DE3545128A1

DE3545128A1 - Verfahren zur haertung einer metalloberflaeche

Info

Publication number: DE3545128A1
Application number: DE19853545128
Authority: DE
Inventors: Robert Malcolm Thornton-In-Craven Skipton North Yorks Macintyre
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1985-01-04
Filing date: 1985-12-19
Publication date: 1986-07-10
Also published as: JPS61163283A; FR2575763A1; US4698237A; GB2169318A; GB8500196D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Metallen durch Carbidbildung und auf Metalle, die mit einer solchen Oberflächenhärtung versehen sind.

Es gibt verschiedene Metalle, z.B. Titan und Legierungen hiervon, die ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht besitzen, die aber trotzdem hinsichtlich ihrer Anwendung begrenzt sind, weil sie hohe Abnutzungsraten unter Gleitbedingungen und eine hohe Reibungsabnutzung zeigen. Die Versuche zur Lösung dieser Probleme haben sich hauptsächlich darauf konzentriert, einen abnutzungsfesten Überzug auf die Metalloberfläche aufzubringen oder abnutzungsfeste Partikel in der örtlich geschmolzenen Oberfläche des Metalls abzulagern. Im ersteren Fall wird eine Mischung aus einem Matrixmaterial, beispielsweise Kobalt oder Nickellegierung mit widerstandsfähigen Partikeln, beispielsweise Wolframcarbid, Chromcarbid oder Titancarbid durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen auf der Metalloberfläche aufgebracht. Im letzteren Fall werden abnutzungsfeste Partikel, beispielsweise aus Titancarbid, in einen durch einen Laserstrahl geschmolzenen Bereich der Metalloberfläche eingespritzt. Ein solches Verfahren ist in der US-PS 42 99 860 beschrieben.

Bei den beiden vorstehend erwähnten bekannten Verfahren zur Herstellung abnutzungsfester Überzüge besteht die Gefahr, daß die abnutzungsfesten Partikel nicht gleichmäßig im Matrixmaterial verteilt werden, welches sie aufnimmt. Wenn die abnutzungsfesten Partikel

nicht gleichmäßig verteilt sind, dann besteht die Wahrscheinlichkeit, daß in jenen Bereichen, wo die Partikel fehlen, eine beschleunigte Abnutzung stattfindet .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Härtung einer Metalloberfläche zu schaffen, welches Unterschiede in der Härte besser vermeidet als dies bei bekannten Verfahren der Fall war.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Härtung einer Metalloberfläche, bei dem örtlich die Metalloberfläche mit einem energiereichen Strahl in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum geschmolzen wird, in der Weise durchgeführt, daß die Oberfläche örtlich in Gegenwart elementaren Kohlenstoffs so lange angeschmolzen wird, daß Metall und Kohlenstoff miteinander reagieren und ein Carbid erzeugen können, das bei der folgenden Wiederverfestigung einen dendritischen Carbidaufbau im Metall benachbart zu seiner Oberfläche definiert.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen :

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;

Fig. 2 eine Seitenansicht einer abgewandelten Ausführungsform einer Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;

Fig. 3

bis 10 graphische Darstellungen, die verschiedene physikalische Eigenschaften der Metalloberfläche erkennen lassen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gehärtet sind.

Figur 1 zeigt eine verschiebbare Plattform 10, die in einer Argonatmosphäre beweglich ist und ein Titanwerkstück 11 trägt. Die Oberfläche dieses Werkstücks soll mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter einem Strahl 12 kohärenter Strahlung von einem nicht dargestellten Laser gehärtet werden. Der Laserstrahl 12 verläuft senkrecht zu dem Titanwerkstück 11 und besitzt eine ausreichende Energie, um eine Oberflächenanschmelzung in jenem Bereich des Titanwerkstücks 11 zu bewirken, auf dem der Strahl auftrifft. Es ist natürlich klar, daß erforderlichenfalls der Strahl 12 auch schräggerichtet sein kann.

