DE3326863A1 - Salzbad zur stromlosen erzeugung verschleissfester boridschichten - Google Patents
Salzbad zur stromlosen erzeugung verschleissfester boridschichtenInfo
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Description
-3- 83 179 DF
Degussa Aktiengesellschaft
6000 Frankfurt am Main, Weissfrauenstraße 9
Salzbad zur stromlosen Erzeugung verschleißfester Boridschichten
^ Die Erfindung betrifft ein Salzbad auf der Basis von
Alkali- und/oder Erdalkalihalogeniden zur stromlosen Erzeugung verschleißfester Boridschichten auf metallischen
Werkstoffen bei 650 bis 1100° C. Es dient insbesondere zur Erzeugung einphasiger, harter und haft-
fester Boridschichten auf Stählen zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit
und zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit .
Das Borieren zum Verschleißschutz von Stahl und Refraktärmetallen ist ein schon lange bekanntes Verfahren.
Das Borieren zum Verschleißschutz von Stahl und Refraktärmetallen ist ein schon lange bekanntes Verfahren.
Durch Eindiffusion des Elementes Bor in die Oberfläche des behandelten Werkstückes und Reaktion mit dem
Grundwerkstoff entstehen dichte, gleichmäßige Schichten des jeweiligen Borides, auf Eisen z.B. die Boride FeB
Fe0B. Die Boride besitzen gegenüber den reinen Metallen
erheblich veränderte Eigenschaften, insbesondere sind
die meisten Boride sehr hart, korrosionsbeständig und damit überaus verschleißfest. Durch Diffusion sind
die Boridschichten mit dem Grundwerkstoff fest verbunden. Hinsichtlich ihrer Verschleißfestigkeit sind
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z.B. borierte Stähle zum Teil den durch Nitrieren oder
Aufkohlen behandelten Stählen überlegen. Es wurden deshalb in der Vergangenheit eine Vielzahl
technischer Verfahrensvarianten entwickelt, nach denen
man Boridschichten, insbesondere auf Stahl, herstellen 35
kann.
Q Q O C O '-· '"">
O O Z υ υ ύ J
-4-
In der Praxis wird fast ausschließlich das Borieren in festen Boriermitteln angewendet. Dabei werden die
zu behandelnden Teile in eisernen Kästen in ein borabgebendes Pulver, meist Mischungen aus Borcarbid,
Aluminiumoxid, Siliziumoxid und dgl., mit aktivierenden Zusätzen, wie Ammoniumfluorid oder Kaiiumborfluorid,
eingepackt (z.B. DE-PS 1.796.216). Die Kästen werden dicht verschlossen und eine zeitlang geglüht, wobei
in direkten Festkörper-Feststoff-Reaktionen oder
durch Transport des Bors über die Gasphase die erwünschten Boridschichten gebildet werden.
Diese Pulververfahren besitzen eine Reihe von Nachteilen.
!5 so müssen alle Teile von Hand einzeln sorgfältig in
das Pulver eingesetzt werden. Weiterhin sintern die Pulver beim Glühen stark zusammen, so daß die borierten
Teile sehr schlecht herauszunehmen sind und zusätzlich nachgereinigt werden müssen. Gleichzeitig werden große
2^ Mengen an Borierpulver benötigt, was den Prozeß
außerordentlich verteuert. Schließlich muß man beim Borieren in Pulvern mit ungleichmäßigen Schichten
rechnen. Eine Qualitätskontrolle ist durch Begutachtung eines einzelnen Teils nicht möglich, da dieses nicht
repräsentativ für die Charge ist, denn die Qualität der Teile hängt im wesentlichen von der Sorgfalt beim Einlegen
in das Borierpulver ab. Kleine Teile, Teile mit dünnen Bohrungen, Hinterschneidungen usw. lassen sich
im Pulver überhaupt nicht oder nur mit extremem Aufwand borieren.
Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, diese Nachteile durch andere Verfahren auszugleichen. So wurde
versucht, das Borierpulver in Form einer Aufschlämmung oder Paste auf die Teile zu bringen, das Lösungsmittel
zu verdampfen und die Teile in der so entstehenden
3326833
_5 —
Kruste aus borierenden Rückständen zu glühen (z.B. H.Kunst, O.Schaaber, Härtereitechn. Mitt. _22 (1967),
275-284).
