DE3831933A1

DE3831933A1 - Abgestufte oxykarburierte und oxykarbonitrierte mehrphasen-materialsysteme

Info

Publication number: DE3831933A1
Application number: DE3831933A
Authority: DE
Inventors: John Jacob Rausch
Original assignee: Fansteel Inc
Current assignee: Fansteel Inc
Priority date: 1987-09-21
Filing date: 1988-09-20
Publication date: 1989-04-06
Also published as: US4799977A; GB2210060B; GB2210060A; FR2620734A1; JPH01152254A; GB8821924D0

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.

Ausführungsbeispiel 1

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.

Ausführungsbeispiel 2

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.

Ausführungsbeispiel 3

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.

Ausführungsbeispiel 4

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.

Ausführungsbeispiel 5

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.

Ausführungsbeispiel 6

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:

Mikrohärte DPN, 100 g Last

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

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.