DE3831933A1 - Abgestufte oxykarburierte und oxykarbonitrierte mehrphasen-materialsysteme - Google Patents
Abgestufte oxykarburierte und oxykarbonitrierte mehrphasen-materialsystemeInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung ist speziell auf oxykarburierte
und oxykarbonitrierte Materialien gerichtet, insbesondere
auf hochschmelzende bzw. feuerfeste Metallegierungen, die
durch eine abgestufte Mikrostruktur gekennzeichnet sind und
ausgezeichnete Verschleiß- und Korrosionswiderstandseigenschaften
in Verbindung mit einer relativ feinen Korngröße
besitzen. Derartige Materialien sind des weiteren durch ein
Mehrphasensystem gekennzeichnet, d. h. sie enthalten mindestens
zwei Phasen, von denen eine oder mehrere reich an
Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff sind und keramikähnliche
Eigenschaften besitzen, während die anderen Phasen
prinzipiell aus Metall bestehen und metallische Eigenschaften
besitzen. Derartige Materialien sind von ihrer Oberfläche
aus nach innen in bezug auf ihre Mikrostruktur, Härte
und Sauerstoff- sowie Kohlenstoff- oder Sauerstoff-, Kohlenstoff-
und Stickstoffkonzentrationen kontinuierlich abgestuft.
Die keramikähnlichen Phasen besitzen die höchste Konzentration
an der Oberfläche, wobei sich die Konzentration
nach innen verringert. Die erforderlichen Legierungen, mit
denen eine derartige Abstufung und die gewünschten Eigenschaften
erzielbar sind, decken einen breiten Bereich von
binären, ternären oder komplexeren hochschmelzenden Metallegierungen
ab. Der metallische Kern sowie die metallische
Matrix, die von den keramikähnlichen Phasen umgeben sind,
verleihen den Verbundmaterialien wünschenswerte Eigenschaften,
wie beispielsweise eine gute thermische Leitfähigkeit,
Festigkeit und ein gutes Widerstandsvermögen gegen Wärmespannungen.
Die Verwendung der hier beschriebenen hochschmelzenden
Metallegierungen führt zu einer ausgezeichneten
Kombination aus Verschleiß- und Korrosionswiderstand und
Korngröße, insbesondere im Vergleich zu karburierten Eisenmetallen
und nitrierten, karburierten und karbonitrierten
hochschmelzenden Metallegierungen des Standes der Technik.
Die Legierungen, die erfindungsgemäß oxykarburiert oder
oxykarbonitriert sind, können einen breiten Bereich von
hochschmelzenden Metallegierungen der Metalle der Gruppe V B
(Tantal, Columbium und Vanadium) des Periodensystems der
Elemente abdecken, wobei diese Elemente der Gruppe V B die
Hauptbestandteile der Legierung darstellen. Diese Legierungen
können entweder ausgewählte Zusätze von reaktionsfähigen
Metallen der Gruppe IV B (Titan, Zirkon und Hafnium)
oder von hochschmelzenden Metallen der Gruppe VI B
(Molybdän, Wolfram und Chrom) oder am bevorzugsten Metalle
von beiden Gruppen IV B und VI B aufweisen. Andere Elemente,
wie beispielsweise Yttrium, Rhenium u. a., die eine Reaktion
mit Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff eingehen können
oder nicht, können als Zusätze in geringeren Mengen oder
unbeabsichtigte Restverunreinigungen in der Legierung vorhanden
sein. Es wurde festgestellt, daß dann, wenn die vorstehend
beschriebenen Legierungssysteme, die viele erhältliche
kommerziell hergestellte hochschmelzende Metallegierungen
des Standes der Technik enthalten, oxykarburiert
oder oxykarbonitriert werden, ein Material entsteht, das
außerordentlich gute Eigenschaften und entsprechende Mikrostrukturen
besitzt, die nachfolgend erläutert werden.
In den US-PS 35 49 427 und 35 49 429 ist eine Anzahl von
weiteren hochschmelzenden Metallegierungen beschrieben, deren
Zusammensetzungsbereiche innerhalb der Grenzen eines
Polygons im speziellen Ternärdiagramm dargestellt sind und
die Kriterien erfüllen, die in diesen Veröffentlichungen für
zufriedenstellende nitrierte Materialien aufgestellt worden
sind. Die Oxykarburierungs- und Oxykarbonitrierungs-Behandlungen
der vorliegenden Erfindung können in Verbindung mit
derartigen Legierungszusammensetzungen durchgeführt werden,
um abgestufte Mehrphasenmaterialien zu erhalten, die außerordentlich
gute Eigenschaften in bezug auf Härte, Korrosionswiderstand
und eine relativ feine Korngröße besitzen.
Es wird ferner auf die US-PS 37 13 907 verwiesen.