Diese als Pastenverfahren bekannten Methoden sind aber nur Modifikationen des Pulverborierens und weisen den
zusätzlichen Nachteil auf, daß nach der Behandlung große Mengen hartnäckiger Rückstände von ilen Teilen auflöst
werden müssen und daß ein gleichmäßiges Aufbringen der Paste besonders bei kompliziert geformten
Teilen überaus schwierig ist.
Ebenso schwierig ist es, Blasenbildung beim Pastenauftrag oder Abbröckeln der Kruste beim Glühen zu vermeiden.
15
15
Es wurde daher auch versucht, in gasförmigen Medien zu borieren, beispielsweise mit Borhalogenid/Wasserstoffgemischen
(EP-OS 76488). Man erhält so zwar
Boridschichten, diese sind aber technisch unbrauchbar
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oder nur auf sehr aufwendige Weise herstellbar. Beim Borieren mit Borhalogeniden tritt immer eine unkontrollierbare
Korrosion des Grundwerkstoffs auf, da.dieser mit dem Borhalogenid unter Bildung von Metal !halogenid und Borid
reagiert. Dadurch entstehen löchrige, unterfressene Boride
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schichten. Das Borieren mit Diboran ist technisch wegen der extremen Explosibilität und hohen Giftigkeit dieses
Gases nahezu unmöglich. Daneben ist ein Borieren mit den genannten gasförmigen Medien wegen der hohen
on Preise der Borverbindungen auch unwirtschaftlich.
Aus diesen Gründen hat man versucht, durch Borieren in flüssigen Medien, besonders in geschmolzenen Salzen,
die angeführten Nachteile zu vermeiden. So wurden Schmelzen auf der Basis von Alkali- und Erdalkalichlo-
riden mit B2°3' Borax oder KBF4 beschrieben. In solchen
Schmelzen kann ein Werkstoff jedoch nur dann boriert
O ο ο Γ η Γ- ')
J O Z Ü O O -6-
werden, wenn gleichzeitig eine Elektrolyse durchgeführt wird. Dabei werden die zu borierenden Werkstücke
kathodisch geschaltet, der Tiegel oder ein Graphitstab dient als Anode. Diese Verfahren weisen
den Nachteil auf, daß unterschiedliche Stromdichten an komplizierten Teilen ungleichmäßige Schichtdicken
erzeugen. Außerdem entsteht Sauerstoff, Chlor oder Fluor an der Anode, wodurch starke Korrosion hervorgerufen
wird. Weiterhin ist die Chargierung schwierig, da eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Teile
erforderlich ist. Aus diesen Gründen haben sich elektrolytische Borierverfahren in Salzschmelzen in
der Technik nicht einführen lassen.
Demgegenüber ist über das Borieren in Salzschmelzen ohne Elektrolyse nur sehr wenig bekannt. In den Härtereitechn.
Mitt. 17 (1962) 131-140 wird eine Schmelze aus 80 % NaCL, 15 % NaBF4 und 5 % B4C beschrieben,
wobei aber gleichzeitig darauf hingewiesen wird, daß
das in der Schmelze gelöste NaBF4 sehr rasch zu NaF
und BF., zerfällt, welches entweicht. Durch diese Instabilität der Schmelze läßt sich keine zeitlich
konstante Borierwirkung erhalten, die Schmelze wird sehr rasch inaktiv. Die DE-OS 3118585 gibt ein Verfahren
zum Borieren in Salzschmelzen ohne Elektrolyse an, bei dem das zur Borierung erforderliche Bor
durch Umsetzung von Borax mit Siliziumcarbid freigesetzt wird. Wegen der Oxidation von SiC zu SiO-
durch Luftsauerstoff bzw. durch Aufschluß von SiC mit
30
Borat bildet sich in solchen Schmelzen aber sehr bald eine undurchdringliche Silikatdecke an der Badoberfläche
aus.
Weiterhin sind stromlose Boriersalzbäder bekannt, die
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neben Borcarbid Borsäure und Fluoborate enthalten (GB-PS 959533) bzw. ein Alkali oder Erdalkalihalogenid
3326833
und Fluoborate (US-PS 3634145). Doch auch diese Salzbäder haben sich in der Praxis nicht durchsetzen
können.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Salzbad auf der Basis von Alkali- und/oder Erdalkalihalogeniden
zur stromlosen Erzeugung verschleißfester Boridschichten auf metallischen Werkstoffen
bei Temperaturen von 650 bis 1100° C zu entwickeln, 2Q das einfach und preisgünstig zu betreiben ist, keine
Krusten auf der Badoberfläche bildet und haftfeste Boridschichten liefert, die insbesondere bei Stählen
aus einphasigen Fe2B-schichten bestehen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Salzbad Bormonofluorid oder Verbindungen
enthält, aus denen unter Badbedingungen Bormonofluorid intermediär entsteht.
