DE2706845A1 - Verfahren zum erzeugen einer amorphen oberflaechenschicht auf einem metallischen gegenstand - Google Patents

Verfahren zum erzeugen einer amorphen oberflaechenschicht auf einem metallischen gegenstand

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Description

Verfahren zum Erzeugen einer amorphen Oberflächenschicht auf einem metallischen Gegenstand
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von neuen und nützlichen Oberflächeneigenschaften eines Metallgegenstandes durch Verwendung einer konzentrierten Energiequelle zum Schmelzen einer dünnen Oberflächenschicht. Die schnelle Erstarrung, die sich anschließt, erzeugt besondere metallurgische Strukturen.
Es gibt zwar in der Metallurgie viele Methoden zum Modifizieren der Oberflächeneigenschaften von Metallgegenständen, bei den meisten erfolgt jedoch kein Schmelzen, sondern es erfolgen Umwandlungen im festen Zustand. Obgleich der Laser bald nach seiner Erfindung auf dem Gebiet der Metallurgie verwendet worden ist, erfolgt bei den meisten Me-
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tallbehandlungsoperationen mit einem Laser kein Schmelzen, wie bei der Umwandlungshärtung von Stahl, oder ein extrem tiefes Schmelzen, wie beim Schweißen oder Schneiden. Eine allgemeine Ausnahme davon ist die Verwendung von Lasern beim Oberflächeniegieren, beispielsweise bei dor Herstellung von verschleißfesten Ventilsitzen für Verbrennungsmotoren. In diesem besonderen Fall werden Oberflächenschichten, die mit gewissen Elementen angereichert worden sind, unter Bedingungen einer relativ geringen Leistungszufuhr geschmolzen, um die Oberflächenanreicherungselemente in den Gegenstand einzudiffundieren.
Es gibt drei Literaturstellen, die die Verwendung von Lasern in Fällen beschreiben, bei welchen ein Oberflächenschmelzen auftritt:
Appl. Phys. Letters 21 (1972) 23-5 beschreibt Laborversuche, bei welchen dünne Oberflächenzonen auf nichteutektischen Aluminiumlegierungen unter Verwendung eines gepulsten Lasers geschmolzen wurden. Es wurde eine große Abkühlgeschwindigkeit beobachtet. Ein Versuch, bei welchem metastabile kristalline Phasen durch Oberflächenschmelzen unter Verwendung eines gepulsten Lasers erzeugt wurden, ist in J. Mater. Sei. 7 (1972) 627-30 beschrieben. Ein ähnlicher Versuch, bei welchem metastabile Phasen in einer Reihe von nichteutektischen Al-Fe-Legierungen erzeugt wurden, ist in Mater. Sei. Eng. 5 (1969) 1-18 beschrieben.
Eine Quelle konzentrierter Energie wird benutzt, um dünne Oberflächenschichten auf gewissen Legierungen schnell zu schmelzen. Das Schmelzen erfolgt unter Bedingungen, welche die Erwärmung des Substrats minimieren, so daß nach dem Abschalten der Energiequelle das Abkühlen und die Erstarrung aufgrund des Wärmeflusses aus der Oberflächenschmelzschicht in das Substrat schnell vonstatten gehen.
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Eine Abschirmung durch strömendes Inertgas wird während des Schmelzprozesses benutzt,um eine atmosphärische Verunreinigung zu eliminieren und um eine Plasmabildung zu minimieren.