In der vorliegenden Beschreibung und in den Patentansprüchen
werden die Begriffe "Phase" und "Mehrphase" so gebraucht,
wie sie üblicherweise in der metallurgischen Praxis benutzt
werden. Der Begriff "Phase" bedeutet einen physikalisch
homogenen und unterschiedlichen Bereich eines Materialsystems,
während der Begriff "Mehrphase" sich auf zwei oder
mehrere zusammen existierende Phasen bezieht. Der Begriff
"abgestuft" wird ebenfalls in seinem ursprünglichen Sinn
gebraucht.
Das Karburieren, Nitrieren und Karbonitrieren von bestimmten
Metallen oder Legierungen ist bereits in der Vergangenheit
vorgeschlagen worden. In bestimmten nitrierten Legierungen
können bis zu 25% der Stickstoffaufnahme durch Sauerstoff
oder Bor oder Mischungen davon ersetzt werden. Des weiteren
sind bestimmte der nicht reagierten Legierungen (Basismetall
oder Substrat), die bei der vorliegenden Erfindung Verwendung
finden, bekannt. Die Zusammensetzungen des Standes der
Technik weisen jedoch nicht die abgestufte Mehrphasenzusammensetzung
oder Mikrostruktur der vorliegenden Erfindung
mit der ausgezeichneten Eigenschaftskombination von Härte
oder Verschleißwiderstand, Korrosionswiderstand und einer
relativ feinen Korngröße auf, wie nachfolgend erläutert
werden wird.
Sauerstoff ist ein Zwischenelement in den Metallen der
Gruppe IV B, das normalerweise vermieden wird, da es mit
hochschmelzenden Metallegierungen reagiert. Es ist bekannt,
voluminöse, poröse oder sogar flüssige Oxide herzustellen,
wobei jedoch eine starke Verschmutzung und Versprödung
dieser Materialien auftritt. Die Auswirkungen von Sauerstoff
auf verschiedene Eigenschaften von Tantal- und Columbium
(Niob)-Legierungen sind in der Veröffentlichung "Tantalum
and Niobium" von G. L. Miller, Academic Press, 1939 und
"Columbium and Tantalum" von F. T. Sisco und E. Epremian,
John Willy and Sons, 1963 dokumentiert. Anstrengungen, die
unternommen wurden, um eine Sauerstoffverunreinigung dieser
Metalle zu vermeiden oder zu reduzieren, umfassen chemische
Behandlungsverfahren, Elektronenstrahlschmelzen und
-schweißen, Lichtbogenschweißen mit verbrauchbarer Elektrode,
den Einsatz eines hohen Unterdrucks (10-5 Torr oder mehr)
bei Wärmebehandlungen, chemisches Reinigen durch Beizen oder
Ätzen und den Einsatz von Schutzüberzügen, um eine Oxydation
bei erhöhten Temperaturen zu verhindern.
Im Gegensatz dazu wurde erfindungsgemäß gefunden, daß durch
die Verwendung von vernünftigen Mengen an Sauerstoff in
Kombination mit Kohlenstoff oder Kohlenstoff und Stickstoff
Produkte mit abgestufter Mikrostruktur in ausgezeichneten
Eigenschaftskombinationen in bezug auf Härte und Härtungstiefe,
Korrosionswiderstand und eine relativ feine Korngröße
im Reaktionsbereich und dem darunter befindlichen Substrat
erhalten werden können. Die vorliegende Erfindung stellt
somit gegenüber den Lehren der vorstehend erwähnten Veröffentlichungen
eine Verbesserung dar, und zwar nicht nur in
bezug auf die Materialeigenschaften, sondern auch auf die
Möglichkeit des Einsatzes einer größeren Zahl von Legierungsmetallen
als dies bislang bekannt war.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden
bestimmte hochschmelzende Metallegierungssysteme, die vorstehend
allgemein beschrieben wurden, oxykarburiert oder
oxykarbonitriert. Einige spezielle im Handel erhältliche
hochschmelzende Metallegierungen, die zum Nachweis der
Erfindung oxykarburiert oder oxykarbonitriert wurden, umfassen:
Im Handel erhältliche Legierung | |
Nennzusammensetzung | |
Bezeichnung | |
(die Zahlen entsprechen Gew.-% der Legierungselemente) | |
Tribocor 532 | |
Cb-30 Ti-20 W | |
Fansteel "85" Metall | Cb-28 Ta-10,5 W-0,9 Zr |
Cb-752 | Cb-10 W-2,5 Zr |
C-103 | Cb-10 Hf-1 Ti |
Ta-10 W | Ta-10 W |
Diese Legierungen wurden durch herkömmliches Elektronenstrahlschmelzen
oder durch Lichtbogenschmelzen mit verbrauchbarer
Elektrode oder eine Kombination dieser Verfahren
hergestellt, um Barren zu erzeugen. Manchmal war ein kleiner
Zusatz an Yttrium oder Seltenerdenmetallen in der Schmelze
enthalten, um den vorhandenen Sauerstoff zu binden und
dadurch eine Deoxydation des Metalles zu erreichen. Aus den
Barren wurden durch herkömmliche Techniken, die für die speziellen
Legierungen eingesetzt werden, Walzprodukte hergestellt.
