DE2944301A1 - Formteil aus stahl mit einer verschleissfesten beschichtung und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
Formteil aus stahl mit einer verschleissfesten beschichtung und verfahren zu dessen herstellungInfo
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Description
2344301
-A-
Formteil aus Stahl mit einer verschleissfesten Beschichtung und Verfahren zu dessen Herstellung.
Die Erfindung betrifft ein Formteil aus Stahl mit einer verschleissfesten Beschichtung aus mindestens
einem Carbid der Gruppe III bis VI des Periodensystems der Elemente sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Es ist bekannt, noch nicht ausreichend verschleissfeste Formteile durch verschiedenerlei Methodiken
oberflächlich zu vergüten. Dies kann beispielsweise durch Nitrieren des Stahls oder neuerdings in besonders
eleganter Weise durch Beschichtung der Substrate mit einer verschleissfesten Oberflächenschicht, die
nach der sogenannten CVD-Methode (Chemical Vapor Deposition) aufgebracht ist, erfolgen. Durch die CVD-Technik
ist es möglich, positive Eigenschaften der Carbide, insbesondere deren hohe Härte und grossen
Verschleisswiderstand an der Funkticnsflache von Werkzeugen
voll entwickeln zu lassen, ohne dass deren an sich mangelnde Duktilität sich hier nachteilig auswirkt.
Dies hat zu erheblichen Werkzeugstandzeitverlängerungen geführt.
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Es ist bereits bekannt, hoch beanspruchte Werkzeugteile, wie z.B. Zylinderbuchsen, innen mit verschleissfesten
Panzerschichten auszukleiden (z.B. Maschinenmarkt, Würzburg, 83 [1977] 66, sowie Kunststoffberater
6/1978, S. 322 ff.). Als Trägerwerkstoffe werden dort-scweit die CVD-Beschichtung angesprochen ist - leicht verfügbare Massenstähle
eingesetzt, die die Abscheidung der verschleissfesten Carbidschichten begünstigen.
Hierbei handelt es sich um kohlenstoffreiche Stähle, deren Kohlenstoff im Randbereich an
die carbidbildende Schicht abgegeben wird, wobei sich der Kohlenstoffmangel in der Stahlrandzone durch C-Nachdiffusion
aus dem Stahlinneren ausgleichen kann. Die verwendeten Trägerwerkstoffe mit einem relativ
hohen C-Anteil lassen sich häufig gut verschweissen und sind warmfest. Durch den Einsatz austenitischer CrNi-Stähle
lassen sich auch gute Korrosionseigenschaften der Trägerwerkstoffe erreichen.
Die bislang eingesetzten Grundwerkstoffe mit relativ
hohem C-Anteil, die hierdurch eine gute Ausbildung von Verschleisschichten gestatteten, weisen jedoch noch
keine ausreichende Grundzähigkeit bei gleichbleibender Masstreue auf. Selbst wenn diese im Einzelfall anfänglich
in befriedigender Weise vorliegt, geht diese bei der für die CVD-Beschichtung erforderlichen Temperaturbehandlung
zum Teil verloren. Da aber beschichtete Formstücke häufig Teile von Maschinen darstellen,
an die sie angewindet oder angeflanscht werden müssen, haben sich Probleme ergeben, die sich auf eine noch nicht
ausreichende Masshaltigkeit, Grundzähigkeit, etc. der eingesetzten Stähle, zumindest nachderen thermischer
CVD-Behandlung, zurückführen lassen.
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ύ>
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Formteile der eingangs genannten Art zu schaffen, die
mit einer optimal verschleissfesten, harten, gleichmassigen und dichten CVD-Beschichtung versehen sind,
wobei das Substrat verbesserte Masshaltigkeits- und Grundzähigkeitseigenschaften auch nach der thermischen
CVD-Behandlung aufweist. Insbesondere soll die verschleissfeste Carbidbeschichtung in sehr fester Weise
auf dem Träger haften und dadurch auch bei hoher mechanischer Beanspruchung bei der geforderten Masshaltigkeit
ihre günstigen Reib- und Verschleisseigenschaften ohne Eindrückung, Abriss oder andere Beschädigung
entwickeln können.
Diese Aufgabe wird durch die Schaffung eines Formteils der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet
ist, dass
(a) auf Stahl, der einen niedrigen C-Gehalt aufweist,
(b) ohne Ausbildung einer entkohlten Rand- oder Zwischenzone
(c) die Carbidachicht in einer Schichtdicke γ·5 um
aufgebracht ist.