Durch Kontrollieren der Erwärmungsparameter können die Schmelztiefe und die Abkühlgeschwindigkeit verändert werden. Hohe Abkühlgeschwindigkeiten können benutzt werden, um amorphe Oberflächenschichten auf gewissen tiefoutektischen Materialion zu erzeugen. Niedrigere Abkühlq»-schwindigkeiten können besondere Mikrogefüye in Legierungen auf Ubergangsmetallbasis erzeugen, welche metalloidreiche Ausscheidungen enthalten.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und Photos näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die Beziehung zwischen zugeführter Leistung, Erwärmungszeit und sich ergebender Tiefe der Oberflächenschmelze beim Laser-Skin-Schmelzen (im folgenden als -Oberflächenschmelzen bezeichnet ) ,
Fig. 2 die Beziehung zwischen Oberflächenschmelztiefe und mittlerer Abkühlungsgeschwindigkeit für verschiedene zugeführte Leistungen beim Laser-Oberflächenschmelzen,
Fig. 3 ein Makrophoto einer teilweise oberflächengeschmolzenen Kobaltlegierungsoberfläche,
Fig. 4 ein Mikrophoto von Quorschnitten eines der
oberflächengeschmo]zonon Dereiche von Fig. 3,
Fig. 5 Mikrophotos von Querschnitten von anderen oberflächengeschmolzenen Bereichen von Fig. 3,
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Fig. 6 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Schmelzzone des in Fig. 4 dargestellten Materials, und
Fig. 7 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Schnelzzone des in Fig. 5 gezeigten Materials.
Das Skin- oder Oberflächenschmelzen ist ein Ausdruck, der geprägt worden ist, um das rasche Schmelzen und Erstarren einer dünnen Oberflächenschicht auf der Oberfläche eines metallischen Gegenstandes infolge einer hochkonzentrierten Energiezufuhr zu der Oberfläche zu beschreiben. Durch Einleiten von Energie in die Oberflächenschicht mit einer Geschwindigkeit, die groß genug ist, d.h. mit einer Geschwindigkeit, die die Geschwindigkeit stark überschreitfit, mit welcher Wärme in das Material geleitet werden kann, kann die Temperatur der Oberflächenschicht über ihren Schmelzpunkt erhöht werden, ohne daß die Temperatur des darunterliegenden Substrats nennenswert erhöht wird, d.h. hoho Energiezufuhren können steile Wärmegradienten erzeugen. Wenn die Energiezufuhr zu der Oberfläche beendet wird, wird somit die durch thermische Energie in eier geschmolzenen Oberflächenschicht erzeugte Wärme schnell in das darunterliegende kühle Substrat abgeführt. Berechnungen und Experimente zeigen, daß Abkühlungsgeschwindigkeiten von mehr als etwa 10 C pro Sekunde bei geschmolzenen Oberflächenschichten erzielt werden können, deren Dicke in der Größenordnung von 25,4 ,um bis 50,8 .um liegt. Selbstverständlich worden sich die Parameter und die effektiven Abkühlungsgeschwindigkeiten, die durch die Oborfliichenschmelztechnik erzeugt werden, mit den thermischen Eigenschaften des Materials ändern.
Die Energiequelle muß gewisse Kriterien erfüllen. Das erste Kriterium ist, daß die Energiequelle in der Lage sein muß, eine äußerst hohe Dichte an absorbierter Energie an der
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Oberfläche zu erzeugen. Für diesen Prozeß ist der kritische Parameter die absorbierte Energie statt der einfallenden Energie. Für den Fall, in welchem ein Laser als Energiequelle benutzt wird, bei welchem es sich um eine der wenigen bekannten Energiequellen handelt, die in der Lage ist, die erforderlichen Energiedichten zu erzeugen, ändert sich der Anteil an absorbierter Energie stark mit Unterschieden im Material und in der Oberflächenbeschaffenheit. Eine weitere Erscheinung, durch welche die absorbierte Energie verringert wird, ist die Plasmawolke, die nahe der Oberfläche während der Laserbestrahlung gebildet wird. Diese Plasiuawolke absorbiert einen Teil der einfallenden Energie und verursacht außerdem eine Defokussierung des Strahls und reduziert somit die Dichte der absorbierten Energie. Das zweite Kriterium ist, daß die absorbierte Energie im wesentlichen vollständig in Wärmeenergie innerhalb einer Tiefe umgewandelt werden muß, die kleiner ist als etwa die Hälfte der gewünschten Gesamtschmelztiefe. Dieses Kriterium muß berücksichtigt werden, um sicherzustellen, daß keine übermäßige Erwärmung des Substrats und die damit verbundene Verringerung der Abkühlungsgeschwindigkeit auftreten. Abhängig von diesem zweiten Kriterium kann auch eine Elektronenstrahlheizung benutzt werden.