Es wurden Legierungsproben in einer Atmosphäre von Kohlenmonoxyd
oder Kohlenmonoxyd und Argon mit einem Kohlenmonoxydgehalt
von 1 bis 99 Vol.-% oxykarburiert. Bei einigen
Proben wurde ein Teil des Kohlenmonoxyds oder das gesamte
Kohlenmonoxyd durch Kohlendioxyd ersetzt. Wasserdampf wurde
bei einigen Proben in die Atmosphäre eingeblasen und diente
in diesen Fällen als Teilquelle für den Sauerstoff. Des weiteren
können der oxykarburierenden Gasatmosphäre gesteuerte
Mengen an Kohlenwasserstoffgas, wie beispielsweise Methan
(CH₄), zugesetzt werden, um eine Anreicherung an Kohlenstoff
in der Reaktionstiefe zu erhalten. Die Oxykarburierungsbehandlung
besitzt somit eine große Flexibilität in bezug auf
die Mengen an Sauerstoff und Kohlenstoff, die in die Reaktionstiefe
des Substrates eingeführt werden können. Folglich
können die Atmosphärenzusammensetzung für den Oxykarburierungsprozeß,
die Temperatur, die Zeit und andere Prozeßparameter
so ausgewählt werden, daß ein höherer Kohlenstoffgehalt
als Sauerstoffgehalt in der Reaktionszone erzeugt
wird, wobei diese Elemente auf die speziell gewünschten
Konzentrationen gesteuert werden, um in der endgültigen
Zusammensetzung optimale Eigenschaften zu erzielen. Falls
gewünscht, kann auch der Sauerstoffgehalt höher eingestellt
werden als der Kohlenstoffgehalt.
Es wurden ferner Legierungsproben in einer Atmosphäre von
Kohlenmonoxyd und Stickstoff oxykarbonitriert, wobei die
Atmosphärenzusammensetzung von 1 bis 99 Vol.-% Kohlenmonoxyd,
Rest Stickstoff, reichte. Wiederum wurde entweder
Kohlendioxyd oder Wasserdampf zugesetzt, um einen Teil des
Kohlenmonoxyds bei einigen Proben zu ersetzen. Die Oxykarbonitrierung
kann auch nacheinander durchgeführt werden,
indem man zuerst das Material oxykarburiert, wie vorstehend
beschrieben, und danach das oxykarburierte Metall in einer
Stickstoffatmosphäre nitriert oder umgekehrt vorgeht und
zuerst nitriert und dann oxykarburiert. Eine Oxynitrierung
des Materials in einer Stickstoffatmosphäre mit Wasserdampf,
Sauerstoff oder Luft, gefolgt von einer Karburierung
oder Oxykarburierung, stellt ein anderes wahlweise Verfahren
zum Oxykarbonitrieren dar, aber man kann auch umgekehrt
vorgehen. Wie vorstehend erläutert, kann für die
Oxykarburierungsbehandlung ein Kohlenwasserstoffgas der
Oxykarbonitrierungsatmosphäre zugesetzt werden, um eine
Anreicherung an Kohlenstoff zu erzielen. Der Oxykarbonitrierungsprozeß
besitzt somit ebenfalls eine große Flexibilität,
und es können die gewünschten Verhältnisse und
Konzentrationen der eingeführten Elemente Sauerstoff,
Kohlenstoff und Stickstoff erzielt werden. Falls gewünscht,
kann eines dieser drei Elemente die maximale, mittlere oder
niedrigste Konzentration aufweisen, wobei jedes Element im
gewünschten Anteil in der Reaktionstiefe des oxykarbonitrierten
Teiles vorhanden ist.
Die Oxykarburierungs- oder Oxykarbonitrierungsbehandlung der
Legierungsproben wurde in herkömmlichen Induktionsöfen mit
Graphitsuszeptoren durchgeführt. Der mit den Proben beschickte
Ofen wurde evakuiert, mit der gewünschten Gaszusammensetzung
gefüllt, auf die gewünschte Temperatur
(typischerweise 1650-1870°C) gebracht und über die gewünschte
Zeitdauer (typischerweise 4 bis 24 h) auf dieser
Temperatur gehalten, um die gewünschte Sauerstoff- und
Kohlenstoff- oder Sauerstoff- und Kohlenstoff- und Stickstoff-
Aufnahme zu erreichen. Danach wurde atmosphärisch
gekühlt.