Bislang ist für die Zwecke der Praxis der Einsatz von Formteilen auf Basis kohlenstoffarmen Stahls mit einer
CVD-Schicht nicht in Betracht gezogen worden. Wie bereits vorstehend erwähnt wurde, hielt man die
Diffusion von C aus kohlenstoffreichem Stahl an die carbidbildende Schicht für den Erhalt einer qualitativ
hochstehenden CVD-Beschichtung für wichtig, die sich durch eine C-Nachdiffusion aus dem Stahlinneren auf die
Trägereigenschaften nicht nachteilig auswirkte. Bei C-armen Stählen (z.V. C£o,6%/ v/ar davon ausgegangen
worden, dass der Kohlenstoff in der Randzone zur
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Ausbildung ausreichend dicker und ausreichend harter, etwa im stöchiometrischen Verhältnis vorliegender Carbide
nicht ausreichen würde.
Durch die Erfindung werden in überraschender Weise nun Formteile geschaffen, die optimale Eigenschaften,
wie sie beispielsweise an innen gepanzerte Rohre, Büchsen, Schalen oder Gehäuse bei der Kunststoffverarbeitung
gefordert werden, sowohl im Hinblick auf den Trägerteil als auch im Hinblick auf die CVD-Schicht aufweisen.
In den erfindungsgemässen Formteilen wird besonders
vorteilhaft ein Stahl eingesetzt, dessen C-Anteil unter 0,6 Gew.-% liegt, und besonders vorteilhaft im Bereich von
etwa 0,Z- 0,55 Gew.% liegt.
Insbesondere werden jedoch Stähle für das erfindungsgemässe
Formteil in Betracht gezogen, deren C-Anteil unter 0,6, deren Chrom-Anteil unter 6 und deren Vanadinanteil
unter 2 Gew.-% liegt.
Als solche Stähle kommen beispielsweise infrage: 1.2581 X 30 W Cr V 93 (0,31 % C; 2,7 % Cr; 0,4% V)
1.2567 X 30 W Cr V 53 (0,3 % C; 2,4 % Cr; 0,6 % V)
1.2713 55 Ni Cr Mo V 6 (0,55% C; 0,7% Cr; 0,1% V)
1.2714 56 Ni Cr Mo V 7 (0,55% C; 1,1%Cr; 0,1% V) 1.2678 X 45 Co Cr W V 555 (0,41% C; 4,3% Cr; 1,9% V)
1.2343 X 38 Cr Mo V 51 (0,36% C; 5% Cr; 0,4% V)
1.2344 X 40 Cr Mo V 51 (0,4% C; 5,2% Cr; 1,0%V) 1.2365 X 32 Cr Mo V 33 (0,31% C;2,9% Cr; 0,5% V)
1.2606 X 37 Cr Mo W 51 (o,36% C; 5,0% Cr; 0,25% V) 1.26o3 45 Cr V Mo W 58 (0,43% C; 1,85% Cr; 0,8% V)
1.2323 48 Cr Mo V 67 (0,45% C; 1,65% Cr; o,3% V)
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29443Qt
-Z-
1.2622 X 6o W Cr Mo V 94 (0,58% C; 3,75% Cr; 0,7% V) 1.2673 X 27 Co Mo W Cr V 22 (0,27% C; 1,3% Cr; ο,3% V)
1.2766 35 Ni Cr Mo 16 (0,35% C; 1,3 % Cr)
1.2767 χ 45 NiCrMo4 (0,45% C; 1,3% Cr)
In den erfindungsgemässen Formteilen ist die Carbidschicht
vorteilhaft aus Metall und Kohlenstoff im stöchiometrischen oder im im wesentlichen stöchiometrischen
Verhältnis gebildet. Hierdurch ist sichergestellt, dass die CVD-Schicht homogene und günstige Eigenschaften,
insbesondere der Härte aufweist.
Bei einigen Carbiden ist die Schichthärte durch die Stöchiometrie der Verbindung stark beeinflusst. So
konnte gezeigt werden, dass die Schichthärte von TiC(HVQ o25) in Abhängigkeit vom Substrat-Kohlenstoff stehen
kann , da dieser die Ausbildung der abgeschiedenen Beschichtung im Hinblick auf die Einstellung stöchiometrischer
Metall-Kohlenstoff-Verhältnisse vorteilhaft beeinflusst. Dies ergibt sich aus den nachfolgenden
Angaben, bei denen die TiC-Schichthärte (HV Oj-) in Abhängigkeit vom Substrat C gemessen
wurde:
1.3505 (100 Cr 6) 1 % C - 3298 kp.mm"2
1.2o63 (145 Cr 6) 1,45 % C - 3353 kp.mm"2
1.2o8o (X 210 Cr 12) 2,1 % C - 345o kp.mm"2
A 110 (3% C, 4% Ni) - 3700 kp.mm"2
Bei Ausbildung eines erheblich unterstöchiometrischen TiC, z.B. hin bis TiC Aa ergeben sich dagegen niedrigere
Schichthärten, die unter 32oo HV liegen.