Bevor der Laserstrahl 12 auf das Titanwerkstück 11 gerichtet wird, wird dessen Oberfläche mit einer kolloidalen Dispersion von Graphit 13 durch Aufbürsten überzogen, jedoch können auch andere Arten von Graphit, z.B. Graphitflocken, benutzt werden. Andere Verfahren der

Aufbringung, z.B. ein Aufsprühen, kann ebenfalls Anwendung finden. Wenn der Laserstrahl 12 die Oberfläche des Titanwerkstücks 11 Örtlich zum Schmelzen bringt, dann löst das geschmolzene Titan das Graphit und es wird aus der Schmelze Titan-Carbid erzeugt. Die Plattform 10 wird kontinuierlich in Richtung des Pfeiles 14 vorgeschoben, so daß das erzeugte Titan-Carbid und das geschmolzene Titan schnell verfestigt werden, um einen dendritischen Titan-Carbidaufbau innerhalb einer Titanmatrix benachbart zur Oberfläche des Titanwerkstücks 11 zu erzeugen.

Das so erzeugte Titan-Carbid verleiht dem Titanwerkstück 11 eine zähe äbnutzungsfeste Oberfläche, die im Hinblick auf ihren dendritischen Aufbau gleichmäßig über die Werkstückoberfläche verteilt ist.

Gemäß einem abgewandelten Verfahren zur Herstellung eines zähen abnutzungsfesten dendritischen Titan-Carbidaufbaus innerhalb einer Titanwerkstückoberfläche wird das Titanwerkstück 15 auf einer verschiebbaren Plattform 10 unter einem senkrecht einfallenden Laserstrahl 12, wie oben beschrieben, angeordnet. Die Oberfläche der Titanplatte 15 ist jedoch nicht mit einer Graphitdispersion überzogen. Der Kohlenstoff, der mit dem geschmolzenen Titan reagieren soll, ist stattdessen in einem Aufgabebehälter 16 untergebracht, der über der Platte 15 angebracht ist, wie dies Figur 2 erkennen läßt. Eine Zumeßeinrichtung 17 unter dem Aufgabebehälter 16 mißt eine stetige Strömung von Kohlenstoff-Partikeln einem geneigten Kanal 18 zu, durch den Argongas oder ein

anderes inertes Gas in Richtung des Pfeiles 19 strömt. Der Kanal 18 ist gegenüber dem Laserstrahl 12 so angeordnet, daß er die Kohlenstoffpartikel und Argon auf jenen Bereich richtet, wo der Laserstrahl 12 auf die Werkstücksoberfläche 15 auftrifft und demgemäß in den Bereich, wo der Strahl 12 das Titan örtlich angeschmolzen hat. Das geschmolzene Titan löst den Kohlenstoff und es wird Titancarbid aus der Schmelze erzeugt und dieses Titancarbid bildet, nachdem die Plattform in Richtung des Pfeiles 20 verschoben ist, und das Titan wieder verfestigt ist, einen dendritischen Aufbau innerhalb der Titanmatrix benachbart zur Werkstückoberfläche 15. Da das Argon, welches den Kanal 18 durchströmt, den Reaktionsbereich des geschmolzenen Titans auswäscht ist es nicht notwendig, die gesamte Vorrichtung in einer Argon-Atmosphäre unterzubringen, obgleich ein solcher totaler Einschluß gewöhnlich im Hinblick auf eine Vermeidung einer Oxydation erwünscht ist.

Es wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, um Bleche aus Titan und einer Titanlegierung an der Oberfläche zu härten, wobei das Verfahren gemäß Fig. 1 angewandt wurde. Die Versuche wurden durchgeführt unter Benutzung eines 2 kW CW CO₂ Lasers, der mit einer Leistung zwischen ungefähr 1,2 und 1,8 kW betrieben wurde. Die Einwirkzeit, d.h. die Zeit des Einwirkens des Laserstrahls auf das Titanblech wurde durch Veränderung des Durchmessers des Laserstrahls von 0,4 mm auf 3 mm gesteuert und durch Änderung der

Vorschubgeschwindigkeit der Plattform von 7 bis 50 mm/sec. Die Oberflächen der Titanbleche waren sandgestrahlt, um eine standardisierte Oberflächenbeschaffenheit zu gewährleisten.

Es wurden zwei unterschiedliche Metalle bei der Vorbereitung der Bleche 11 benutzt. Sie bestanden aus chemisch reinem Titan und einer Titanlegierung, die 6 Gew.-56 Aluminium und 4 Gew.-% Vanadium enthielt. Die Bleche wurden mit einer kolloidalen Dispersion von Graphit in Methanol durch Aufbürsten überzogen. Verschiedene folgende Laserbehandlungen (bis zu 16 Behandlungen) wurden bei jedem Blech mit einem frischen überzug aus der kolloidalen Graphit-Dispersion durchgeführt, die jeweils zwischen den Behandlungen aufgebracht wurde.