Die behandelten Proben wurden durch eine Reihe von Experimentaltechniken
ausgewertet. Der Gewichtszusatz wurde an
Folien- oder Plattenproben ermittelt. Es wurden die Mikrostrukturen
überprüft, und die Härtungstiefe wurde an
polierten oder polierten und geätzten Querschnitten ermittelt.
An behandelten Drahtproben der Legierungen wurden
chemische Analysen zur Bestimmung des Sauerstoff-, Kohlenstoff-
und Stickstoff-Gehaltes durchgeführt. Andere behandelte
Proben wurden zur Durchführung von Anfeuchtungstests
in geschmolzenem Aluminium, Korrosionstests in Salzsäure
sowie Flußsäure und in kochender 70%iger Schwefelsäure und
Oxydationstests in Luftatmosphäre bei diversen ausgewählten
erhöhten Temperaturen verwendet.
Es wurde festgestellt, daß zur Erzeugung von geeigneten
oxykarburierten und oxykarbonitrierten Verbundmaterialien
des vorliegenden Legierungssystems die Sauerstoff- und
Kohlenstoff- oder Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Stickstoff-
Aufnahme mindestens 1 mg/cm² Oberflächenbereich betragen
muß, obwohl höhere Mengen bevorzugt werden. Ferner sollte
die Mikrohärte an der Oberfläche eine Diamantpyramidenzahl
(DPN) von mindestens 1000 aufweisen, und die Reaktionstiefe,
bis zu der eine derartige Härte vorhanden ist, sollte
mindestens 0,018 mm betragen. Die Härte der Oberflächenschichten
kann beträchtlich weiter erhöht und der Reibungskoeffizient
kann in signifikanter Weise erniedrigt
werden, indem man die oxykarburierten oder oxykarbonitrierten
Verbundmaterialien der vorliegenden Legierungssysteme
danach boronisiert. Die mit Bor angereicherte Reaktionstiefe
von der Oberfläche aus sollte mindestens etwa 0,001 mm, vorzugsweise
etwa 0,003 mm betragen. Die Härte an der Oberfläche
eines derartigen boronisierten Materiales beträgt
typischerweise etwa 3800 DPN.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen grafischen Vergleich der Mikrohärte-
Gradienten für eine in CO reagierte
Cb-30% Ti-20% W-Legierung gegenüber
Stickstoff;
Fig. 2 ein Mikrofoto einer Cb-30% Ti-20% W-
Legierung, die in einer Ar-10% CO-
Atmosphäre 4 h lang bei 1927°C reagierte;
Fig. 3 ein Mikrofoto einer Cb-30% Ti-20% W-
Legierung, die in Stickstoff 4 h lang
bei 1882°C reagierte;
Fig. 4 einen grafischen Vergleich der Mikrohärtegradienten
für eine Cb-28% Ta-
10,5% W-0,9% Zr-Legierung, die in
einer CO-Atmosphäre reagierte, mit einer
Cb-30% Ti-20% W-Legierung, die
in Stickstoff reagierte;
Fig. 5 ein Foto, das das Ergebnis der Schmelze
von Aluminium in einem Schmelzofen
zeigt, der durch Reaktion einer Cb-30%
Ti-20% W-Legierung in CO hergestellt
wurde;
Fig. 6 ein Foto, das das Ergebnis der Schmelze
von Aluminium in einem Schmelzofen
zeigt, der durch Reaktion einer Cb-
30% Ti-20% W-Legierung in Stickstoff
hergestellt wurde; und
Fig. 7 ein Mikrofoto, das die Mikrostruktur einer
Cb-30% Ti-20% W-Legierung zeigt,
die anfangs mit Stickstoff, Kohlenstoff
und Sauerstoff reagierte und danach auf
eine Gesamtgewichtszunahme von 52 mg/cm²
Oberflächenbereich nitriert wurde.
Eine Probe einer Cb-30% Ti-20% W-Legierung mit den Abmessungen
von 15,24 mm × 25,4 mm × 4,75 mm wurde in einem Induktionsofen,
der einen Graphitsuzeptor aufwies, in einer
gesteuerten Atmosphäre aus Ar-10 Vol.-% CO unter einem Druck
von 0,1378 bar erhitzt. Die Temperatur der Probe wurde
stetig von Raumtemperatur über eine Zeitdauer von 30 min auf
1927°C erhöht, und die Probe wurde auf dieser Temperatur
4 h lang gehalten, wonach der Ofen abgestellt wurde und das
System über eine Zeitdauer von einigen Stunden auf Raumtemperatur
abkühlte. Die Probe besaß eine gleichmäßige schwarze
Farbe, und Gewichtsänderungsmessungen ergaben einen Gewichtszuwachs
von 50,1 mg/cm² Flächenbereich. Es wurden
Mikrohärtemessungen an polierten Querschnitten durchgeführt,
wobei ein Diamentpyramiden-Indentor mit einer Belastung von
100 g verwendet wurde. Dabei wurde ein Härtegradient als
Funktion der Entfernung von der Oberfläche erhalten, der
durch die obere Kurve in Fig. 1 wiedergegeben ist. Die
obere Kurve in Fig. 1 zeigt die Härte für die gleiche
Legierung, die mit Stickstoff allein reagierte, bis auf das
gleiche Absorptionsniveau. Bei der Reaktion mit CO anstelle
von N₂ stellt man fest, daß ein merklicher Anstieg im
Härteniveau und in der Tiefe, bis zu der die hohe Härte
erzielt wird, existiert.
