DE3321231C2 - Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten auf Oberflächen von Bauteilen aus Titan oder Titanbasislegierungen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten auf Oberflächen von Bauteilen aus Titan oder Titanbasislegierungen durch Bildung einer Diffusionszone aus intermetallischen Ti-Ni-Phasen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten auf Oberflächen von Bauteilen aus Titan oder Titanbasislegierungen durch Aufbringen einer auf der Bauteiloberfläche haftenden Nickelschicht und anschließende Wärmebehandlung.

Aufgrund der relativ geringen Verschleißbeständigkeit von Titanwerkstoffen ist es seit geraumer Zeit bekannt, diese mit Oberflächenschutzschichten zu versehen. Es sind chemische und elektrochemische Verfahren zur Beschichtung von Titanwerkstoffen bekanntgeworden. So ist es z. B. aus der Druckschrift MTU-Berichte 83/37 der MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH durch einen Aufsatz von M. Thoma mit dem Titel »Oberflächentechnik von Titan« bekannt, Beschichtungswerkstoffe aus galvanischen Bädern auf der Oberfläche von Titanwerkstoffen abzuscheiden. Es hat sich gezeigt, daß mit diesen Verfahren im allgemeinen haftfeste Schutzschichten erzielt werden können, daß aber bei erhöhter mechanischer oder thermischer Beanspruchung der so beschichteten Bauteile noch größere Haftfestigkeit der Verschleißschutzschichten wünschenswert wäre.

In der Zeitschrift »12th Annual Airlines Plating Forum« 1976, Seite 5. wird ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Nickelbeschichtung auf einem Titanbauteil •aufgebracht wird und deren Haftfestigkeit durch eine Wärmebehandlung erhöht wird. In dem auf den Seiten 8 und 9 dieser Druckschrift dargestellten Verfahrensablauf ist beschrieben, daß Ti-Teile einer mechanischen Reinigung, einer HF— HNO3-Ätzung, einer Aktivierung in HF-CH₃COOH₁ einer elektrolytischen Beschichtung mit 20—30 μπι Ni und einer Wärmebehandlung an Luft bei 492°C Unterworfen werden. Abgesehen davon, daß Nickel als Verschleißschutzschicht weniger geeignet ist, zeigt sich, daß die Haftfestigkeit unter manchen Betriebsbedingungen noch nich ausreichend ist und die Nickelschicht sich ganz oder teilweise löst

Aus der japanischen Patentanmeldung JP 58-91 165 ist ein Verfahien der eingangs genannten Gattung bekannt, bei dem durch die Wärmebehandlung eine Nikkeldiffusionsschicht erzeugt wird und eine an der Oberfläche zurückgebliebene Nickelschicht beseitigt wird.

Bei der dort offenbarten Beschichtung wird jedoch aufgrund eines hohen Temperaturniveaus und einer langen Dauer der Wärmebehandlung nur eine Diffusionsschicht erzeugt, die relativ große Dicke aufweist Für extrem beanspruchte Bauteile, wie z. B. Triebwerksbauteile, ist die nach dem vorbekannten Verfahren erzielbare Härte unter Umständen nicht ausreichend, und es besteht darüber hinaus die Gefahr, daß der Übergang zwischen dem Titangrundwerkstoff und der e'i.ien Diffusionsschicht zu abrupt erfolgt, was die Gefahr einer Ab₁ lösung der Diffusionsschicht in sich birgt Schließlich ist aufgrund des hohen Temperatumiveaus-. bei dem dort die Wärmebehandlung erfolgt, eine Gefährdung der Bauteile durch Wärmeverzug gegeben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Verschleißschutzschicht erzeugbar ist, die besonders hohe Widerstandsfähigkeit gegen Reibung und Erosion aufweist und die auch ter extremen Betriebsbedingungen ihre innige Verbindung mit dem Titanwerkstoff beibehält

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das beschichtete Bauteil in Luft oder im Vakuum einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 400—600° C unterzogen wird, so daß sich zwischen dem Titangrundwerkstoff einerseits und der Nickelschicht andererseits zwei definierte Diffusionsschichten aus T12N1 und T1N13 ausbilden und danach die noch vorhandene Nickelschicht iintfernt wird.