Das Verfahren nach der Erfindung wird, kurz gesagt, folgendermaßen durchgeführt: eine kontinuierliche Energiequelle, welche weiter unten angegebene Eigenschaften hat, wird zum Erwärmen der Oberfläche des zu behandelnden Gegenstands benutzt. Obwohl auch Elektronenstrahlverfahren benutzt werden können, ist ein Dauerstrichlaser die bevorzugte Energiequelle. Wenn ein Laser benutzt wird, wird der Punkt der Wechselwirkung zwischen dem Strahl und der Oberfläche mit einem Inertgasstrom abgeschirmt, um die Wechselwirkung der Oberflächenschmelzzone mit der Atmosphäre zu minimieren und
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-Sr-
•/f/f.
um die Plasmabildung zu reduzieren. Die Enrgiequelle wird dann relativ zu der Oberfläche bewegt, um den Oberflächenschmelzeffekt auf kontinuierlicher Basis zu erzeugen. Einander überlappende Durchgänge können benutzt werden, um die Oberfläche eines Gegenstands vollständig zu behandeln.
Aufgrund des intuitiven Gefühls, daß ein solcher Prozeß zu Abkühlungsgeschwindigkeiten führen könnte, die ausreichend hoch sind, um Nichtgleichgewichtsstrukturen und sogar nichtkristalline Strukturen zu erzeugen, sind Versuche durchgeführt worden, die dieses Konzept bestätigt haben. Ein Compute rprog ramm, bei welchem eine Analyse von endlichen Elementen des Wärmeflusses benutzt wird, wurde dann entwickelt und verwendet, um die Abkühlungsgeschwindigkeiten vorherzusagen, die in einem besonderen Material (reines Nickel) in Abhängigkeit von verschiedenen Bedingungen erreicht werden sollten.
Fig. 1 zeigt die gegenseitige Beziehung zwischen absorbierter Leistung, Dauer der Leistungszufuhr und sich ergebender Schmelztiefe. Fig. 1 basiert auf den thermischen Eigenschaften von reinem Nickel und geht davon aus, daß din Energiequelle ein Laserstrahl ist, der an der Oberfläche absorbiert wird. Fig. 1 enthält zwei Kurvenscharen, von denen
2 sich die eine auf die absorbierte Leistung (W/cn ) und die
andere auf die absorbierte Energie (J/cm ) bezieht. Beispielsweise ist zu erkennen, daß, wenn ein Laserstrahl mit einer Dichte, die ausreicht , um eine Leistungsabsorption
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von 1x10 W/cm hervorzurufen, für eine Zeit von 1O s auf eine Nickeloberfläche gerichtet würde, würde die sich ergebende Schmelztiefe etwas weniger als 2,54 .um betragen. Ebenso, wenn ein Laserstrahl benutzt würde, um eine Energie von 1 J/cm durch eine Nickcloberflache in einer Zeit von etwa 10 s zu absorbieren, würde sich eine Oberflächenschmelztiefe von etwas weniger als 0,25 .um ergeben. Diese
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Kurve zeigt, daß, wenn hohe Dichten an absorbierter Leistung metallischen Oberflächen zugeführt werden, sich ein kontrolliertes Schmelzen von Oberflächenschichten ziemlich schnell ergeben kann. Die benutzte Energiequelle ist vorzugsweise kontinuierlich und wird relativ zu der behandelten Oberfläche bewegt. Die ungefähre Verweilzeit kann dann aus folgender Beziehung berechnet werden:
Verweilzeit =
Geschwindigkeit der Relativbewegung Die Verweilzeit beträgt vorzugsweise weniger als 0,1 s.