Es wurden ferner die Mikrostrukturen der Materialsysteme
überprüft, wobei ein entscheidender Unterschied in der Korngröße
und der Abstufung der Substrate resultierend aus den
beiden unterschiedlichen Behandlungen festgestellt wurde.
Die in CO reagierte Probe (Fig. 2) besitzt eine relativ
feine Korngröße im Vergleich zu der gleichen nitrierten Legierung
(Fig. 3). Es wurde erwartet, daß das karburierte
feinkörnige Material bessere isotrope Eigenschaften und eine
bessere Bruchzähigkeit aufweisen würde.
Eine Legierung aus Cb-28% Ta-10,5% W-0,9% Zr wurde in
einer Atmosphäre aus 100% CO bei 1899°C 4 h lang reagieren
gelassen. Eine an einem polierten Querschnitt durchgeführte
Mikrohärte-Traverse zeigte den in Fig. 4 dargestellten gewünschten
Härtegradienten. Dieses Material besaß eine höhere
Oberflächenhärte, jedoch eine ähnliche Abstufung von Eigenschaften
im Vergleich mit einer Cb-30% Ti-20% W-Legierung,
die mit Stickstoff allein bis auf ein Absorptionsniveau von
50 mg/cm² reagierte. Dieses Härteniveau und diese wünschenswerte
Abstufung traten in der mit CO allein reagierten Cb-
Ta-W-Zr-Legierung bis zu einem Absorptionsniveau von nur
18,1 mg/cm² Flächenbereich auf. Wenn man diese Legierung
des weiteren mit Stickstoff allein reagieren läßt, entwickelt
sie eine harte Oberflächenschicht mit einer abrupten
Härtediskontinuität darunter, was eine unerwünschte Abstufungseigenschaft
bedeutet.
Durch Bearbeiten von Barrenmaterial wurden kleine Schmelztiegel
aus einer Cb-30% Ti-20% W-Legierung hergestellt.
Jeder Schmelztiegel wurde durch Bearbeiten eines Barrens mit
einem Außendurchmesser von 1,5″ und einer Länge von 1/2″
hergestellt, um einen Hohlraum mit einem Innendurchmesser
von 3/8″ und einer Tiefe von etwa 7/16″ zu erzeugen. Einen
Schmelztiegel ließ man in Stickstoff allein bei 1882°C 4 h
lang reagieren, während man einen anderen Schmelztiegel in
Ar-10 Vol.-% CO bei 1927°C 4 h lang reagieren ließ. Beide
Behandlungen ergaben ein Zwischenelement-Absorptionsniveau
von etwa 50 mg/cm². Ein 3 g Stück aus im Handel erhältlichem
reinen Aluminium wurde in jeden Schmelztiegel eingesetzt,
und beide wurden unter Vakuum auf 488°C erhitzt
und auf dieser Temperatur 1 h lang gehalten, wonach eine
Abkühlung auf Raumtemperatur stattfand. Die Schmelztiegel
wurden in Epoxidharz montiert, geschliffen und im Querschnitt
poliert. Sie sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt.
Das Aluminium in dem mit CO reagierten Schmelztiegel
(Fig. 5) bildete einen nicht befeuchtenden Tropfen
und zeigte nur eine sehr geringe Reaktion, wenn überhaupt.
Das Aluminium in dem nitrierten Schmelztiegel (Fig 6)
feuchtete sehr rasch an und zeigte eine intensive Reaktion
mit der nitrierten Oberfläche. An der Rand des Schmelztiegels
entstanden intermetallische Aluminid-Schichten, und es
wurden Nitridpartikel im Aluminium beobachtet.
Eine Probe aus einer Legierung von Cb-30% Ti-20% W mit den
Abmessungen von 0,6 × 2,0 × 1,087″ wurde in einer Atmosphäre
von N₂, CO und H₂H bei 1870°C 45 min lang erhitzt. Ein
Draht mit einem Durchmesser von 0,098″ und einer Länge von
1″ der gleichen Partie wurde analysiert und zeigte die folgende
Änderung im Gehalt des Zwischenelementes als Ergebnis
der Behandlung:
Die Probe wurde danach in im wesentlichen reinem Stickstoff
bei 1870°C 3 h lang erhitzt, was zu einer Gesamtgewichtszunahme
der Zwischenelemente von 52 mg/cm² für die kombinierten
Behandlungen führte. Das Schnitt-Mikrofoto der Fig. 7
zeigt, daß eine relativ feinkörnige, tief abgestufte
Mikrostruktur entstanden ist, im Gegensatz zu dem beispielsweise
in Fig. 3 gezeigten Material, das nur nitriert
worden war.
