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BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf chemisch-thermasche Behandlung
von Metallen und Legierungen, die im Maschinenbau und der Metallbearbeitung zum
Zwecke einer Erhöhung der Lebensdauer metallischer Erzeugnisse angewandt wird, insbesondere
auf ein Verfahren zum Aufbringen verschleißfester Überzüge aus Titankarbid oder
Titankarbonitrid auf Erzeugnisse aus gesinterten Hartlegierungen.
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Die Erfindung kann durch Betriebe und Firmen ausgenutzt werden, die
Erzeugnisse aus Hartlegierungen produzieren, sowie durch Maschinenbaubetriebe, die
Hartlegierungen als Werkzeuge zur Bearbeitung von Metallen und Legierungen verwenden.
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Bekannt sind Verfahren zum Aufbringen von Überzügen als Titankarbid
(SW-PS Nr.332328 48b 11/00, 1970) und Titankarbid oder Titankarbonitrid (OE-PS Nr.312952
40b 12/0i, 1974). Sie beruhen auf der Abscheidung der genannten Verbindungen aus
einem Titantetrachlorid, Wasserstoff, Methan oder ein Gemisch von Methan mit Stickstoff
enthaltenden Gasmedium bei einer Temperatur von 900 bis 11000C unter kontinuierlichem
Durch leiten des genannten Gasgemisches durch eine erhitzte Muffe mit den Erzeugnissen.
Für die Durchführung eines einzigen Prozesses werden bei diesen Verfahren etwa vier
Liter Tibantetrachlorid, 800 bis 1000 Liter Methan oder Stickstoff, über zehn Kubikmeter
des gereinigten und getrockneten Wasserstoffes verbraucht. Die Verfahren erfordern
eine sorgfältige Reinigung und Trocknung des Wasserstoffes und der anderen Gase
sowie Anwendung sperriger Anlagen für Neutralisation der
Reaktionsprodukte
(gegen 3 kg Titanohloride und Salzsäure in einem einzigen Prozeß). Die genannten
Verfahren können nur auf speziellen Ausrüstungen durchgeführt werden, die speziell
für diese Zwecke entwickelt und gebaut werden, was bedeutende Inverstitionen erfordert,
und sind ausschließlich für tantalhaltige Hartlegierungen bestimmt, die viel teuerer
sind als Legierungen, die kein Tantal enthalten.
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Die bekannten Verfahren können die Herstellung von Uberzügen aus
Titankarbid oder Titankarbonitrid mit maximaler Stöchiometrie und ohne Beimengungen
von Sauerstoff und Wasserstoff und folglich auch ein Maximum der Betriebseigenschaften
von Erzeugnissen mit diesen Oberzügen nicht gewährleisten.
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Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrundegelegt, durch nacheinander
durchzuführende kontrollierbare Operationen ein Verfahren zur Herstellung von Überzügen
aus Titankarbid oder Titankarbonitrid auf Erzeugnissen aus gesinterten Hartlegierungen
zu entwickeln, welches eine maximale Erhöhung der Betr iebse igenschaften der Erzeugnisse
gewährleistet sowie die Anwendung von explosionsgefährdetem Wasserstoff, Systemen
zu seiner Reinigung und Trocknung und von Anlagen zur Neutralisation von Abfallprodukten
vermeidet.
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Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß man in dem erfundungsgemäßen
Verfahren zum Aufbringen verschleißfester Überzüge aus Titankarbid oder Titankarbonitrid
auf Erzeugnisse aus gesinterten Hartlegierungen, das auf der Verwendung von Titanchloriden,
einem kohlenstoffhaltigen Gas und einem stickstoffhaltigen Gas beruht, erfindungsgemäß
die genannten Erzeugnisse in einem geschlossenen Raum bei einem Druck von von 1.10
5 bis 1,0 Torr und einer Temperatur von 1100 bis
1250°C behandelt,
wobei man die Erzeugnisse zunächst mit dem kohlenstoffhaltigen Gas, dann mit den
Titanchloriden, die man durch Behandlung des zusammen mit den Erzeugnissen in den
genannten geschlossenen Raum eingebrachten Titanreagens mit Tetrachlorkohlenstoff
erhält, und danach die hrzeugnisse mit dem kohlenstoff- oder stickstoffhaltigen
Gas behandelt.
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Durch die Ermöglichung einer Regelung des KohlenEtoffgehaltes in
dem Erzeugnis vor dem Aufbringen des Uberzuges und in dem Uberzug selber und das
Fehlen des Wasserstoffes und des Titantetrachlorids, die Beimengungen von Sauerstoff
und Feuchtigkeit enthalten, gestattet das erfindungsgemäße Verfahren verschleißfeste
Überzüge aus Titankarbid oder Eitankarbonitrid mit einer nahe Eins liegenden Stöchiometrie
und minimalem Sauerstoffgehalt zu erhalten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung verschleißfester Überzüge
aus Titankarbid oder Titankarbonitrid wird wie folgt -durchgeführt.
