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Hartmetallegierung
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Hartmetallegierung Die Erfindung betrifft eine Hartmetallegierung
auf Cr-Al-Ni-Basis.
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Cr-Al-Ni-Legierungen stellen bekannte Hartmetallegierungen für dekorative
Gegenstände, wie Uhren, dar.
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Die betreffenden Legierungen besitzen infolge einer Mischkristallbehandlung
(solid solution treatment) und einer Ausscheidungshärtung (age hardening treatment)
eine hohe Härte und ein besonders dekoratives Aussehen. Die betreffenden Legierungen
sind Jedoch noch verbesserungsbedürftig. Wenn nämlich dekorative Gegenstände, z.B.
Uhrenteile, aus solchen Legierungen gefertigt werden, erfährt die Legierung zunächst
eine Mischkristallbehandlung und wird dann nach erfolgter Formgebung einer Ausscheidungshärtung
unterworfen. Wenn Jedoch die Ausscheidungshärtung in Umgebungsatmosphäre durchgeführt
wird, kann die Oberfläche der Uhrenteile anlaufen, wobei es dann erheblich Schwierigkeiten
bereitet, die angelaufenen Stellen wieder zu beseitigen.
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Erfindungsgemäß läßt sich nun diese Erscheinung ohne Beeinträchtigung
des Hartmetallegierungen auf Cr-Al-Ni-Basis eigenen dekorativen Aussehens beseitigen.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Hart-
metallegierung
sichtbar homogener Struktur ohne darin dispergierte gröbere feste Chromteilchen
(die das dekorative Aussehen beeinträchtigen) bereitzustellen, die bei der Ausscheidungshärtung
nicht anläuft, , ein gutes dekoratives Aussehen besitzt und sich durch eine hohe
Härte und Korrosionsfestigkeit auszeichnet.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Hartmetallegierung auf Cr-Al-Ni-Basis,
die zu 18 - 48 Gew. -% aus Chrom, zu weniger als 30 Gew.-5S aus Eisen9 zu 2,5 -
4,5 Gew. -% aus Aluminium und zum Rest aus Nickel besteht, eine Struktur einer Vickers-Härte
von über 500 anfweist und keine dispergierten festen Chromteilchen einer Teil chengröße
von etwas mehr als 1 Rm enthält Die Erfindung wird durch die-Zeichnungen näher erläutert.
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Im einzelnen zeigen: Fig. 1 eine Mikrophotographie der inneren Metallstruktur
einer Hartmetallegierung gemäß 3eispiel 3 nach der Ausscheidungshärtung und Fig.
2 eine Mikrophotographie der inneren Metallstruktur einer Hartmetallegierung gemäß
Vergleichsbeispiel 4 nach der Ausscheidungshärtung.
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Eine Hartmetallegierung gemäß der Erfindung kann auch bis zu höchstens,
vorzugsweise weniger als 2,5 Gew. -% Titan enthalten.
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Wenn man das Verhältnis der Bestandteile Chrom, Eisen, Aluminium und
gegebenenfalls zuzusetzendem Titan in geeigneter Weise steuert, um ein von darin
dispergierten grobkörnigen festen Chromteilchen freies Gefüge zu gewährleisten,
erhält man eine korrosionsfeste Hartetall-
legierung homogener Struktur.
Bei dieser Hartmetallegierung kommt es beim Polieren nicht zur Bildung unebener
Oberflächen. Man erhält vielmehr Oberflächen hohen Glanzes, d.h. guten Aussehens
und hoher Härte, d.h. einer Vickers-Härte über 500, die bei Gebrauch nicht zerkratzt
werden. Da somit eine Hartmetallegierung gemäß der Erfindung ein gutes dekoratives
Aussehen, eine hohe Härte sowie eine ausgezeichnete Kratzbeständigkeit und Korrosionsfestigkeit
aufweist, eignet sie sich als Ausgangsmaterial zur Herstellung von äußeren Deck-
oder Schutzschichten von Uhren.
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Im folgenden werden die Erfordernisse für die gewichtsprozentualen
Bereiche der verschiedenen Bestandteile näher erläutert: 1. Chrom (Cr) Während der
Ausscheidungshärtung fällt Chrom eine a'-Schicht aus,die einen Beitrag zur Verbesserung
der Härte und Korrosionsfestigkeit liefert. Bei Chrom gehalten unter 18 Gew.-% kann
man keine angemessene Verbesserung der Härte und Korrosionsfestigkeit. erreichen.
Bei Chromgehalten über 48 Gew.-% leidet die Verarbeitbarkeit. Insbesondere im Bereich
von 30 -38 Gew.-% Chrom erhält man Hartmetallegierungen homogener Struktur.
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2. Eisen (Fe) Das Eisen dient dazu, ein mögliches Anlaufen (der Oberfläche)
nach der Ausscheidungshärtung zu verhindern und die Gestehungskosten der Hartmetallegierung
zu senken. Wenn der Eisengehalt 30 Gew.-% Ubersteigt, entsteht eine a-Phase, wodurch
die Hartmetallegierung spröde wird. Im Bereich von 10 - 20
Gew.
