DE2605873C2 - Verfahren zur Erhöhung der Abriebfestigkeit von Schreibröhrchen - Google Patents

Verfahren zur Erhöhung der Abriebfestigkeit von Schreibröhrchen

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DE2605873C2
DE2605873C2 DE2605873A DE2605873A DE2605873C2 DE 2605873 C2 DE2605873 C2 DE 2605873C2 DE 2605873 A DE2605873 A DE 2605873A DE 2605873 A DE2605873 A DE 2605873A DE 2605873 C2 DE2605873 C2 DE 2605873C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Abriebfestigkeit von Schreibröhrchen aus Edelstahl'oder Nickelmetall Legierungen.
. Derartige Schreibröhrchen, wie sie beispielsweise in der DE-OS 25 50 139 und dsr DE-AS 21 35 780 und der DE-PS 12 74 929 beschrieben sind, haben sich zum Zeichnen und der Beschriftung von Zeichnungen in steigendem Maße durchgesetzt. Sie haben den Vorteil eines kontinuierlichen Tuscheflusses und einer gleichmäßigen Linienbreite. Derartige Schreibröhrchen werden sogar in Verbindung mit Maschinen zum automatischen Zeichnen odei Beschriften durch Plotter benutzt. Ein schwerwiegendes Proolem, welches sich bei der Herstellung derartiger Schreibröhrchen stellt, besteht in dem Abrieb durch Reibüngsberührung mit der Zeichenfläche. Diese Abnutzung ist besonders dann gegeben. wenn Transparente hoher Rauhigkeit oder die neuerdings zum Zeichnen üblichen Folien benutzt werden, die als Füllstoffe Siliciumdioxid oder dgl. enthalten, und demgemäß eine hohe Schleifv/irkung auf die Schreibspitze ausüben: Die Schleifwirkung ist naturgemäß umso größer und die Schreibspitzen werden umso schneller unbrauchbar, umso weicher der zur Herstellung der Schreibspitze benutzte Werkstoff ist. Die im großen Umfange verwendeten verchromten Schreibspitzen, die den Vorteil haben, daß sie relativ billig herstellbar sind. werden einer solchen Abnutzung in besonders starkem Maße unterworfen, so daß die Chromschicht sehr bald abgenutzt wird und der Verschleiß dann schnell bis /ur Unbrauchbarkeit des Sehreibröhrchens fortschreitet.
Eine lungere Standzeit besitzen zwar die aus Hartmetall gesinterten Schreibspitzen, jedoch haben
'> diese den Nachteil eines hohen Herstellungsaufwandes und hoher Kosten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstellung hochabriebfester Schreibröhrchen mit einer etwa den Ik imetallröhrchen entsprechenden
to Güte auf wirtschaftlichere und billigere Art und Weise in Massenfertigung zu gewährleisten, und hierzu ein Verfahren zu schaffen, durch welches die Abriebfestigkeit von Schreibröhrchen aus preisgünstig zur. Verfügung stehenden Werkstoffen, wie Edelstahl oder
ι* Nickclmetall-Legicrungen erhöht wird.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs I angegebenen Verfahrensschritte.
Durch dieses Verfahren wird erreicht, daß unter
jo Verwendung billiger Ausgangswerkstücke das Schreibröhrchen bis zu der gt. wünschten Eindringtiefe eine Abriebfestigkeit erhält, wie sie nur bei den teuersten bisher bekannten Schreibröhrchen aus Hartmetall zu verzeichnen war. Das erfindungsgemäße Verfahren
-i ermöglicht eine kontinuierliche Massenfertigung und läßt sich daher billig durchführen.
Gemäß der Literaturs»cl!e »Arch. Eisenhüttenwesen 46 (1975) Nr. 6. Seite 397 bis 400« sind bereits Aufkohlungsversuche an hitzebeständigen Chrom-Nik-
"V kclstählen und Legierungen bei Temperaturen von 900 bis 1150" C durchgeführt worden. Dabei wurde insbesondere untersucht, warum sich die Auf kohl jrtg von Edelstahlen negativ auswirkt. Die besten Ergebnisse im Sinne dieser Untersuchungen würden dort erreicht, wo die Aufkohlung am geringsten, d.h. am wenigstens schädlich ist. Die Erfindung weist demgegenüber einen neuen ; Weg zur Schaffung eines Werkstücks mit technisch wertvollen Eigenschaften. Bei den in der genannten Literaturstelle durchgeführten Versuchen wurde mit Kohlt^rahulaten mit CQ/COj gearbeitet. Diese Stoffe werden bei dem erfintiungsgemäßen Verfahren jedoch nicht benutzt. Das chemische Potential von Kohlenstoff im System C/CO/COi. wie es bei den Versuchen benutzt wurde, ist völlig anders als
■*? beim Kohlenstoffträger gemäß der Erfindung. Folglich ergeben sich auch andere Schliffbilder und Eindringtiefen. .;';
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen des"crfindungsgemäßert Verfahrens ergeben sich aus den
ii> Unteransprüchen 2 bis 5.