Fig. 2 zeigt eine weitere Kurvenschar, welche die Schmelztiefe und die Dichte der absorbierten Leistung zu der mittleren Abkühlungsgeschwindigkeit der Oberflächenschmelzschicht zwischen dem Schmelzpunkt und 816 C in Beziehung setzt. In bezug auf das oben in Verbindung mit Fig. 1 erwähnte Beispiel eines Strahls, der eine Leistungsabsorption
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von 10 W/cm verursacht, wenn er für eine Zeit von 10 s auf die Oberfläche gerichtet wird, um eine Schmelztiefe von 2,54 .um zu erzeugen, zeigt Fig. 2, daß unter diesen Bedingungen die mittlere Abkühlungsgeschwindigkeit der Schmelzschicht etwa 277x10 °C/s (5x10 °F/s) betragen würde. Diese Abkühlungsgeschwindigkeiten setzen ein dickes Substrat voraus und die vorliegende Erfindung verlangt, daß das Substrat wenigstens viermal so dick ist wie die geschmolzene Schicht. Solche Abkühlungsgeschwindigkeiten sind extrem hoch und können benutzt werden, um in gewissen Materialien neue Mikrostrukturen zu erzeugen.
Eine gewisse Klasse von Materialien, die als tiefeutektische Materialien bezeichnet werden, kann amorph gemacht werden, wenn die Oberflächenschmelzbedingungen ausreichen, um Abkühlungsgeschwindigkeiten von mehr als etwa 5,5x10 C/s (10 °F/s) und vorzugsweise von mehr als etwa 55x10 °C/s
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(10 F/s) zu erzeugen. Eine eutektische Zusammensetzung ist ein Gemisch von zwei oder mehr Elementen oder Verbindungen, die den niedrigsten Schmelzpunkt irgendeiner Kombination dieser Elemente oder Verbindungen hat und kongruent erstarrt. Für die Zwecke der Erfindung wird ein tiefes Eutektikum als ein Eutektikum definiert, in welchem die absolute eutektische Temperatur wenigstens 15 % niedriger ist als der absolute Schmelzpunkt des Hauptbestandteils des Eutektikums. Aus Fig.2 ist zu erkennen, daß eine Abkühlungsgeschwindigkeit von mehr als 5,5x10 C/s (10 F/s) eine
4 Dichte an absorbierter Leistung von mehr als etwa 5x10 W/cm erfordert und nur in Schmelztiefen von weniger als etwa 127 ,um erreicht werden kann. Amorphe Oberflächenschichten sind erzielt worden in Legierungen auf der Basis des Eutektikums zwischen Palladium und Silicium (in einer Pd ;_ in,-Cu . n,
0 , //b U,Oo
-Sin Λ ,--Legierung), in welcher die absolute Ernie-U, iod
drigung der eutektischen Temperatur (1073 K) von dem absoluten Schmelzpunkt des Palladiums (1825 0K) etwa 41% beträgt. Sowohl in dieser Ausführungsform als auch in der folgenden kann die Oberflächenschicht dieselbe Zusammensetzung wie das darunterliegende Substratmaterial haben oder nicht. Eine Oberflächenschicht mit modifizierter Zusammensetzung kann durch viele Verfahren erzeugt werden, die in der Metallurgie bekannt sind und zu welchen gehören:
a) Eine vollständig unterschiedliche Oberflächenschicht kann durch verschiedene Verfahren aufgebracht werden, zu welchen galvanisches überziehen, Aufdampfen, Elektrophorese, Plasmaspritzen und -sprühen gehören. Die so aufgebrachten Oberflächenschichtcn haben vorzugsweise eine im wesentlichen eutektische Zusammensetzung und brauchen keine Bestandteile mit dem Substrat gemeinsam zu haben.
b) Eine Schicht eines Elements, das ein Eutektikum mit
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• JtIf.
einem Hauptelernent in dem Substrat bildet, kann aufgebracht und dann durch geeignete Wärmebehandlung in dem festen Zustand veranlaßt werden, in das Substrat zu diffundieren. Das Material kann durch verschiedene Verfahren aufgebracht werden, zu welchen die vorstehend unter a) angegebenen gehören.
c) Eine Schicht, die ganz oder zum Teil aus einem Material besteht, welches ein tiefes Eutektikum mit einem Hauptbestandteil des Substrats bildet, kann auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht und durch Zufuhr von Wärme, beispielsweise durch einen Laser oder einen Elektronenstrahl, in das Substrat eingeschmolzen werden, so daß eine Oberflächenschicht der gewünschten Tiefe mit im wesentlichen eutektischer Zusammensetzung gebildet wird.
