzyklus nicht folgen, so daß ein Ungleichgewichtszustand entsteht, durch den die Oberflächendiffusionsgeschwindigkeit des OberflSohenbehandlungsmittels plötzlich ansteigt. Infolgedessen kann die angelegte Belastung zu diesem Zeitpunkt sehr klein gehalten werden, und sie kann in manchen Fällen überhaupt unnötig sein. Wenn dagegen Erwärmung und Abkühlung in einem Temperaturzyklus langsam ablaufen, kann eine zufriedenstellende Wirkung mit einer angelegten Belastung erzielt werden, die bei etwa einem Zehntel der Fließ- oder Streckgrenze (im Fall des genannten Weichstahls bei etwa 25 kg/mm ) des behandelten metallischen Werkstoffs liegt.

Wenn das Oberflächenbehandlungsmittel ein Gas ist, z.B. von einer CO-Gasflasche geliefertes CO oder durch thermische Crackung von Methylacetat, Isopropylalkohol und dgl. erzeugtes CO-Gas, kann die Belastung dadurch angelegt werden, daß das als Oberflächenbehandlungsmittel dienende Gas unter Druck in eine luftdicht abgeschlossene, den zu behandelnden metallischen Werkstoff enthaltende Behandlungsvorrichtung eingeführt wird. Wenn es sich beim Oberflächenbehandlungsmittel um einen Feststoff handelt, z.B. um ein festes Kohlungsmittel in Form von feinem Kohlepulver, das mit 10 - 3096 BaCO, als Kohlungsbeschleuniger versetzt ist, kann die Belastung dadurch ausgeübt werden, daß die das feste Behandlungsmittel und den zu behandelnden metallischen Werkstoff enthaltende Behandlungsvorrichtung mittels eines äußeren Druck- oder Preßsystems mit einer hydraulischen Presse unter Druck gesetzt wird. Die Ein-

609851/1120

richtungen zur Anlegung der Belastung können somit, wie erwähnt, in Abhängigkeit von der Art des Oberflächenbehandlungs mittels beliebig gewählt werden.

Im folgenden ist die Erfindung in einem praktischen Ausführungsbeispiel erläutert.

Beispiel

Eine zylindrische Stange aus Weichstahl (Sorte SS41) mit einer ähnlichen Form wie ein Zugfestigkeit-Prüfling wurde mit einer längsverlaufenden Bohrung versehen, in die ein festes Kohlungsmittel in Form eines feinen Holzkohlepulvers (Teilchengröße etwa 0,045 mm = 320 mesh) im Gemisch mit 20% BaCO, eingefüllt wurde. Das Ende der Bohrung wurde verschlossen, und nach Festlegung der oberen und unteren Grenztemperaturen, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, wurde die Weichstahlstange unter elektrischer Direktbeheizung und Zwangskühlung mittels eines Inertgases verschiedenen Temperaturzyklen unterworfen. Dabei wurden die in Fig. 2 veranschaulichten Ergebnisse erzielt.

Die Beziehung zwischen der Tiefe der vollständigen Kohlung und der Kohlungsperiode beim vorstehend erläuterten Verfahren ist in Fig. 3 im Vergleich zu den bei einem bisher angewandten Verfahren (Gaskohlungsverfahren mit Kohlungstemperatur von 900⁰C) erzielten Ergebnissen veranschaulicht. Aus Fig. 3 ist ohne weiteres ersichtlich, daß die angestrebte Behandlung erfindungsgemäß, im Gegensatz zum bekannten Verfahren, innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne durchführbar ist.

Obgleich das erfindungsgemäße Verfahren vorstehend beispielhaft in Verbindung mit einem Kohlungsverfahren beschrieben ist, richtet sich die Erfindung im wesentlichen auf ein Ver-

5098 5 1/1120

fahren zur Oberflächenbehandlung unter Ausnutzung der Umwandlungs-Superplastizitätserscheinung von metallischen Werkstoffen, so daß sie nicht nur auf die Kohlung, sondern auch auf andere Oberflächenbehandlungsverfahren, z.B. Nitrieren, Kohlungsnitrieren, Silizieren (silicurizing), Borieren usw., anwendbar ist.

Obgleich die Erfindung vorstehend nur in einem speziellen Ausführungsbeispiel erläutert ist, soll die vorstehende Offenbarung die Erfindung selbstverständlich nur beispielhaft erläutern und keinesfalls einschränken.

50 9 851/1120

Claims

Patentanspruch

Verfahren zur Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet , daß ein Oberflächenbehandlungsmittel und ein zu behandelnder metallischer Werkstoff in eine Behandlungsvorrichtung eingebracht werden, daß der metallische Werkstoff abwechselnd und wiederholt auf eine bestimmte, über seinem einen Umwandlungspunkt liegende obere Grenztemperatur erwärmt und auf eine bestimmte, unter dem Umwandlungspunkt liegende untere Grenztemperatur abgekühlt wird, daß auf den metallischen Werkstoff beim Erreichen der unteren Grenztemperatur eine bestimmte Belastung ausgeübt wird und daß nach Durchführung einer bestimmten Zahl von Temperaturzyklen die angelegte Belastung aufgehoben wird, wenn der metallische Werkstoff seine untere Grenztemperatur erreicht.

509851/1120

Leerseite