DE3046695A1 - Verfahren zur verbesserung der verschleissfestigkeit von titan und titanlegierungen - Google Patents

Description

DIPL.-ING. SCHWABE DR. DF SANDMAIR

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Anwaltsakte: 31 321
Case: Pats 24/12671/1o

UNITED KINGDOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY

11 Charles II Street London SW1Y 4QP/Großbritannien

Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Titan und Titanlegierungen

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- 5 Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit oder Abriebfestigkeit von Titan und
seinen Legierungen.

Titan und Titanlegierungen besitzen ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf die Leichtigkeit und die Fe-

stigkeit, unterliegen jedoch einer Haftreibungsabnutzung
und neigen zum Fressen. Bei Versuchen zur überwinung dieser Probleme wurden häufig Oberflächenüberzüge der unterschiedlichsten Art angewandt. Diese Überzüge bringen jedoch häufig zusätzliche Probleme mit sich, dadurch daß

sie spröde sein können oder eine schlechte Haftung an dem beschichteten Gegenstand zeigen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem es gelingt, die Verschleißfestigkeit bzw. die Abriebfestigkeit von Titan und Titanlegierungen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird nun durch das beanspruchte Verfahren
gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die dem
Verschleiß ausgesetzte Oberfläche eines Werkstücks aus

Titan oder einer Titanlegierung mit einer Schicht aus einem ausgewählten Metall versieht und dann die beschichte-

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te Oberfläche mit leichten Ionen bzw. Ionen einer leichten Art bombardiert, um eine Migration oder Wanderung des Metalls in das Werkstück zu bewirken.

Vorzugsweise verwendet man als Metalle zur Ausbildung der Schicht Zinn oder Aluminium. Man kann jedoch auch Eisen,
Kupfer, Nickel, Zink, Zirkonium oder Platin einsetzen.

Der hierin verwendete Ausdruck "leicht" bzw. "leichte
Ionen" steht für Ionen einer Masse, die zu gering ist, um ein Verspritzen des Materials (sputtering) auf der Oberfläche während des ImplantationsVorgangs hervorzurufen.
Die Ionen können inert oder Ionen eines metallurgisch aktiven Materials sein. Bevorzugte Ionen sind die Ionen N , B , C oder Ne . Die Wanderung des Zinns in das behandelte Werkstück wird dadurch erleichtert, daß man die Temperatur des Werkstücks auf mindestens 4oo°C und vorzugsweise auf etwa 6oo°C erhöht. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man entweder das Bombardieren mit den Ionen unter Anwendung einer solchen Leistung bewirkt, daß die Temperatur des Werkstücks auf den gewünschten Wert ansteigt, oder indem man das Werkstück unter Anwendung entsprechender Einrichtungen erhitzt.

Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert, die in schematischer

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Darstellung die ablaufenden Stufen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergibt.

Durch Elektronenstrahlverdampfen im Vakuum bringt man auf dem Bereich 2 der Oberfläche einer polierten Scheibe 3 aus einer Titanlegierung eine Zinnschicht 1 mit einer Dicke von etwa 4o nm (4oo S) auf. Diese Methode ist sehr gut aus der Halbleitertechnik bekannt, so daß sie nicht näher erläutert werden muß. Die eingesetzte Titanlegierung enthält 6 Gew.-% Aluminium und 4 Gew.-% Vanadium.

Dann unterwirft man die Scheibe 3 einer Bombardierung mit einem Strahl 4 aus molekularen Stickstoffionen mit einer Energie von 4oo keV. Die Stromdichte des Ionenstrahls 4

beträgt etwa. 3o μΑ/cm und das Bombardieren' wird fortge-

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setzt, bis eine Dosis von 4 χ 1o N_ -Ionen pro cm zugeführt worden ist. Während der Ionenbombardierung läßt man die Temperatur der Scheibe auf etwa 6oo°C ansteigen. Nach der Behandlung zeigt sich, daß die Zinnschicht 1 nicht länger auf der Oberfläche der Scheibe 3 vorliegt, sondern eine implantierte Schicht 5 gebildet hat. Die Analyse der Schicht 5 mit Hilfe der Rutherford'sehen Rückstreuungstechnik zeigt, daß das Zinn einige 1oo nm (einige 1ooo S) in das Titan eingedrungen ist, d. h. wesentlich weiter, als man erwarten würde, wenn die Implantation Iediglich eine Folge des durch die Ionenbombardierung verursachten Rückstoßes wäre.

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Dann ermittelt man die Verschleißeigenschaften der Scheibe mit Hilfe einer Standardmethode, gemäß-der eine belastete Spitze mit der Scheibe in Kontakt gebracht wird, während diese gedreht wird, so daß die Spitze sowohl in die behandelten als auch in die unbehandelten Bereiche der Scheibe eindringen kann. Als Spitze verwendet man einen unbehandelten Zylinder aus der Titanlegierung mit einem Durchmesser von 1 mm, der mit einer Belastung zwischen 5 und 2o N beaufschlagt wird. Die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Stift und der Scheibe beträgt 6,8 cm/s. Zum Zwecke des Kühlens und des Wegspülens von abgeriebenem Gut verwendet man Testbenzin (eine Mischung aus 61 Gew.-% Paraffinen,2o Gew.-% Naphthenen und 19 Gew.-% Aromaten).