Bei der zweiten Klasse von Materialien, die durch das vorliegende Verfahren behandelt werden können, handelt es sich um Legierungen auf der Basis von übergangsmetallen, welche eine Menge an einem Metalloid enthalten, die über der Grenze der Löslichkeit im festen Zustand liegt. Der hier verwendete Ausdruck Metalloid umfaßt C, B, P, Si, Ge, Ga, Se, Te, As, Sb und Be. Bevorzugte Metalloide sind C, B und P, wobei B und P am meisten bevorzugt werden. Bevorzugte Ubergangselemente sind Fe, Ni und Co. Unter den Abkühlungsbedingungen, die sich aus dem normalen Schmelzen und Abkühlen ergeben (d.h. Geschwindigkeiten von weniger als etwa 5,3x10 C/s) enthalten solche Legierungen massive, metalloidreiche Teilchen (mit Abmessungen in der Größenordnung von Mikrometern). Obwohl Verfahren zum Kontrollieren der Teilchenmorphologie während der Erstarrung entwickelt worden sind, insbesondere die gerichtete Erstarrung, liegen die Abmessungen und Abstände der metalloidreichen Teilchen noch in der Größenordnung von Mikrometern. Durch Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens auf diese Klasse von Legierungen kann die Größe der metalloidreichen Ausschei-
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düngen auf weniger als 0,5 .um und vorzugsweise auf weniger als 0,1 ,um reduziert werden. Die Abkühlungsgeschwindigkeiten, die erforderlich sind, um eine solche Mikrostrukturänderung zu bewirken, betragen wenigstens 5,5x10 C/s (10 °F/s) und vorzugsweise wenigstens 5,5x10 °C/s (105 °F/s). Aus den Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß Abkühlungsgeschwindigkeiten von 5,5x10 °C/s (10 °F/s) und 5,5x1O4 °C/s (105 °F/s) Leistungsdichten von etwa 5x1O3 bzw.
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2x10 W/cm erfordern. Dieser Aspekt der Erfindung wird anhand der übrigen Figuren verständlich. Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Kobaltlegierung (Co-20% Cr-10% Ni-12,7% Ta-O,75%C), die unter den angegebenen Bedingungen oberflächengeschmolzen worden ist. Vor dem Oberflächenschmelzen hat man die Legierung gerichtet erstarren lassen, um ein Gefüge zu erzeugen, das TaC-Fasern in einem Grundmaterial von Kobalt in fester Lösung enthält. Die Fig. 4 und 5 zeigen Querschnittsmikrophotos von zwei dieser Oberflächenschmelzdurchgänge. Die Fig. 6 und 7 zeigen ebenfalls Queransichten, allerdings bei höherer Vergrößerung, welche zeigen, daß der Abstand (dunkle Phase) der Karbid (TaC)-Fasern etwa 5-10 ,um beträgt. Die Fig. 8 und 9 zeigen vergrößerte Ausschnitte aus den oberflächengeschmolzenen Bereichen der Fig. 6 und 7, welche die Änderungen in der Karbidmorphologie veranschaulichen, welche sich aus dem Oberflächenschmelzen ergeben. Da die Schmelztiefe in Fig. 5 größer ist als in Fig. 4, zeigte das Material von Fig. 4 eine größere Abkühlungsgeschwindigkeit. Die dunklen Karbidteilchen in Fig. 6 sind im wesentlichen äquiaxial und wahrscheinlich durch Ausscheidung aus einer übersättigten festen Lösung nach der Erstarrung gebildet. Die Karbidgröße beträgt etwa 0,1 «um. Fig. 4 zeigt ein anderes Gefüge, nämlich ein fadenförmiges Karbidgefüge, das nach der Erstarrung gebildet worden ist. Die Fäden sind etwa 1-2 .um lang und haben einen Durchmesser von etwa 500 Ä. Solche Strukturen sind äußerst hart und einzigartig. Anders als die amorphen Schichten, die oben beschrieben worden sind, sind sie relativ stabil und erfahren keine extremen Gefügeänderungen bei erhöhter
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/6-
Temperatur. Bei einer Legierung auf der Basis des Nickel-4% Bor-Eutektikums sind Vickers-Härten von über