Die im Anspruch 5 gekennzeichnete Abscheidung von Hartstoffschichten auf metallischen Oberflächen ist zwar durch die US-PS 36 37 320, 37 71 976. 37 72058. 37 83007, 38 74 900 bekannt, jedoch nicht in Verbin-
>"' dung mit einem erfindungsgemäßen durchgeführten " Verfahren gemäß Hauptanspruch.
Nachstehend werden Axisführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die Schreibröhrchen mit einem Durchmesser von 0.25 bis 3 mm
W) werden in einem strömenden Gemisch aus ca. 5 Vol.-% Methan Und Wasserstoff bei einem Gesamtdruck von 0.5 bis 1.5 bar bei 1000°C 30 bis 60 Minuten lang behandelt und dann innerhalb von ca. 20 Minuten in Argongas abgekühlt. Derartige Schreibröhrchen b'sit-
f>5 zen ein hohes Gleitvermögen auf Kunststoff-Folien und zeigen selbst nach einer Schreiblänge von 2000 m noch keinen störenden Verschleiß. Diese Griindvergütung kann gesteigert werden bzw. erhöhten Verschleißanfor-
40
derungen durch Aufbringen einer harten und gleitfähi- ; gen Beschichtung angepaßt werden, wenn ein Gemisch
aus Kohlenwasserstoffen wie Methan oder Kohlenwasserstoffen wie Trichloräthylen oder Tetrachlorkohlen- : stoff und Titantctrachlorid bei Temperaturen von
■I vorzugsweise 910 bis 1030° G auf die zu vergütenden
' Körper einwirken. Dabei ist wesentlich, daß eine mit
•y dem Grundmaterial fest verankerte Hartstoffschicht
; gebildet wird, die an das Grundmaterial angepaßt ist
. und minimalen Verschleiß zeigt. Diese angepaßten
' Schichten können beispielsweise mit einem Gemisch
aus ca. 50VoL-% Wasserstoff. 10 bis 30VoL-% ; Stickstoff wie folgt erzeugt werden:
; Beispie! 1
Zuerst wird mit Methan und/oder Tetrachlorkohlen-■■; stoff eireGnindvergütung vorgenommen, und dann mit
r-i Titantetrachlorid und Tetrachlorkohlenstoff eine 0.5 bis
■'4. 10μπ> starke Tiiancarbonitridschicht abgeschieden, auf
:: die eine gleichstarke Schicht aus Titancarbid und
:' Siliciumcarbid anwächst Dabei wird zeitlich der Anteil
i\ an Titancarbid laufend erniedrigt, bis schließlich nur
j noch reines Siliciumcarbid abgeschieden wird.
: : Eine ähnliche Anpassung ist mit Titansiliciden.
Titanbbriden und Siliciumnitrid zu erreichen. Dafür
eignen sich als Aüsgangsverbindungen Siliciumtetraha^
■■·■"! logenide, Siliciumchlorpform. Meihylsiiane. Bcrtrihalo-
genide. Borwasserstoffe und Alkyiborhydride. y ί Däi Abkühlen der vergüteter. Werkstücke erfolgt Ju
zweckmäßigerweise in einem Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff und/oder Edelgasen. Wenn nur die Grundvergütung angewandt wird, genügt es. im
: Vakuum erkalten zu lassen. Die reproduzierbare
■ .·· . Vergütung der Schreibröhrchen erfolgt zweckmäßiger- j?
U- weise im Kreislauf, -wobei die zu vergütenden
■:■;. Schreibröhrchen nur insoweit dem Gasstrom zugesetzt
; werden, wie sie verbraucht werden. Wenn ein
■;,? strömendes GasgemiMrh stört, z. B. bei der Herstellung
extrem dicker Schichten, kann auch ein stationäres Gasgemisch benutzt werden. Dazu können in dem
Reaktionsgefäß Titan. Silicium oder Bor in Form von Blechen, Stäben oder Körpern eingelegt und auf gleiche oder 5G bis 8O0G hijhere Temperatur erhitzt werden als .'■·■· der zu beschichtende Körper aufweist. Schließlich wird
das Reaktionsgefäß mit einem Gemisch aus Wasserstoff und Tetrachlorkohlenstoff oder Wasserstoff und einem Halogenid von Titan. Silicium bzw. Bor gefüllt findbei Temperaturen von 700" C an werden die Elemente Titan. Silicium bzw. Bor in die zu vergütenden Körper w transportiert und bilden darauf verschleißfeste Schichten. Öieser Behandlung kann auch eir.e Grundvergütung : vorausgehen.