Proben einer Cb-30% Ti-20% W-Legierung, die einer Oxykarburierungsbehandlung
unterzogen worden waren, wie in Beispiel
1 beschrieben, oder einer Oxykarbonitrierungsbehandlung
unterzogen worden waren, wie in Beispiel 4 beschrieben,
wurden boronisiert. Dies wurde durchgeführt, indem man die
Proben in Borcarbidpulver packte und danach die Packung 4 h
lang auf 1260°C erhitzte. Diese Behandlung führte zu einer
glatten, an Bor reichen Oberflächenschicht in beiden Arten
der vorbehandelten Proben, die etwa 3 µm dick war und eine
Mikrohärte von etwa 3800 DPN besaß, wie direkt auf der
Oberfläche unter Verwendung eines Diamantpyramiden-Indentors
mit einer Belastung von 100 g gemessen wurde.
Eine Probe der im Handel erhältlichen Legierung C103, die
aus Cb-10 Hf-1 Ti bestand, wurde in einer Atmosphäre von
50% N₂-50% Co bei 1870°C 4 h lang erhitzt. Eine
metallographische Überprüfung der reagierten Probe ergab,
daß diese eine relativ feinkörnige, abgestufte Mikrostruktur
aufwies. Mikrohärte-Messungen bestätigten die graduelle
kontinuierliche Änderung der Härte in Abhängigkeit von der
Entfernung von der Oberfläche. Darüber hinaus wurde festgestellt,
daß dieses Material eine viel größere Härte und
eine weit größere Härtungstiefe besaß als das Material des
Standes der Technik, das nur in Stickstoff allein reagiert
hatte. Die vergleichbaren Härtegradienten sind nachfolgend
aufgeführt:
Die ausgezeichneten Verschleiß- und Korrosionswiderstandseigenschaften
der oxykarburierten und oxykarbonitrierten
abgestuften Materialien können zusammen mit ihren anderen
nützlichen Eigenschaften in wirksamer Weise für eine große
Vielzahl von Produkten und Anwendungsfällen eingesetzt
werden. Hierzu zählen: Schmelztiegel, Schmelzlöffel, Stempel
und andere Teile zum Schmelzen und zur Handhabung von geschmolzenen
Metallen, Pumpenteile, mechanische Dichtungen
einschließlich Drehdichtungen, Lager und Buchsen, Ventilschieber
und andere Ventilteile, Messer, Flügel, Kratzer,
Schneidmaschinen, Mundstücke für Extruder, Ziehvorrichtungen
und andere Formmaschinen, Formwerkzeuge, Nadeln, Elektroden
einschließlich EDM (Bearbeitung mit elektrischer Entladung)-
Elektroden, Spinndüsen, Panzer, Geschützrohre, Laufräder,
Ventilatorflügel, Schleifmaschinen (Gewinde, Draht etc.),
Schleifmedien, Mahlhämmer und Walzen, Winden, Rührwerkschaufeln,
Zylinderauskleidungen, Spikes, Motorbestandteile,
Bremsscheiben, Siebe, Förderschnecken, Kettenräder,
Ketten, spezielle elektrische Kontakte, Schutzrohre,
Einpunkt-spanabhebende Werkzeuge, Mehrpunkt-spanabhebende
Werkzeuge einschließlich Entgratungsmaschinen, Feilen, Plattenfräsapparaten
und Sägen, Bohrer, Gewindebohrer, Stanzen und
eine Vielzahl von Teilen, die in korrosiven und abrasiven
Umgebungen bei der Papierherstellung, chemischen und petrochemischen
Industrie und der Öl- und Gasexploration sowie
den entsprechenden Bohrvorgängen verwendet werden.
Claims (16)
1. Abgestuftes Mehrphasensystem, gekennzeichnet
durch eine Basis aus einer
hochschmelzenden Metallegierung, die einen Hauptmetallbestandteil
aufweist, der aus der Gruppe aufweist, der aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus den Metallen der Gruppe V B
(Columbium, Tantal und Vanadium) des Periodensystems
besteht, und mindestens ein Legierungsmetall besitzt,
das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus den
Metallen der Gruppe IV B (Titan, Zirkon und Hafnium)
des Periodensystems, Metallen der Gruppe VI B (Molybdän,
Wolfram und Chrom) des Periodensystems und
Mischungen davon besteht, wobei die Basis
eine Oberfläche aufweist, die aufgenommene nicht
metallische Substanzen in Phasen enthält, die zusammen
mit der hochschmelzenden Metallegierung vorhanden sind
und in Konzentrationen von mindestens 1 mg/cm² an der
Oberfläche vorliegen, wobei die Konzentration von der
Oberfläche nach innen abnimmt und wobei diese aufgenommenen
nicht metallischen Substanzen aus der Gruppe
ausgewählt sind, die im wesentlichen besteht aus:
Sauerstoff und Kohlenstoff; Sauerstoff, Kohlenstoff
und Stickstoff; Sauerstoff, Kohlenstoff und Bor; und
Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Bor.
2. Materialsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberflächenkonzentration
über 18 mg/cm² liegt.
3. Materialsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberflächenkonzentration
in der Größenordnung von 50 mg/cm² liegt.
4. Materialsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß es
eine Oberflächenhärte von mindestens 1000 DPN und eine
abgestufte Reaktionstiefe von mindestens 0,0102 mm besitzt.
5. Materialsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß es eine Oberflächenhärte
von mindestens 2500 DPN aufweist.
6. Materialsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberfläche Bor in einer Konzentration enthält, die ausreicht,
der Oberfläche eine Härte von etwa 3800 DPN
zu verleihen, und daß die Borreaktionstiefe mindestens
0,001 mm beträgt.
7. Materialsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Borreaktionstiefe etwa
0,003 mm beträgt.
8. Oxykarburiertes Mehrphasenmaterial mit abgestufter
Oberflächenzusammensetzung, gekennzeichnet durch
eine Aufnahme-Phase von Sauerstoff und
Kohlenstoff von mindestens 1 mg/cm² Oberflächenbereich
und ausgezeichnete Verschleiß- und Korrosionswiderstandseigenschaften
in einer Basis, die im wesentlichen
aus einer Phase einer hochschmelzenden Metallegierung
besteht, bei der ein Metall der Gruppe V B des Periodensystems,
das aus Columbium, Tantal und Vanadium ausgewählt
ist, den Hauptbestandteil darstellt und die
ein Legierungsmetall enthält, das aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus Metallen der Gruppe IV B (Titan,
Zirkon und Hafnium) des Periodensystems, Metallen der
Gruppe VI B (Molybdän, Wolfram und Chrom) des Periodensystems
und Mischungen von mindestens einem Metall der
Gruppe IV B und mindestens einem Metall der Gruppe
VI B besteht.
9. Material nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß seine Oberflächenmikrohärte mindestens
1000 DPN und die Reaktionstiefe, bis zu der
eine derartige Härte besteht, mindestens 0,0102 mm beträgt.
10. Material nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kohlenstoffgehalt
den Sauerstoffgehalt in der Reaktionstiefe übersteigt.
11. Material nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sauerstoffgehalt
den Kohlenstoffgehalt in der Reaktionstiefe übersteigt.
12. Material nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß es des
weiteren eine an Bor reiche Oberflächenschicht mit
einer Tiefe von mindestens 1 µm und einer Mikrohärte
von etwa 3800 DPN in der Oberflächenschicht aufweist.
13. Oxykarbonitriertes Mehrphasenmaterial mit abgestufter
Oberflächenzusammensetzung, gekennzeichnet
durch eine aufgenommene Phase aus Sauerstoff,
Kohlenstoff und Stickstoff von mindestens 1 mg/cm²
Oberflächenbereich und ausgezeichnete Verschleiß- und
Korrosionswiderstandseigenschaften in einer Basis, die
im wesentlichen aus einer Phase einer hochschmelzenden
Metallegierung besteht, bei der ein Metall der Gruppe
V B des Periodensystems, ausgewählt aus Columbium, Tantal
und Vanadium, den Hauptmetallbestandteil bildet und
die ein Legierungsmetall aufweist, das aus der Gruppe
ausgewählt ist, die aus Metallen der Gruppe IV B
(Titan, Zirkon und Hafnium) des Periodensystems, Metallen
der Gruppe VI B (Molybdän, Wolfram und Chrom) des
Periodensystems und Mischungen von mindestens einem
Metall der Gruppe IV B und mindestens einem Metall
der Gruppe VI B besteht.
14. Material nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß seine Oberflächenmikrohärte
mindestens 1000 DPN beträgt und daß die Reaktionstiefe,
bis zu der eine solche Härte besteht,
mindestens 0,0102 mm beträgt.
15. Material nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet,
daß ein aus Sauerstoff,
Kohlenstoff und Stickstoff ausgewähltes Element unter
diesen ausgewählten Elementen in der Reaktionstiefe
entweder die höchste oder eine mittlere Konzentration
besitzt.