In den erfindungsgemässen Formteilen können Carbide
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der Gruppe III bis VI des Periodensystems der Elemente (wobei Her die sogenannten Nebengruppen mit eingeschlossen
sind) oder Kombinationen hiervon Verwendung finden. Bevorzugte Beispiele sind Titancarbid, Vanadincarbid
aber auch Chrcnicarbid, Molybd1ncarbid,Wolfrancarbid/ etc..
Dabei ist es besonders günstig, wenn die Carbidschicht im wesentlichen keinen freien Anteil an Kohlenstoff
enthält. Bevorzugt für die Ausbildung verschleissfester Schichten hoher Härte ist insbesondere ein Titancarbid,
woraus vorzugsweise die gesamteCVD-Schicht in etwa stöchiometrischem Verhältnis besteht. Insbesondere bevorzugt
sind Formteile, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Vickershärte HVn noc mindestens etwa
_2 U,UZD
3.200 kp.mm" , wenn das Carbid Titancarbid ist,
_2
mindestens etwa 2.600 kp.mm , wenn das Carbid Vana- ■
mindestens etwa 2.600 kp.mm , wenn das Carbid Vana- ■
_2 dincarbid ist, mindestens 2.2(X) kenn , wenn das Carbid Chromcarbid
Cr7C, ist, oder mehr beträgt.
Die Vickershärte der Carbidschicht wird hierbei gemäß DIN SO133 Blatt 2 bestimmt.
Die erfindungsgemässen Formteile stellen bevorzugt innen beschichtete Rohre, Büchsen, Schalen, Düsen, Schnecken oder Gehäuse
dar. Eine besondere Verwendungsmöglichkeit liegt im Einsatz von Extrusions- bezw. Spritzgußzylindern, die auf ihrer gesamten
Innenfläche mit einer Verschleiss- schicht bedeckt sind. Derartige Zylinder
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/tr
sind insbesondere im Hinblick auf die Eigenschaften der Verschleisschicht, die der arbeitenden Schnecke
und den sich ergebenden mechanischen Beanspruchungen optimal genügt, die Unmittelbarkeit der Haftung
der CVD-Schicht an der Stahlschicht sowie die mechanische Beanspruchbarkeit der Trägerstoffe ausserordentlich
günstig.
Die erfindungsgemässen Formteile können dadurch hergestellt
werden, dass man den Stahl bzw. das Stahlteil niedrigem Kunststoffgehalts, vorzugsweise mit einem
Kohlenstoffgehalt < 0,6 auf etwa 500 bis 7000C in Inertatmosphäre erhitzt, sodann in aufkohlender
Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 5000C bis nahe der Stahl-Austenitisierungstemperatur hält
und sodann die CVD-Abscheidung von einem Gasgemisch bei der Beschichtungstemperatur durchführt, das an
C-liefernder Komponente reich ist.
Durch die Aufheizung in einer Inertgasatmosphäre bis etwa 700 C wird sichergestellt, dass keine Entkohlung
des Stahls, der ohnehin bereits einen niedrigen Kohlenstoffgehalt aufweist, auftritt. Die sich hieran
anschliessende Aufheizung wird dann, besonders vorteilhaft ab etwa 7000C, in einer aufkohlenden Atmosphäre
fortgesetzt. Eine solche aufkohlende Atmosphäre kann beispielsweise ein Gasgemisch aus Kohlenwasserstoff, z.B. Äthan, Propan
etc. und Wasserstoff darstellen,: wobei Gasgemische aus:etwa 20%
CH. und 80 % H2 besonders bevorzugt sind. Unter dem
Begriff "aufkohlende Atmosphäre" werden bevorzugt solche Gasgemische erfasst, bei denen sich kein freier
Kohlenstoff in der Gasphase (Russ) ergibt, trotzdem die Aktivität des Kohlenstoffes im Gas aber ausreichend
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- K-
hoch ist, so dass innerhalb relativ kurzer Zeit eine Eindiffusion in der Stahlrandzone erfolgt. Es ist besonders
bevorzugt, dass die Aufkohlung bei gegenüber Normaldruck verringertem Druck durchgeführt wird, beispielsweise
bei etwa 100 mbar, wodurch sich eine vollständige und regelmässige Aufkohlung ergibt. Die aufkohlende
Atmosphäre kann bis zur Erreichung der Stahl-Austenitisierungstemperatur
aufrechterhalten werden. Geeignete Aufkohlungszeiträume richten sich nach der Art des eingesetzten Stahles, der Zusammensetzung des
Aufkohlungsgemisches etc. und können durch einfache
Versuche bestimmt werden. Geeignete Zeiträume können beispielsweise im Bereich von 1/2 bis 3 h liegen.