Das als Boriermittel wirkende Bormonofluorid kann der
Schmelze von außen zugesetzt oder vorteilhafterweise in der Schmelze selbst erzeugt werden. Im ersteren
Fall leitet man das auf bekannte Weise durch Erhitzen von Bortrifluorid mit feinverteiltem Bor hergestellte
gasförmige Bormonofluorid während des Borierungsprozesses in die Salzschmelze ein.
Besonders einfach zu betreibende stromlose Borierungsbäder erhält man, wenn das Bormonofluorid in der
Salzschmelze selbst erzeugt wird. Überraschend wurde gefunden, daß man in einer inerten, gut wasserlöslichen
und geringviskosen Schmelze aus Alkali- und Erdalkalichloriden borieren kann, wenn darin suspendiertes
Boriermittel, wie zum Beispiel Borcarbid-Pulver durch Trifluorboroxol aktiviert und zur Abgabe
von Bormonofluorid veranlaßt wird, welches seinerseits an der Bauteiloberfläche zerfällt und auf diese Weise
3 3 z b u j J
das Bor vom Borcarbid auf das Werkstück überträgt.
Das erforderliche Trif luorboroxol (BOF)., wird ebenfalls
in der Schmelze selbst erzeugt. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man (BOF)-, durch Umsetzung
von Boroxid oder Boraten mit Alkali-/Erdalkalifluoriden sehr gut in einer inerten Schmelze aus Alkali-/
Erdalkalichloriden erzeugen kann, wobei besonders die Anwesenheit von Bariumionen positiven Einfluß
ausübt. Das auf diese Weise in sehr langsamer Reaktion und in kaum meßbarer Konzentration entstehende
Trifluorboroxol setzt sich mit dem in der Schmelze suspendierten Borcarbid zu dem eigentlich
borierenden Agens, dem Bormonofluorid BF um.
Vorzugsweise verwendet man daher Salzschmelzen, die neben Alkali- und/oder Erdalkalihalogeniden 1 bis
30 Gew % einer Bor-Sauerstoff-Verbindung, 1 bis
30 Gew % Alkali- und/oder Erdalkalifluoride und
1 bis 15 Gew % Borcarbid enthalten.
Das durch Umsetzen von Bor-Sauerstoff-Verbindungen mit Fluoriden entstehende Trifluorboroxol bewirkt
einen langsamen, kontrollierten Aufschluß des Borcarbids, wobei borieraktives Bormonofluorid freigesetzt
wird, das Bor durch Zerfall an der Werkstückoberfläche abgeben kann. Anstelle von Borcarbid
können auch andere bekannte Borierungsmittel, wie amorphes Bor oder Kalziumborid, verwendet werden.
Die Borierwirkung der Schmelzen kann vor allem durch Variationen der Konzentration von Boroxid bzw. Borat
und von Alkali-/Erdalkalifluorid sowie durch Änderung der Temperatur und - in geringem Maß - durch Änderung
der Konzentration des Borcarbids beeinflußt werden. So hat sich gezeigt, daß es mit den erfindungsgemäßen
_9_ 33268G3
Salzschmelzen möglich ist, auf Stahl Schichten aus Fe_B zu erzeugen, ohne daß die unerwünschte borreiche
Phase FeB auftritt.
Vorzugsweise verwendet man Salzschmelzen, die aus b
30-60 Gew % BaCl3, 10-20 Gew % B3O3, Alkali- und/oder
Erdalkaliboraten, 10-30 Gew % NaF, 10-25 Gew % NaCl und 1-15 Gew % B.C bestehen. Besonders vorteilhaft
sind Salzschmelzen mit 40-55 Gew % BaCl, 5-15 Gew % B2°3' Alkali~ und/oder Erdalkaliborat, 18-25 Gew. % NaF,
15-20 Gew.% NaCl und 4-10 Gew.# B4C.