Für die gleichmäßige Beschichtung im strömenden Gasgemisch ist es vorteilhaft. Zylindrische Reaktionsge- i> fäße aus Quarzglas oder temperaturbeständigem"Stahl zu benutzen und die einzelnen Körper, z. B. Federn oder Ringe auf axial symmetrischen Horden oder Paletten aufzustecken oder aufzuhängen. Diese Trägervorrich- tüng wird dann[im Reaktionsgefäß abwechselnd 5 bis 10 Miouten in die eine und dann in die andere Richtung gedreht, wobei die mittlere Geschwindigkeit bei 1 bis 5 cm/sec liegen sollte.
. . . Die Erhitzung der zu beschich'.enden Körper erfolgt
bei der Massen\ergütung zweckmäßiger* eise durch Strahlungsbeheizung über die Winde des Reakiionsgefäßes. Es ist jedoch auch möglich, eine Erhitzung mittels Hochfrequenz vorzunehmen.
Nachstehend weiden noch zwei weitere Ausführungsbeispiele 2 und J im einzelnen beschrieben:
Beispiel 2
Als Reaktionsgefäß dient ein 700 mm langes Quarzrohr, das im mittleren Teil auf eine Strecke von ca. 150 mm im 0 auf 50 mm erweitert ist; die Enden des Rohres besitzen feinen 0 von ca. 25 mm. Der mittlere Teil des Rohres dient als eigentlicher Reaktionsraum; er befindet sich in einem elektrisch beheizten Rohrofen und nimmt die1 zu vergütenden Röhrchen auf; im vorliegenden Fall wird er mit 5000 rohrförmigen Schreibfedern mit einem 0 von 0,6 mm beschickt Die Legierung aus der die Röhrchen gefertigt sind, besitzt die typische Zusammensetzung: C max 0,Ö8°/o, Mn max 2%.Si max 1 %iCr 18-20%, Ni 8-10.5%. Rest FL
Die Vergütung erfolgt in folgenden Stufen: Zuerst wird das Reaktionsgefäß evakuiert, mit Argon gespüh und gleichzeitig die Temperatur im Reaktionsraum auf 1090 ± 1O0C innerhalb einer Stunde gesteigen. Dann wird das Argon durch einen Gasstrom aus Wasserstoff mit 10 ± 1 VoL-% Methan verdrängt und damit die Grundvergütung innerhalb einer Stunde erreicht. Während der Grundvergütung wird das Reaktionsgefäß axial mit ca. 5 U/Min, gedreht Die Vergütung wird beendet durch Spülen und Abkühlen innerhalb 20 Minunten auf Räumtemperatur. .
Bei dieser Behandlung bzw. Vergütung behalten Röhrchen ihre glatte und glänzende Oberfläche und die Sollmaße. Die Kohlenstoffaüfnahme beträgt 4i>—5.1%. Das Gefüge ist zweiphäsig und besteht Lw. aus Chrorr.karbid und Fe/Nl-Matrix. Die Schreiblänge liegt bei >9000m. d.h. bei 9000m ist noch keine merkbare Abnützung festzjstellen. Im Vergleich dazu zeigen Federn, die härtverchrom! sind, eine Schreiblange von max. 70OiTi. Die Mikrohärte liegt im Bereich von
Das Verfahren reagiert empfindlich auf das Parameterpaar Temperatur und Zeit. Wird die Temperatur auf iOÖÖ'C abgesenkt so ist eine feinfühlige Einstellung des C-Gehaltes und Gefüges möglich, z. B. in der Weise, daß im Kern des Werkstückes der Anteil der karbi<iischen Phase kleiner ist als im äußeren Bereich- Diese Erzeugung nach Art und Menge der harten Phasen im Werkstück und nicht auf dem Werkstück durch einfache Einstellung der yerfahrensvariablen
— Temperatur
-■ Zeit ■ ' ·' . ■/■ ', ■■
GH4-. GCI4-. allgemein. C-Lieferanten-KOnzentratiön . . · - ■■..."■ .'■■■' .".'■■■.'..
ist es möglich das »in situ hergestellte« Hartmetall den AhförderUngen gemäß optimal herzustellen. Das gilt vor allem in bezug auf Härte. Gleitvermögen und Korrosionsverha'ten. .