Die unbehandelten Bereiche der Scheibe zeigen die Verschleißeigenschaften, die für die von Titan typisch sind, d. h. die Verschleißgeschwindigkeit ist hoch und nimmt mit der Zeit zu und wird von einem heftigen Fressen des Materials begleitet. Der volumetrische Verschleißparameter K während einer Testdauer von 1 Stunde und einer Belastung von 5 N beträgt 1 χ 1o , wobei K wie folgt definiert ist:

„ Entferntos Volumen
κ ⁼

Scheinbare Kontaktfläche χ Gleitabstand 25

Der behandelte Bereich der Scheibe zeigt bei den nachfolgend angegebenen Untersuchungen keinen meßbaren Verschleiß:

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1) Belastung 5 N bei einem Gleitabstand von 3,8 χ Io cm (17 h)

2) Belastung Io N bei einem Gleitabstand von 3,8 χ 1o cm (17 h)

3) Belastung 2o N bei einem Gleitabstand von 1,2 χ Io cm (5,8 h)

4 4) Belastung 3o N bei einem Gleitabstand von 4,ο χ 1o cm (2 h).

Die Untersuchungen erfolgten sämtlich mit dem gleichen Ende des gleichen Teststifts, wenngleich an unterschiedlichen Stellen der Scheibe. Obwohl die gesamte Testdauer nach dem dritten Test annähernd 4o Stunden betrug, zeigte die mikroskopische Untersuchung des Endes des Teststifts, daß die ursprünglichen Schleifstellen noch zu sehen waren bei gleichzeitig sehr kleinen überlagernden Abnützungsnarben, die in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Teststift und der Scheibe verlaufen.

Nach 2 Stunden bei einer Belastung von 3o N ergab sich eine Zerstörung der Schicht 5. Der sich ergebende Verschleißparameter ist der gleiche, wie man ihn üblicherweise für Titan auf Titan beobachtet.

Die Messungen während der Untersuchung 1) zeigten, daß der Verschleißparameter K stetig von weniger als 2 χ 1o ° auf etwa 7 χ 1o~ ° ansteigt, was letztlich einen Verbes-

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- 1ο -

serungsfaktor von etwa 1,4 χ 1ο gegenüber dem Wert von K in dem unbehandelten Bereich der Scheibe entspricht. Bei der Untersuchung 1) zeigte sich weiterhin, daß der Reibungskoeffizient des behandelten Bereichs der Scheibe Iediglich 47 % des Werts des unbehandelten Bereichs der Scheibe beträgt, und daß dieser Wert eine wesentlich geringere Änderung mit der Zeit zeigt als in dem unbehandelten Bereich der Scheibe. Bei sämtlichen Untersuchungen ergibt sich, daß die Reibungskräfte linear mit der BeIa- *« stung ansteigen.

Eine anschließende Untersuchung des behandelten Bereichs der Scheibe unter Anwendung der Mössbauer-Konversionselektronenmikroskoptechnik zeigt, daß sich in der Schicht 5 eine intermetallische Verbindung der allgemeinen Formel Ti_xSn gebildet hat.

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Claims (17)

1. Patentansprüche

   JT₁/ Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Titan und Titanlegierungen, dadurch g e k e η η zeichnet , daß man die dem Verschleiß ausgesetzte Oberfläche (2) eines Werkstücks (3) aus Titan oder einer Titanlegierung mit einer Schicht (1) aus einem ausgewählten Metall versieht und dann die beschichtete Oberfläche "Io mit leichten Ionen (4) bombardiert, um eine Migration des Metalls in das Werkstück zu bewirken.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man das Metall zur Bildung der Schicht (1) aus der Gruppe auswählt, die Aluminium, Kupfer, Eisen, Zinn, Nickel, Platin, Zink und Zirkonium umfaßt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß man die Schicht (1) aus Zinn oder Aluminium bildet.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß man als bombardierende Ionen (4) Ionen aus der Gruppe verwendet, die N⁺, B⁺, C⁺ und Ne⁺ umfaßt.

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5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß man als leichte Ionen (4) N -Ionen verwendet.
6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß man das Bombardieren mit den leichten Ionen (4) fortsetzt, bis eine

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   Dosis von etwa 1o Ionen pro cm in das Werkstück (3) implantiert worden ist.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß man die Temperatur des Werkstücks (3) während des Bombardierens mit den leichten Ionen (4) auf mindestens 4oo°C steigert.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß man die Temperatur des Werkstücks (3) auf 6oo°C erhöht.
9. 9. Verfahren nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß man das Bombardieren mit den leichten Ionen (4) mit einer solchen Leistung bewirkt, daß die Temperatur des Werkstücks (3) auf einen Wert innerhalb des angegebenen Bereichs ansteigt.
10. 1o.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß man das Werkstück (3) mit einem
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13. - ir-
14. .3.
15. Strahl von Ionen (4) mit einer Energie von 4oo keV und
16. 2 einer Stromdichte von 3o μΑ/cm bombardiert.
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