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In einen Vakuuminduktionsofen bringt man die zu behandelnden Erzeugnisse,
beispielsweise vielflächige Wegwerfschneidplatten, und das Titanreagens, beispielsweise
Titanspan oder Titanpulver, ein. Im kalten Zustand vakuumiert man den Ofenraum auf
einen Druck von l.l02 bis 1. 10-5 5 Torr, damit ein minimaler Restgehalt an Sauerstoff
gewährleistet wird. Dann stellt man die Heizung ein und bringt bei ständig arbeitenden
Pumpen die Temperatur auf 1100 bis 1250°C in Abhängigkeit von der Zusammensetzung
der Haltlegierung. Niedrigere Temperaturen machen den Prozeß weniger leistungsfähig,
während.
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höhere Temperaturen infolge des Schmelzens der Kobaltphase
der
Hartlegierung unzulässig sind. Nach dem Erreichen der in dem genannten Bereich gewählten
Temperatur führt man dem Ofen ein kohlenstoffhaltiges Gas, beispielsweise methan,
Propan, Butan, zu und führt das Aufkohlen der Erzeugnisse durch. Die Haltezeit beim
Aufkohlen wählt man in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Hartlegierung und
der Temperatur. Nach der Beendigung des Aufkohlungsvorganges vakuumiert man den
Ofenraum wieder auf einen Druck von 1.10-2 bis 1.10 5 Torr und führt dem Ofen Tetrachlorkohlenstoff
zu. Bei der gewählten Temperatur des Prozesses dissoziert dieser unter Bildung von
atomarem Chlor.
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Das gebildete Chlor setzt sich mit dem Titanreagens nach folgenden
Reaktionen um: Ti + C12
TiCl2 2Ti + 3C12
2 TiCl3 Ti + 2C12
TiCl4.
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Die niederen Titanchloride setzen sich mit dem in der Eobaltphase
der Hartlegierung gelösten Kohlenstoff um und bilden einen Überzug aus Titankarbid
nach den folgenden Reaktionen: 3 TiCl2 + C
TiC + 2TiCl3 4 TiC13 + C
TiC + 3TiCl4 Das höhere Titanchlorid TiCl4 setzt sich mit dem Titanreagens um, wodurch
sich wieder niedere ,Chloride bilden und der Prozeß in einem geschloseenen Zyklus
abläuft. Dabei steigt der Druck auf 0,5 bis 1,0 Torr. Die Dicke des gebildeten Überzuges
aus Titankarbid wird durch die Haltezeit geregelt, die von der gewählten Temperatur
abhängt.
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Nach der Erzeugung auf den Erzeugnissen eines Überzuges gewählter
Dicke führt man dem Ofen ein kohlenstoff- oder stickstoffhaltiges Gas, beispielsweise
Methan, Propan, Butan, Stickstoff, Ammoniak zu und hält bei der Temperatur des Prozesses
eine bestimmte Zeit zur Erhöhung der Stöchiometrie des Titankarbids oder zum Überführen
desselben in Karbonitrid.
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Nach dem Halten stellt man die Heizung ab, kühlt die Erzeugnisse zusammen
mit dem Ofen ab und nimmt sie aus dem Ofen heraus.
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Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufbringen verschleißfester
Überzüge verwendete Ofen kann gleichzeitig auch als Ofen zur Sinterung von Erzeugnissen
oder für andere Zwecke, für die dieser bestimmt ist, eingesetzt werden.
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Das entwickelte Verfahren bewirkt eine 2,5 bis sprache Erhöhung der
Standzeit der Schneidplatten aus Hartlegierungen mit mechaaischer Befestigung, erfordert
keine speziellen Ausrastungen, keine großen Investitionen für seine Realisierung,
keine Anwendung von explosionsgefährdetem Wasserstoff, Systemen für dessen Reinigung
und Trocknung sowie von Systemen zur Neutralisation der Abfallprodukte. Das Verfahren
kann zum Aufbringen von Überzügen auf beliebige Marken der Hartlegierungen angewandt
werden, welche ein Bindemittel enthalten, das Kohlenstoff aufzulösen vermag.
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Zum besseren Verstehen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend
konkrete Beispiele für ihre Durchführung angeführt.
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Beispiel 1. Man brinbt einen Uberzug aus Titankarbid auf vielflächige
Wegwerfschneidplatten aus einer gesinterten
Hartlegierung, welche
zu 14 Gewichtsprozent aus TiC, zu 8 Gewichtsprozent aus Co und zu 78 Gewichtsprozent
aus WC besteht, auf.