-% Eisen erhält man eine hervorragend verarbeitbare preisgünstige Hartmetallegierung9
die nicht anläuft.
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3. Aluminium (Al) Während der Ausscheidungshärtung fällt Aluminium
eine intermetallische Verbindung (Ni@Al) aus, die zur Verbesserung der Härte beiträgt
Bei Aluminium gehalten unter 2,5 Gew. -% bereitet es Schwierigkei ten, während der
Ausscheidungshärtung eine aus reichende Menge der intermetallischen Verbindung Ni3Al
auszufällen, so daß man auch keine Verbesserung der Härte erwarten kann. Bei Aluminiumgehalten
über 4,5 Gew. -% verschlechtert sich die Verarbeitbarkeit der Hartmetalegierung.
Insbesondere bei Aluminiumgehalten im Bereich von 3 - 4 Gew. -% erhält man Hartmetallegierungen
homogener Struktur und noch größerer Härte 4. Titan (Ti) Titan kompensiert die auf
das Zulegieren von Eisen zurückzuführende schlechte Verarbeitbarkeit und trägt,
ähnlich wie Aluminium, zur Verbesserung der Härte bei. Wenn der Titangehalt 2,5
Gew. -% über steigt, reagiert das Titan mit dem Aluminium-Bestandteil unter Bildung
von Al3Ti. Letztere inter metallische Verbindung verschlechtert die Verarbeitbarkeit.
Insbesondere beim Zulegieren von 0,1 - 1,0 Gew. Titan läßt sich jedoch die Verarbeitbarkeit
erheblich verbessern.
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5. Rickel (Ni) Die Anwesenheit von Nickel gestattet eine Verbesserung
der Korrosionsfestigkeit und Verarbeitbarkeit.
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Wie bereits ausgeführt. fällt Nickel zusammen mit Aluminium und Titan
als die Härte verbessernde intermetallische Verbindung aus.
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Wenn die gewichtsprozentualen Anteile der Legierungsbestandteile Chrom
(a), Eisen (b) und Aluminium (c) bzw. Titan (d) den folgenden Cleichungen 60 - 0,25b
> a + 4,5c > 48 - 0,06b bzw. (bei Titanzusatz) 60 - 0,25b > a + 4,5(c +
d) > 48 - 0,06b genügen, entstehen selbst bei höherer Vickers-Härte kaum (in
der Legierung) dispergierte feste Chromteilchen. Unter diesen Umständen ist es folglich
einfacher, eine Hartmetallegierung noch homogenerer Struktur bereitzustellen. Der
Crund dafür, warum für eine Hartmetallegierung gemäß der Erfindung eine Vi ckers
-Härte über 500 gefordert wird, besteht darin, daß in diesem Falle ein hoher Glanz
bei hoher Kratzfestigkeit erreicht wird.
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Erfindungsgemäß enthält die Struktur bzw. das Gefüge der Hartmetallegierung
keine visuell identifizierbaren dispergierten festen Chromteilchen einer Teilchengröße
von etwas huber 1 µm. Wenn feste Chromteilchen einer solchen Teilchengröße in dem
Legierungsgefüge bzw. in der Legierungsstruktur dispergiert wären, wäre das Gefüge
bzw. die Struktur inhomogen, wobei in einem gegebenen Oberflächenbereich deutlich
verschiedene Härtewerte zu beobachten sind. Dies führt dazu, daß die Oberfläche
beim Polieren uneben wird und dadurch der Glanz bzw. das dekorative Aussehen eine
Beeinträchtigung erfährt.
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Zur Verbesserung der Warmformgebungseigenschaften der Hartmetallegierung
gemäß der Erfindung können ihr bis zu 2,0 Gew. -% Mangan, bis zu 2,0 Gew.-% Silicium,
bis zu 0,2 Gew.-% Zirkonium oder Hafnium, bis zu 0,2 Gew.-% Bor, bis zu 0,2 Gew.
-% Kohlenstoff, bis zu 0,1 Gew. -Magnesium, bis zu 0,1 Gew. -% einer seltenen Erde,
wie Yttrium,und/oder bis zu 0,1 Gew. -% Calcium als Desoxidationsmittel zugesetzt
werden Zur Verbesserung der Hitzebeständigkeit und des dekorativen Aussehens, doh.
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der Farbtönung, können einer Hartmetallegierung gemäß der Erfindung
hochschmelzende Metalle, wie Molybdän, Wolfram, Tantal und Vanadium, in einigen
wenigen Gewichtsprozenten zulegiert werden.
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Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher veranschaulichen.
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B e i s p i e 1 e 1 bis 6 Unter Verwendung von sechs verschiedenen
Legierungen der aus der Tabelle eraichtlichen Zusammensetzung werden 10 mm dicke,
40 mm breite und 40 mm lange rechteckige Prüflinge hergestellt. Diese werden 2 h
lang in Umgebungsatmosphäre bei etwa 1200°C wärmebehandelt, dann mit Öl gekühlt
und schließlich einer Mischkristallbehandlung unterworfen. Danach werden die Prüflinge
5 h lang unter Umgebungsatmosphäre bei etwa 6500C wärmebehandelt, an der Luft gekühlt
und schließlich einer Ausscheidungshärtung unterworfen.