Es wurden Untersuchungen hinsichtlich des Mikroaufbaus der behandelten Fläche durchgeführt, wobei Lichtmikroskope und elektronische Abtastmikroskope benutzt wurden, und es wurde eine Mikrohärtemessung durchgeführt, wobei 100 g Belastungen aufgebracht wurden, und zwar hauptsächlich auf die querverlaufenden Abschnitte .

Bei der Betrachtung der Ergebnisse dieser Versuche zeigt Fig. 3 die Änderung der Tiefe und Breite der behandelten Zone eines chemisch reinen Titanbleches bei Benutzung eines 1,72 kW Laserstrahls, einer Vorschubgeschwindigkeit von 20 mm/sec und einer Laserstrahlbreite von 3 mm Durchmesser. Es wurden 16

wiederholte Durchlauf durchgeführt, wobei vor jedem erneuten Durchlauf ein überzug aus kolloidalem Graphit aufgebracht wurde. Fig. 3 zeigt, daß eine Schmelzzonentiefe von ungefähr 0,4 mm und einer Breite von ungefähr 2,1 mm bei bis zu 16 Durchläufen konstant blieb. Fig. 4 zeigt, daß die Abmessungen der Schmelzzone als Funktion der Vorschubgeschwindigkeit für einzelne Experimente die Neigung erkennen läßt, daß eine Abnahme in der Tiefe und in der Breite auftritt, wenn die Vorschubgeschwindigkeit erhöht wird.

Die entsprechenden Ergebnisse, die ein Blech benutzten, welches aus der Titanlegierung bestand, sind in den Figuren 5 und 6 wiedergegeben. Dabei wurde ein schmalerer Laserstrahl 12 mit 1,5 mm Durchmesser und einer Vorschubgeschwindigkeit von 20 mm/sec. in Verbindung mit zwei Laserpegeln benutzt (1,2 kW bei Fig. 5 und 1,8 kW bei Fig. 6). Es ergab sich keine klare Bestätigung des angenommenen Trends nach der erhöhten Tiefe und Breite mit Anstieg der Leistung. Jedoch ergab sich eine unerwartete Wirkung insofern, als die Zonentiefe und Breite ein progressives Ansteigen bei wiederholten Behandlungszyklen zeigten.

Bei den untersuchten Bedingungen, und zwar sowohl bei den Blechen aus chemisch reinem Titan als auch bei den Blechen aus der Titanlegierung wurden keine Risse festgestellt.

Röntgen strahlen-Beugungsuntersuchungen aller Beispiele zeigten das Vorhandensein von Titan-Carbid in den Schmelzzonen. Die Carbldgitterparameter ergaben sich wie folgt für wiederholte Behandlungsbedingungen (gekennzeichnet durch hohen Kohlenstoffgehalt) und Einzelbehandlungen (gekennzeichnet durch niedrigen Kohlenstoffgehalt), chemisch reinem Titanblech 10:4,329A (hoher Kohlenstoffgehalt), Titanlegierungsblech 11:4,305A (hoher Kohlenstoffgehalt) : 4,318A (niedriger Kohlenstoffgehalt).

Die Härtepegel der Schmelzzonen (Fig. 7 und 8 für chemisch reines Titan und Fig. 9 und 10 für die Titan legierung) zeigen ein progressives Ansteigen der Härte mit sich erhöhendem Kohlenstoffgehalt über wiederholte Behandlungsdurchläufe, wobei das Maximum bei ungefähr 650 HV nach 16 Durchläufen bei dem chemisch reinem Titanblech liegt. Fig. 8 veranschaulicht die Härteverminderung mit ansteigender Vorschubgeschwindigkeit.

Eine mikroskopische Überprüfung der Versuchsproben zeigte, daß bei den Beispielen mit einmaliger Behandlung (ein Durchlauf) Carbidpartikel vorhanden waren, die eine verästelte flockenartige Morphologie aufwiesen, wobei einige davon zu einer Kette oder einem Netzwerk ausgebildet waren. Die Proben, die acht aufeinanderfolgenden Durchläufen ausgesetzt waren, hatten einen höheren Volumenanteil von Carbiden, und die Morphologie war dendritisch. Die

Carbid-Dendriten waren gröber in der Nähe der Oberseite der Schmelzzone als an der Basis. In einer flachen Schmelzzone mit hohem Kohlenstoffgehalt befand sich ein oberer Bereich, in dem sich die Carbid-Dendriten von der Schmelzoberfläche nach unten erstreckten. In einer tiefen Zone waren einige Carbidpartikel bis zu 100 um im Durchmesser heterogen dispergiert zusätzlich zu den dendritischen Partikeln.