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1200 kp/mm erzielt worden, d.h. Härten, die größer sind als die der härtesten bekannten Werkzeugstähle. In dem Verfahren nach der Erfindung ist die Schmelzschicht vergleichsweise dünn. Aus diesem Grund sollte jede Reaktion der Schmelze mit der Umgebung vermieden werden, da jedes Oberflächenreinigungsverfahren wahrscheinlich einen beträchtlichen Teil der Oberflächenschicht beseitigen würde. Ebenso hängt die Erfindung von dem kontrollierten Oberflächenschmelzen ab und jeder Faktor, der die genaue Kontrolle des Schmelzprozesses stört, sollte ausgeschaltet werden. Wenn ein Laser als Energiequelle für das Verfahren nach der Erfindung benutzt wird, treten unerwünschte Erscheinungen an dem Punkt der Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und der behandelten Oberfläche auf. Die unerwünschteste Reaktion ist die Bildung einer Plasmawolke. Diese Wolke absorbiert einen Bruchteil des Strahls, reflektiert einen anderen Bruchteil des Strahls und ist bestrebt, den übrigen Teil des Strahls zu defokussieren und dadurch die Dichte der einfallenden Energie zu verringern. Wegen der oben erläuterten Faktoren ist eine Abschirmung aus einem Inertgasstrom ein wichtiger Teil des vorliegenden Verfahrens, wenn die Energiequelle ein Laser ist. Das Gas dient zum. Eliminieren einer unerwünschten Reaktion zwischen der Oberfläche und der Umgebung und minimiert die Plasmabildung. Das benutzte Gas sollte im wesentlichen mit der (geschmolzenen) Oberflächenschicht nicht reagieren und sollte mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 0,6 m/min an dem Wechselwirkungspunkt zwischen Laser und Oberfläche strömen. Ausgezeichnete Ergebnisse sind mit einem Helium-Argon-Gemisch bei Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 0,6 bis 6 m/min erzielt worden.
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Claims (15)

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Erzeugen einer amorphen Oberflächenschicht auf einem metallischen Gegenstand, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) Schaffen eines metallischen Gegenstandes, der mindestens eine Oberflächenschicht mit im wesentlichen tiefeutektischer Zusammensetzung hat, in welcher die absolute eutektische Temperatur wenigstens 15% niedriger liegt als der absolute Schmelzpunkt des Hauptbestandteils,
b) Bereitstellen einer Energiequelle, die eine Leistungs-
4 2 dichte von mehr als etwa 5x10 W/cm hat und die weitere Eigenschaft aufweist, daß die Energie an der äußeren Oberfläche des Gegenstandes, auf welchem die amorphe Schicht erwünscht ist, absorbiert und im wesentlichen in Wärmeenergie umgewandelt wird,
c) Bereitstellen einer Gasquelle, die ein Gas liefert, das gegenüber dem Oberflächenschichtmaterial des Gegenstandes inert ist, und Hinwegleiten des Gases über den zu schmelzenden
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Oberflächenteil,
d) Veranlassen der Energiequelle, daß sie das strömende Gas durchdringt und auf die Oberflächenschicht mit tiefeutektischer Zusammensetzung auftrifft, während eine Relativbewegung zwischen der Energiequelle und der Gegenstandsoberfläche hervorgerufen wird und während eine Abschirmung aus strömendem Gas über dem Teil des Oberflächenbereiches aufrechterhalten wird, der geschmolzen wird, so daß eine seichte Oberflächenschicht geschmolzen wird, wobei die Verweilzeit der Energiequelle kleiner als etwa 0,1 s ist, so daß die Erwärmung des ungeschmolzenen Substrats minimiert wird,
e) Abkühlenlassen der geschmolzenen Schicht durch Wärmeleitung in das ungeschmolzene Substrat mit einer Geschwindigkeit, die größer ist als diejenige, die erforderlich ist, um die Bildung eines amorphen Gefüges auf der Oberfläche des Gegenstandes zu verursachen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die absolute eutektische Temperatur der Oberflächenschicht um wenigstens etwa 25% von der absoluten Schmelztemperatur des Haupteutektikumsbestandteils erniedrigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle ein kontinuierlicher Laser ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle ein Elektronenstrahl ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit einer Geschwindigkeit von mehr als etwa 0,6 m/min über die Oberfläche strömt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge-
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kennzeichnet, daß die Tiefe der Oberflächenschicht kleiner ist als etwa 127 .um.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sich ergebende Abkühlungsgeschwindigkeit größer ist als etwa 5,5x10 C/s.