Bei der Durchführung der CVD-Abscheidung wird ein zur Abschexaung des gewünschten Carbides geeignetes Gasgemisch
eingesetzt, das dem Fachmann an sich bekannt ist. Gegenüber herkömmlichen Abscheidungsbedingungen wird
aber im erfindungsgemässen Verfahren mit einem Gasgemisch
gearbeitet, das an der C-liefernden Komponente besonders reich ist. Beispielsweise wird eine TiC-Beschichtung
herkömmlich häufig mit einem Gemisch TiCl.: CH. = 1:1 abgeschieden. Im erfindungsgemässen Verfahren
ergibt sich dagegen durch die Erhöhung des Anteils der C-Komponente
ein besonders günstiges Ergebnis. Durch die Massnahmen des erfindungsgemässen Verfahrens bilden
sich beispielsweise bei Abscheidung von TiC dieses nahezu in stöchiometrischem Verhältnis mit einer Schichtdicke,
die^5um ist. Trotz des hohen CH.-Anteils kommt
es nicht zur Bildung freien Kohlenstoffes in der TiC-Schicht und es treten keine Stahl-Entkohlungserscheinungen
bzw. eine Bildung kohlenstoffarmer Zwischenschichten auf.
Bei Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zur
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ISL
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Abscheidung von Titancarbid ergaben sich bei Aufheizung in Inertgasatmosphäre bis 7000C, anschliessend Behandlung
in aufkohlender Atmosphäre während 1 h mit einem Gasgemisch aus 2o % CH. und 80 % H- und anschliessen-
de Beschichtung mit Titancarbid mit einem Überschuß an Kohlenwasserstoff,
-z.B. Methan gegenüber Titantetrachlorid TiC-Schichten
(z.B. ^ 5um) hoher Härte. Die Härte der in homogener
und dichter Form abgeschiedenen TiC- Beschichtung betrug
_2
mc = 3.2oo kp.mm . Eine nennenswerte Entkohlung
mc = 3.2oo kp.mm . Eine nennenswerte Entkohlung
der Substratrandzone war nicht feststellbar.
Bei Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist es
nicht immer erforderlich, das Aufkohlungsmedium vollständig
durch das Gasgemisch, das für die CVD-Abscheidung erforderlich ist, zu ersetzen. Vielmehr ist es
möglich, dem Aufkohlungsgemisch, das z.B. aus Wasserstoff und CH>
bestehen kann, das entsprechende Metallhalogenid in einer derartigen Menge zuzufügen, dass
das resultierende Gasgemische reich an C-liefernder Komponente ist. Mit der Bezeichnung "reich an C-liefernder
Komponente" sind insbesondere solche Gasgemische bezeichnet, in denen der Anteil der C-liefernden
Komponente, wie CH4, gegenüber dem Anteil an entsprechendem
Metallhalogenid gegenüber den stöchiometrischen Verhältnissen erhöht ist.
In der beiliegenden Figur ist ein erfindungsgemäßes Formteil,
nämlich eine CVD beschichtete Zylinderbüchse, gezeigt. Hierin bedeuten 1 die CVD-Zylinderbüchsenbeschichtung,
die auf einem Stahl 4 mit einem C-Anteil unter 0,6 Gew. % ohne Zwischenschicht aufliegt. In der Zeichnung
stellen 2 den Druck- und Ventilring sowie 3 die, gegebenenfalls ebenfalls beschichtete, Schneckenspitze
dar.
130020/0336
Claims (12)
1. Formteil aus Stahl mit einer verschleissfesten Beschichtung
aus mindestens einem Carbid der Gruppe III bis VI des PSE, dadurch gekennzeichnet,
dass
(a) auf Stahl, der einen niedrigen C-Gehalt aufweist,
(b) ohne Ausbildung einer entkohlten Rand- oder Zwischenzone
(c) die Carbidschicht in einer Schichtdicke ^ 5μΐη
aufgebracht ist.
2. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der C-Anteil des Stahls unter 0,6 Gew.-% liegt.
3. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Stahl der C-Anteil unter 0,6, der Cr-Anteil
unter 6 und der V-Anteil unter 2 Gew.-% liegt.
4. Formteil nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Carbidschicht aus Metall und C im stöchiometrischen
bzw. im wesentlichen stöchiometrischen Verhältnis gebildet ist.
5. Formteil nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der C-Anteil des Carbids 0,95 - 1 Äquivalente,
130020/0336
_2_ 29443Q1
bezogen auf das zugehörige Metalläquivalent der je/heiligen Carbidverbindung,
ist.
6. Formteil nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Carbidschicht im wesentlichen keinen freien C enthält.
7. Formteil nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Carbidschicht TiC enthält oder hieraus besteht.
8. Formteil nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Carbidschicht Vanadincarbid enthält bzw. hieraus besteht.
9. Formteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vickers-Härte der Carbidschicht HV- „-c
mindestens etwa 3.200 kp.mm , wenn das Carbid Titan-
_2 carbid ist, und mindestens etwa 2.6oo kp.mm , wenn
_2 ■fog Carbid Vanadincarbid ist, und mindestens 2.200 kp nm , wenn das
Carbid Chrancarbid Cr7C3 ist, oder mehr beträgt.
10. Formteil nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Formteil ein(e) innen beschichtetes Rohr, Büchse Schale, Düse, Schnecke oder Gehäuse darstellt.
130020/0335
29443Q1
11. Verfahren zur Herstellung von Formteilen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
(a) dass man den Stahl(teil) auf etwa 500 bis 700° C
in Inertatmosphäre erhitzt,
(b) sodann in aufkohlender Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 500 C bis nahezu
Stahl-Austenitisierungstemperatur hält und sodann
(c) die CVD-Abscheidung mit einem an C-liefernden Komponente reichen Gasgemisch bei Beschichtungstemperatur
durchführt.
12. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
dass xiian die Aufkohlung bei Unterdruck durchführt.
130020/0335
Priority Applications (4)
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| DE19792944301 DE2944301A1 (de) | 1979-11-02 | 1979-11-02 | Formteil aus stahl mit einer verschleissfesten beschichtung und verfahren zu dessen herstellung |
| IT48201/80A IT1174283B (it) | 1979-11-02 | 1980-03-19 | Elemento sagomato di acciaio con rivestimento di carburo antiusura e procedimento per produrlo |
| FR8006245A FR2468658A1 (fr) | 1979-11-02 | 1980-03-20 | Piece profilee en acier comportant un revetement resistant a l'usure et son procede de fabrication |
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|
| DE2944301A1 true DE2944301A1 (de) | 1981-05-14 |
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| Country | Link |
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| DE (1) | DE2944301A1 (de) |
| FR (1) | FR2468658A1 (de) |
| IT (1) | IT1174283B (de) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0087836A1 (de) * | 1982-02-27 | 1983-09-07 | Philips Patentverwaltung GmbH | Kohlenstoff enthaltende Gleitschicht |
| DE3640430A1 (de) * | 1985-11-28 | 1987-06-04 | Toshiba Kawasaki Kk | Mit einem keramischen material beschichtetes werkstueck und verfahren zu seiner herstellung |
| US5300951A (en) * | 1985-11-28 | 1994-04-05 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Member coated with ceramic material and method of manufacturing the same |
Families Citing this family (3)
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| JPS59142057A (ja) * | 1983-02-02 | 1984-08-15 | Takashi Kobayashi | 組立式バレル |
| JPS6418161U (de) * | 1988-07-13 | 1989-01-30 | ||
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1979
- 1979-11-02 DE DE19792944301 patent/DE2944301A1/de not_active Withdrawn
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1980
- 1980-03-19 IT IT48201/80A patent/IT1174283B/it active
- 1980-03-20 FR FR8006245A patent/FR2468658A1/fr not_active Withdrawn
- 1980-04-16 JP JP5024280A patent/JPS5665976A/ja active Pending
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2468658A1 (fr) | 1981-05-08 |
| IT8048201A0 (it) | 1980-03-19 |
| JPS5665976A (en) | 1981-06-04 |
| IT1174283B (it) | 1987-07-01 |
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