Es ergibt sich somit, daß das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Titan schafft, das da die dendritische Titan-Carbidbildung in der Nähe der Titanoberfläche fortschreitet, eine gleichmäßigere Verteilung der Oberflächenhärte ergibt, als dies bisher erreicht werden konnte, unter Benutzung von eingespritzten Kohlenstoffpartikeln in die geschmolzene Oberfläche.

Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf eine Oberflächenhärtung von Titan und einer Titanlegierung beschrieben, wobei ein Laserstrahl Anwendung fand. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist. Allgemein ist das Verfahren anwendbar auf Metalle, die feste Carbidbildner sind und der Strahl, der zum Schmelzen der Metalloberfläche benutzt wird, muß ein Strahl mit hoher Strahlungsenergie sein, um das erforderliche schnelle Anschmelzen der Oberfläche zu gewährleisten. So könnte der Laserstrahl beispielsweise durch einen Elektronenstrahl ersetzt werden, und in diesem Falle wäre die inerte Atmosphäre durch ein Vakuum zu ersetzen.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach rr - u η * ». * * D ι ρ I. -1 η ρ. Günther Koch Europaische Patentvertreter χ-ί^ι. ■ « r, o * * α« Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach European Patent Attorneys K y Dipl.-lng. Rainer Felclkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: 19. Dezember 1985 RollS-Royce Limited Unser Zeichen: 18 2.3 t - K/Ap Buckingham Gate London SWIE 6AT England Verfahren zur Härtung einer Metalloberfläche Patentansprüche:

1. Verfahren zur Härtung einer Metalloberfläche, bei welchem örtlich das Metall der Oberfläche mit einem energiereichen Strahl in einer inerten Atmosphäre oder Vakuum angeschmolzen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche örtlich in Gegenwart von elementarem Kohlenstoff so lange geschmolzen wird, daß das Metall (11) und der Kohlenstoff (13) miteinander reagieren können, um ein Carbid zu erzeugen, das bei der Wiedererstarrung einen dendritischen Carbidaufbau innerhalb des Metalls benachbart zu dessen Oberfläche definiert.

2. Verfahren zur Härtung einer Metalloberfläche nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das örtliche Schmelzen und die Wiedererstarrung der Metalloberfläche (11) in Gegenwart von elementarem

Kohlenstoff (13) zur Erzeugung eines dendritischen Carbidaufbaus mehr als einmal auf jedem Abschnitt der Metalloberfläche (11) durchgeführt wird, die eine Oberflächenhärtung erfordert.

3. Verfahren zur Härtung einer Metalloberfläche nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der energiereiche Strahl (12) von einem Laserstrahl gebildet ist.

4. Verfahren zur Härtung einer Metalloberfläche nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (12) von einem Laser geliefert wird, der eine Ausgangsleistung bis zu 2 kW besitzt.

5. Verfahren zur Härtung einer Metalloberfläche nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (12) einen Durchmesser zwischen 0,4 mm und 3 mm an der Auftreffstelle auf der Metalloberfläche besitzt.

6. Verfahren zur Härtung einer Metalloberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Relativbewegung zwischen dem Strahl (12) und der Metalloberfläche (11) derart bewirkt wird, daß benachbarte Bereiche der Metalloberfläche (11) aufeinanderfolgend in Gegenwart des elementaren Kohlen-

Stoffs (13) geschmolzen werden und sich darauffolgend verfestigen.

7. Verfahren zur Härtung einer Metalloberfläche nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung mit einer Geschwindigkeit zwischen 7 und 50 mm/sec durchgeführt wird.

8. Verfahren zur Härtung einer Metalloberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elementare Kohlenstoff in Partikel form in etwa gleichmäßiger Verteilung über der Metalloberfläche ausgebreitet wird bevor der örtliche Schmelzvorgang einsetzt.

9. Verfahren zur Härtung einer Metalloberfläche nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff (11) in Form eines kolloidalen Graphits Anwendung findet.

10. Verfahren zur Härtung einer Metalloberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elementare Kohlenstoff (13) in das Metall (11) gerichtet wird, welches durch den energiereichen Strahl geschmolzen wird.

11. Verfahren zur Härtung einer Metalloberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall (11) Titan oder eine Titanlegierung ist.