Durch die Ausbildung zweier definierter Diffusionsschichten, von denen die obere extrem hohe Härte aufweist (bis zu 1000 HV), während die Zwischenschicht aus ΤΪ2ΝΪ eine niedrigere Härte, dafür jedoch entsprechend höhere Duktilität aufweist, wird erreicht, daß ein vollkommen homogener übergang vom Titangrundwerkstoff zu der extrem harten Außenschicht besteht und dadurch die gewünschte hohe Widerstandsfähigkeit sowohl gegen Reibung als auch gegen Erosion gewährleistet ist.

Darüber hinaus werden beim erfindungsgemäßen Verfahren die Bauteile aufgrund der relativ niedrigen Diffusionstemperatur vor übergroßen Wärmespannungen und damit vor der Gefahr des Verzugs bewahrt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht schließlich darin, daß sich die Diffusionsschichten sehr einheitlich über die gesamte Oberfläche des Titanbauteils ausbilden, und zwar sowohl bezüglich der Dikkenverteilung als auch bezüglich der Zusammensetzung. Insoweit ist das erfindungsgemäße Verfahren für Serienproduktion geeignet, da in hohem Maß Reproduzierbarkeit gegeben ist.

Sollen Bauteile mit Verschleißschutzschichten versehen werden, die rotierend lind/oder schwingend belastet sind, so soll gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung zusätzlich zur Nickelrestschicht auch die TiNi3-Schicht abgetragen werden, so daß als Deckschicht die TiiNi-Schicht verbleibt. Auch die Härte dieser Schicht ist noch beachtlich und beträgt etwa 600 HV; sie ist jedoch in höherem Maß duktii als die TiNia-Schicht.
Eine chemische Abscheidung der Nickelschicht er-

folgt vorzugsweise durch Reaktion der Titanoberfläche mit einem Bad aus Nickelsalz, einem Komplexbildner und einem chemisch reduktiven Mittel, wie HypcphosphiL

Bei einer Wärmebehandlung von 600° C und 8 Stunden Dauer bilden sich beide Diffusionszonen TiNi₃ und ΤΪ2ΝΪ in einer Schichtdicke von je ca. 4 μπι aus. Die Schichtenfolge von außen nach innen ist dabei: Nickel, TiNi₃, Ti₂Ni, Titan bzw. Titanwerkstoff. Die Härte der so erzeugten Diffusionsschichten unterscheidet sich sehr wesentlich von den Ausgangswerkstoffen Nicke! einerseits und Titan andererseits, was sich aus folgender Härtetabelle ergibt:

Nickel 140 HV

TiNi₃ 1000 HV

Ti₂Ni 600 HV

TiAI6V4 240 HV

Vorteilhaft ist es, *;enn das Entfernen der Nickeldeckschicht oder der Nickeldeckschicht und der Ti-Ni₃-Schicht chemisch durch Einwirkung von HNO₃ oder durch eine Nitroaromatlösung (cyanidisch) bei Temperaturen zwischen 10 und 6O⁰C erfolgt Dabei liegen die Abziehzeiten je nach der Restschichtdicke des Nickels der Konzentration des Abziehbades und der Badtemperatur zwischen 15 Minuten und 2 Stunden.

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten auf Oberflächen von Bauteilen aus Titan oder Titanbasislegierungen, durch Aufbringen einer auf der Bauteiloberfläche haftenden Nickelschicht und anschließende Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, daß das beschichtete Bauteil in Luft oder im Vakuum einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 400—600⁰C unterzogen wird, so daß sich zwischen dem Titangrundwerkstoff einerseits und der Nickelschicht andererseits zwei definierte Diffusionsschichten aus T12N1 und ΤΪΝΪ3 ausbilden und danach die noch vorhandene Nickelschicht entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelschicht chemisch durch Reaktion der Titanoberfläche mit einem Bad aus Ni-SaIz, einem Komplexbildner und einem Reduktionsmitte! wie Hypophosphit abgeschieden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Nickelschicht die Ti-Ni3-Schicht entfernt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickeldeckschicht oder die Nickeldeckschicht und die TiNi3-Schicht chemisch durch Einwirkung von HNO3 oder einer cyanidischen Nitroaromatlösung bei Temperaturen zwischen 10 und 60° C entfernt wird.