Beispiel ί
Es wird wie im Beispiel^ gearbeitet; eingesetzt werden ca. 10 000 Werkstücke. Die Temperjiur der Grundvergütung beträgt 9»0—990- C. die' Ver^Jtungs- ; dauer liegt bei 35 Minuter;. Nachdem das Reaktiönsgas durch Argon verdrängt ist wird die Temperatur auf 1090 + 10 C gesteigert u^d mit einem Gemisch aus Wasserstof!. i Vol."'yi. CCL/ 0.5 Vol.-% CH, und 1 Vol.-'·'.'.) T.Cu sowie 30 VyL-'% H18 Minuten beschichtet, wobei·kontinuierlich Jer'\':-Anteil reduziert wird. Gleichzeitig -Aird nach 5-Slin. SiCU und SiCi; CHj eingespeist. Nach 8 Mir.üien wird der TiCU-Anteil kontinuierlich err.iedriijr -jrdder SiCIj '-.CHi-Ar.teil bis
auf ca. 1.2Vel.-% gesteigert und weitere 5 Minuten ohne TiCU-Anteil beschichtet. Diese Maßnahmen führen zu folgendem kontinuierlich verlaufenden Schichtaufbau:
Titankarbonitrid mit fallendem N-Anteil und steigendem Si-Anteil der schließlich zur Abscheidung von extrem semikristallinem TiC + SiC führt, wobei der SiC-Anteil bis auf 100% ansteigt.
Die in Beispiel 3 gezeigte Arbeitsweise ist in bezug auf a; aßte Schutzschichten äußerst variabel und hat den nicht zu übersehenden Vorteil, daß nur Phasen abgeschieden werden, die miteinander im thermodyna* mischen Gleichgewicht stehen. Das ist vor allem bei der Beschichtung von Ni-Basislegierungen wesentlich, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden. Hier
besteht das Problem der »Phasenauf/chrung«, el h. die Schutzschichten wandeln sich in neue Phasen um, die keinen Schütz bieten oder werden vom Grundmaterial durch Lösung oder Reaktion aufgebraucht. Ein typisches Beispiet ist das Stoffpaar C-Faser-Bor-Schicht.
Die vorgeschlagene Kombination Grundvergütung kontinuierlicher Schichtaufbau hat noch folgenden wesentlichen Vorteil: Die im Grundmaterial erzeugten Karbide treten an der Oberfläche des Werkstückes aus. und bilden hier Anwachsflächen für die aufzuwachsenden Karbide bzw. Karbonitride. Das führt zu extrem festhaftenden aufgewachsenen Schutz- und Gleitschichten, da die Karbide aus dem Inneren des Werkstücks nach außen weiterwachsen.

Claims (5)

  1. Patentansprüche:
    t. Verfahren zur Erhöhung der Abriebfestigkeit von Schreibröhrchen aus Edelstahl oder Nickelmetall-Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke einer Aufkohlung mittels gasförmiger Kohlenstoffverbindungen bei einer Temperatur zwischen 700"C und I IOO°C bei einem Druck zwischen 0,5 und 1,5 bar so lange unterworfen werden, bis die gewünschte Eindringticfe des Kohlenstoffes im wesentlichen erreicht ist, und daß anschließend die Werkstücke in einem Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff und/oder Edelgasen abgekühlt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufkohlung ein strömendes Gasgemisch im Kreislauf geführt wird.
  3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke in einem zylindrischen Reaktionsgefäß auf axial symmetrischen Horden oder Pcllettcn angeordnet werden und mit diesen Haltevorrichtungen mit einer mittleren Geschwindigkeit von !bis 5 cin/sec im Abstand von 5 bis 20 mir. abwechselnd in entgegengesetzter Richtung bewegt werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekcnn: zeichnet, daß die Wasserstoffkonzentration in dem vergütenden Gasgemisch zu 80 bis 95 Vol.-"/o eingestellt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die karbonisierten Werkstücke zusätzlich in einem Reaktionsgefäß einem Gasgemisch aus Chlor-Kohlenwasserstoffen oder einem Halogenid von Titan.'Silicium öder Bor. und Titan. Silicium oder Bor zur Abscheidung von Hartnietalischichten ausgesetzt werden.
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