16. Material nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß es des weiteren
eine an Bor reiche Oberflächenschicht einer Tiefe
von mindestens etwa 1 µm und einer Mikrohärte von etwa
3800 DPN in der Oberflächenschicht aufweist.
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USRE34173E (en) * | 1988-10-11 | 1993-02-02 | Midwest Research Technologies, Inc. | Multi-layer wear resistant coatings |
US4904542A (en) * | 1988-10-11 | 1990-02-27 | Midwest Research Technologies, Inc. | Multi-layer wear resistant coatings |
DE69216218T2 (de) * | 1991-10-14 | 1997-06-19 | Commissariat Energie Atomique | Erosionsbeständiges und abrasionsbeständiges Mehrschichtenmaterial |
US5702829A (en) * | 1991-10-14 | 1997-12-30 | Commissariat A L'energie Atomique | Multilayer material, anti-erosion and anti-abrasion coating incorporating said multilayer material |
AT401778B (de) * | 1994-08-01 | 1996-11-25 | Plansee Ag | Verwendung von molybdän-legierungen |
JP3560157B2 (ja) * | 2001-06-18 | 2004-09-02 | 株式会社椿本チエイン | 直噴型エンジン用タイミング伝動スプロケット |
US20040112476A1 (en) * | 2001-07-09 | 2004-06-17 | Geoffrey Dearnaley | Life extension of chromium coatings and chromium alloys |
RU2215071C1 (ru) * | 2002-05-18 | 2003-10-27 | Открытое акционерное общество "Чепецкий механический завод" | Фильера для формования химических нитей и волокон из растворов |
DE10245516B4 (de) * | 2002-09-27 | 2004-09-30 | W. C. Heraeus Gmbh & Co. Kg | Legierung zur Verwendung für Stents |
US20070276488A1 (en) * | 2003-02-10 | 2007-11-29 | Jurgen Wachter | Medical implant or device |
ATE343403T1 (de) * | 2003-02-10 | 2006-11-15 | Heraeus Gmbh W C | Verbesserte metalllegierung für medizinische geräte und implantate |
US20080038146A1 (en) * | 2003-02-10 | 2008-02-14 | Jurgen Wachter | Metal alloy for medical devices and implants |
US8689671B2 (en) | 2006-09-29 | 2014-04-08 | Federal-Mogul World Wide, Inc. | Lightweight armor and methods of making |
CN102560175B (zh) * | 2011-12-28 | 2014-09-03 | 成都易态科技有限公司 | 金属多孔材料的孔径调节方法及金属多孔材料的孔结构 |
WO2015073098A2 (en) * | 2013-08-27 | 2015-05-21 | University Of Virginia Patent Foundation | Three-dimensional space frames assembled from component pieces and methods for making the same |
US9546837B1 (en) | 2015-10-09 | 2017-01-17 | Bh5773 Ltd | Advanced gun barrel |
EP3878999A1 (de) * | 2016-06-02 | 2021-09-15 | Danmarks Tekniske Universitet | Verfahren zur oxidation von titan |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3713907A (en) * | 1970-12-18 | 1973-01-30 | Surface Technology Corp | Graded multiphase materials |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
NL149544B (nl) * | 1967-09-05 | 1976-05-17 | Surface Technology Corp | Gereedschap voor snijdende, verspanende, vergruizende en/of met stootkrachten gepaard gaande deformerende bewerkingen. |
SE363515B (de) * | 1967-09-05 | 1974-01-21 | Surface Technology Corp | |
US3783038A (en) * | 1968-08-27 | 1974-01-01 | Surface Technology Corp | Nitrided-oxidized boronized articles |
US3830670A (en) * | 1970-12-18 | 1974-08-20 | Surface Technology Corp | Graded multiphase carburized materials |
US4150195A (en) * | 1976-06-18 | 1979-04-17 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Surface-coated cemented carbide article and a process for the production thereof |
US4399168A (en) * | 1980-01-21 | 1983-08-16 | Santrade Ltd. | Method of preparing coated cemented carbide product |
US4357382A (en) * | 1980-11-06 | 1982-11-02 | Fansteel Inc. | Coated cemented carbide bodies |
US4490191A (en) * | 1981-12-16 | 1984-12-25 | General Electric Company | Coated product and process |
SE442305B (sv) * | 1984-06-27 | 1985-12-16 | Santrade Ltd | Forfarande for kemisk gasutfellning (cvd) for framstellning av en diamantbelagd sammansatt kropp samt anvendning av kroppen |
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Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3713907A (en) * | 1970-12-18 | 1973-01-30 | Surface Technology Corp | Graded multiphase materials |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
DE-Z.: Metall, 35. Jg., Juli 1981, S. 553-558 * |
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---|---|
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GB2210060B (en) | 1991-01-30 |
FR2620734A1 (fr) | 1989-03-24 |
GB8821924D0 (en) | 1988-10-19 |
US4799977A (en) | 1989-01-24 |
GB2210060A (en) | 1989-06-01 |
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