8. Verfahren nach Anspruch 1 zum Erzeugen einer mikrokristallinen Oberflächenschicht auf Legierungen auf der Basis von Ubergangsmetallen, welche nennenswerte Mengen an gewissen Metalloiden enthalten, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) Schaffen eines metallischen Gegenstandes, der mindestens eine Oberflächenschicht hat, die auf der Gruppe basiert, welche aus Ubergangsmetallen und Gemischen derselben besteht und eine Menge an Metalloidmaterial, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Metalloiden und Gemischen derselben besteht, enthält, die über der Grenze der Löslichkeit im festen Zustand liegt, so daß meta]loidreiche Ausscheidungen unter Gleichgewichtsbedingungen vorhanden sind.
b) Bereitstellen einer Energiequelle, die eine Leistungsdichte
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von mehr als etwa 5x10 W/cm hat und die weitere Eigenschaft aufweist, daß die Energie im wesentlichen an der äußeren Oberfläche des Gegenstandes, auf "welchem die Oberflächenschicht erwünscht ist, absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt wird,
c) Bereitstellen einer Gasquelle, welche ein Gas liefert, das gegenüber dem Oberflächenmaterial des Gegenstandes inert ist, und Hinwegströmenlassen des Gases über den zu schmelzenden Oberflächenteil,
d) Hindurchführen der Energiequelle durch das strömende Gas und Auftreffenlassen auf die Oberfläche, während eine Relativbewegung zwischen der Energiequelle und der Gegenstandsoberfläche
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hervorgerufen wird, und Aufrechterhalten der Abschirmung aus strömendem Gas über demjenigen Teil des Oberflächenbereiches, der geschmolzen wird, so daß eine seichte Oberflächenschicht geschmolzen wird, ohne daß eine nennenswerte Erwärmung unterhalb der geschmolzenen Schicht erfolgt, wobei die Zeit, während der ein Punkt an der Oberfläche der Energiequelle ausgesetzt ist, kleiner ist als etwa 0,1 s,
e) Abkühlenlassen der geschmolzenen Schicht durch Wärmeleitung in das ungeschmolzene Substrat mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um die Bildung einer mikrokristallinen Oberflächenschicht zu verursachen, wobei wenigstens eine der mittleren Oberflächenschichtkristallabnessungcn kleiner als etwa 1000 A* ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ubergangsmetall aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Fe, Ni und Co sowie Gemischen derselben besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloid aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus C, B und P sowie Gemischen derselben besteht.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle ein kontinuierlicher Laser ist.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle ein Elektronenstrahl ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit einer Geschwindigkeit von mehr als etwa 0,6 m/min strömt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Oberflächenschicht kleiner
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als etwa 1270 ,um ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlungügeschwindigkeit größer als etwa 5, 5x1O3 °C/s ist.
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DE2706845A 1976-02-17 1977-02-17 Verfahren zur Bildung einer amorphen Oberflächenschicht auf einem metallischen Gegenstand Expired DE2706845C2 (de)

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