Die erfindungsgemäßen Salzschmelzen ermöglichen ein äußerst einfaches Arbeiten in der Praxis. Das SaIzgemisch
wird in einem Schmelztiegel aus warmfesten Stahl aufgeschmolzen und das B.C durch Einleiten
eines Inertgasstromes, z.B. Stickstoff, in Schwebe gehalten. Die zu borierenden Werkstücke werden an
einem Chargiergestell befestigt, z.B. mit Heißluft auf 350 C vorgewärmt und danach in die Schmelze
eingehängt. Bei Stählen werden gleichmäßige, sehr verschleißfeste, einphasige Schichten von Fe^B
erzeugt, wobei die Schichtdicke je nach Grundwerkstoff und Behandlungsdauer variiert v/erden
kann. Die Teile werden der Schmelze entnommen und z.B. in einem in der Härtereitechnik üblichen
Abschreckbad aus Natrium- und Kaliumnitrat bei ca. 2000C abgeschreckt und danach mit Wasser gespült.
Auf diese Weise gelangt kein Fluorid in die Abwasser.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit problemlos
in die bestehende Infrastruktur einer Salzbadhärterei integriert werden, ohne daß nennenswerte
Investitionen oder eine zusätzliche Abwasserbehandlung erforderlich sind. Die Arbeitsweise entspricht
weitgehend der des Salzbadkohlens oder
3326353
Salzbadnitrierens,, Die Schmelzen sind aus relativ
billigen Komponenten zusammengesetzt. Damit ist ein Borierverfahren vorhanden, das hinsichtlich der
Arbeitsweise und der Kosten mit den bekannten großtechnischen Verfahren des Salzbadnitrieren^ und Salzbadkohl
ens konkurrieren kann.
Die folgenden Beispiele geben Salzbadzusammensetzungen zur Durchführung von Borierungen an.
In einem Tiegelofen der Größe 30/80 werden 100 kg _._ eines Salzgemisches aus 50 kg BaCl0, 15 kg NaF,
20 kg NaCl, 5 kg B3O3 und 10 kg B4C-Pulver eingeschmolzen
und das Borcarbid durch Einleiten eines Inertgasstromes suspendiert. Bei einer Behandlungstemperatur von 900 0C wird auf CK 15-Stahl bei einer
on Behandlungsdauer von 2 Stunden eine FeB-freie Boridschicht
aus Fe„B von 6OyUm Dicke erhalten.
2g In einem Tiegelofen der Größe 30/80 werden 100 kg
eines Salzgemisches aus 50 kg BaCl2/ 25 kg KF, 15 kg NaCl, 5 kg B„O-, und 5 kg B.C-Pulver eingeschmolzen
und das Borcarbid durch Einleiten eines Inertgasstromes, z.B. Stickstoff, in Schwebe gehalten.
Bei einer Behandlungstemperatur von 850 C und einer Borierdauer von 2 Stunden wird auf CK-15-Stahl eine
FeB-freie Boridschicht aus Fe-B von 30yH.ni Dicke
erhalten.
Besonders gute Boridschichten liefern Salzschmelzen folgender Zusammensetzung: 50 kg BaCl2/ l6 kg NaCl,
10 kg B3O3, 18 kg NaF und 6 kg B4C.
14.07.1983 25 Dr.Br-he
Claims (4)
- Degussa Aktiengesellschaft Frankfurt am Main, Weissfrauenstraße 9Patentansprüche:Salzbad zur stromlosen Erzeugung verschleißfester Boridschichtenic / 1./Salzbad auf der Basis von Alkali- und/oder Erdalkalihalogeniden zur stromlosen Erzeugung verschleißfester Boridschichten auf metallischen Werkstoffen bei Temperaturen von 650 bis 1100° C, dadurch gekennzeichnet, daß es Bormonofluorid oder Verbindungen enthält, aus denen unter Badbedingungen Bormonofluorid intermediär entsteht.
- 2. Salzbad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 1 bis 30 Gew % einer Bor-Sauerstoff-Verbindung, 1 bis 30 Gew % Alkali- und/oder Erdalkalifluoride und 1 bis 15 Gew % Borcarbid enthält.
- 3. Salzbad nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es aus 30 bis 60 Gew % Bariumchlorid, 10 bis 25 Gew % Natriumchlorid, 1 bis 20 Gew % Boroxid und/oder Alkaliboraten und/oder Erdalkaliboraten, 10 bis 30 Gew % Natriumfluorid und 1 bis 15 Gew % Borcarbid besteht.
- 4. Salzbad nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es aus 40 bis 55 Gew % Bariumchlorid, 15 bis 20 Gew % Natriumchlorid, 5 bis 15 Gew %Boroxid und/oder Alkaliboraten und/oder Erdalkaliboraten, 18 bis 25 Gew % Natriumfluorid und 4 bis 10 Gew % Borcarbid besteht.
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8141 | Disposal/no request for examination |