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Vergleichsbeispiele 1 bis 5 Entsprechend den Beispielen 1 bis 6 werden
unter Verwendung von fünf verschiedenen Legierungen der aus der Tabelle ersichtlichen
Zusammensetzung Prüflinge her-
gestellt. Diese werden einer Mischkristallbehandlung
und einer Ausscheidungshärtung unterworfen.
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Nach der Mischkristallbehandlung und Ausscheidungshärtung werden die
Prüflinge der Beispiele 1 bis 6 bzw.
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Vergleichsbeispiele 1 bis 5 auf ihre Vickers-Härte, die Anwesenheit
von darin dispergierten festen Chromteilchen einer Teilchengröße über 1 pm, ihren
Glanz nach dem Polieren durch Schwabbeln, ihre Korrosionsfestigkeit und die Stärke
einer etwaigen Anlaufschicht nach der Ausscheidungshärtung hin untersucht. Die Untersuchungsergebnisse
sind in der Tabelle zusammengestellt.
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Der Glanz der Prüflinge wird visuell unter Verwendung einer Spiegelfläche
als Standard bewertet.
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Hinsichtlich der Korrosionsfestigkeit werden die Prüflinge nach 72-stündigem
Eintauchen in eine 20%ige wäßrige Natriumchloridlösung als nicht angelaufen" (+++)
bzw.
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etwas angelaufen" (++) bewertet.
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Die Fig. 1 stellt eine durch ein Mikroskop bei 100facher Vergrößerung
aufgenommene Mikrophotographie der inneren Metall struktur des einer Ausscheidungshärtung
unterworfenen Prüflinge von Beispiel 3 dar. Die Fig. 2 stellt eine unter einem Mikroskop
bei 100facher Vergrößerung aufgenommene Mikrophotographie der inneren Metallstruktur
des der Ausscheidungshärtung unterworfenen Prüflings von Vergleichsbeispiel 4 dar.
In letzterer Figur werden mit 1" " dispergierte feste Chromteilchen bezeichnet.
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TABLLE
| Legierungsbestand- Gewichtsprozentuale Vickers- Vickers- dispar-
Glanz Korro- Dicke |
| teile in Gew. -% Verhältnisse der Le- Härte Härte gierte sions-
der An- |
| gierungsbestandteile nach der nach der Teilchen festig- lauf- |
| Cr Fe Al Ti Ni 60- a+4.5 48- Misch- Ausschei- keit schicht |
| 0.25b x(c+d) 0.06b kristall- dungs- in, um |
| a b c d behand- härtung |
| lung |
| 1 36,3 3,6 3,52 0,10 Rest 59,1 52,6 47,8 151 640 fehlen +++
+++ 30 |
| 2 30,0 10,1 3,50 0,55 " 57,5 48,2 47,4 163 628 " +++ +++ - |
| 3 35,3 12,5 3,98 0,07 " 56,9 53,5 47,3 150 645 " +++ +++ - |
| 4 32,0 17,5 4,09 0,59 " 55,6 53,0 47,0 165 670 " +++ +++ - |
| 5 29,5 26,0 3,60 0,58 " 53,5 48,3 46,4 160 632 " +++ +++ - |
| 6 32,0 18,0 4,00 0 " 55,5 50,0 46,9 155 607 " +++ +++ - |
| 1 38,0 0 3,81 0 " 60,0 55,1 48,0 153 630 " |
| 2 27,8 10,5 3,45 0,58 " 57,4 45,9 47,4 189 244 " |
| 3 39,2 12,0 4,08 0,21 " 57,0 58,5 47,3 221 610 vorhanden |
| 4 29,8 17,3 3,96 1,99 " 55,7 56,6 47,0 320 613 " |
| 5 29,5 19,0 3,60 0 " 55,3 45,7 46,9 152 289 fehlen |
Aus der Tabelle geht hervor, daß die Prüflinge der Beispiele 1
bis 6 mit den erforderlichen Mengenverhältnissen Cr, Fe, Al und gegebenenfalls Ti
keine dispergierten festen Chromteilchen einer Teilchengröße von etwas über 1 Wm
enthalten und eine Vickers-Härte von über 500 sowie eine hohen Glanz und eine hohe
Korrosionsfestigkeit aufweisen. Beim Prüfling des Beispiels 1 mit 3,6 Gew.-% Fe
entsteht bei Gebrauch in Umgebungsatmosphäre eine Anlaufschicht einer Stärke von
30 m.
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Bei den Prüflingen der Beispiele 2 bis 6 mit mehr als 10 Gew.- Fe
bildet sich nach der Ausscheidungshärtung in Umgebungsatmosphäre keine Anlaufschicht.
Somit zeigt eine Hartmetallegierung gemäß der Erfindung einen hohen Glanz bzw. ein
dekoratives Aussehen und eine hohe Korrosionsfestigkeit und kann in der Praxis als
Ausgangsmaterial für äußere Deckschichten oder Schutzschichten von beispielsweise
Uhren verwendet werden.