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In einen Vakuuminduktionsofen bringt man die genannten Erzeugnisee
und Titanpulver ein. Man vakuumiert den Ofenraum auf einen Druck von 1.10 Torr und
stellt die Heizung ein.
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Im Prozeß der Erhitzung arbeiten ununterbrochen die Pumpen zur Erzeugung
des Vakuums. Beim Erreichen einer Temperatur von 1120 bis 11500C stellt man die
Pumpen ab, führt dem Ofen Methan zu und hält innerhalb von zwei Stunden.
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Nach Beendigung der Operation des Aufkohlens der Oberfläche der Platten
erzeugt man im Ofen ein Vakuum von 6.10-3 Torr' stellt die Pumpen ab und führt dem
Ofen Tetrachlorkohlenstoff zu. Im Verlaufe von zwei Stunden bildet sich bei einem
Druck von 6.10-3 bis 5.10-1 Torr an der Oberfläche der Platten ein Überzug aus Titankarbid
von 7 bis 10 Jum Dicke.
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Dann führt man dem Ofen Methan zu. In zwei Stunden wird der Überzug
aus Titankarbid zusätzlich aufgekohlt und die Zusammensetzung des Titankarbids kommt
der stöchiometrischen nahe.
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Nach Beendigung der Operation der Aufkohlung des Überzuges stellt
man die Heizung ab und kühlt den Ofen ab. Man erhält einen Überzug aus Titankarbid
von 7 bis 10 µm Dicke. Stochiometrie TiC0.97.
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Die schnittzeit bei Stahl mit einer Brinnelhärte von 212 kp/mm2 bei
einer Schittgeschwindigkeit von 140 m/min, einer Schnittiefe von 1 mm, einem Vorschub
von 0,2 mm/U betrug für Platten ohne Überzug 11,4 min bei einem Verschleiß der Freifläche
von 0,8 mm, für Platten mit dem erfindungsgemäß erhaltenen Überzug 31,9 min bei
einem Verschleiß der
Freifläche von 0,45 mm. Die Standgröße beträgt
über 2,7 bei bedeutend geringerem Verschleiß.
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Beispiel 2. Man bringt einen Überzug aus Titankarbonitrid auf vielflächige
Wegwerfschneidplatten aus einer gesinterten Hartlegierung, welche zu 10 Gewichtsprozent
aus (TiC + TaC), zu 8 Gewichtsprozent aus Co und zu 72 Gewichtsprozent WC besteht,
auf. Der Prozeß wird analog zu Beispiel 1 durchgeführt. Man vakuumiert den Ofenraum
auf einen Druck von 1.10 5 Torr. Die Aufkohlung der Platten wird im Medium von Propan
bei einer Temperatur von 1140 bis 11600C innerhalb einer Stunde durchgeführt.
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Die Behandlung der Platten mit Titanohloriden wird innerhalb von
drei Stunden durchgeführt. Während dieser Zeit bildet sich an der Oberfläche der
Platten ein Uberzug aus Titankarbid von 10 bis 12 jun Dicke. Dann führt man dem
Ofen Stickstoff zu und halt drei Stunden. In dieser Zeit bildet sich an, der Oberfläche
der Platten ein Überzug aus Titankarbonitrid von 10 bis 12j:im Dicke der Zusammensetzung
TiCN.
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Die Platten mit dem erhaltenen Überzug wurden analog zu Beispiel
1 geprüft. Die Standgröße beträgt 2,8 bei einem Verschleiß von 0,25 mm.
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Beispiel 3. Man bringt einen Überzug aus Titankarbonitrid auf vielflächige
Wegwefschneidplatten aus einer gesinterten Hartlegierung, die zu 92 Gewichtsprozent
aus WO und zu 8 Gewichtsprozent aus Co besteht, auf.
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Der Prozeß wird analog zu Beispiel 1 durchgeführt. Man vakumiert
den Ofenraum auf einen Druck von 1.10 3 Torr. Die Aufkohlung der Platten wird im
Medium von Methan bei einer
Temperatur von 1200 bis 1250 0C innerhalb
einer Stunde durchgeführt. Die Behandlung der Platten mit den Titanohloriden wird
bei einem Druck von 1.10 3 bis 1,0 Torr innerhalb von drei Stunden durchgeführt.
In dieser Zeit bildet sich an der Oberfläche der Platten ein Ueberzug aus Titankarbid
von 5 bis 7 Dicke. Dann führt man dem Ofen Ammoniak zu und hält drei Stunden. In
dieser Zeit bildet sich an der Oberfläche der Platten ein Überzug aus Titankarbonitrid
von 5 bis 7 µm Dikke der Zusammensetzung TiCN.
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Die Platten mit dem erhaltenen Uberzug weisen bei spanender Bearbeitung
von Roheisen eine StandgröZe von 2,5 bei einem Verschleiß von 0,5 mm auf.