DE4332912C1

DE4332912C1 - Thermochemisches Verfahren zur induktiven Randschichtbehandlung von Bauteilen aus Titan oder Titanlegierungen in stickstoffhaltigen Atmosphären

Info

Publication number: DE4332912C1
Application number: DE19934332912
Authority: DE
Inventors: Johann Grosch; Mario Saeglitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-09-23
Filing date: 1993-09-23
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2013-09-24

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Verwendung von Titan oder Titanlegierungen wird infolge des unbefriedigenden Verschleißverhaltens eingeschränkt. Es ist bekannt, daß Abhilfe durch eine Randschichtwärmebehand lung geschaffen werden kann, wobei jedoch die gemäß dem ge genwärtigen Stand der Technik zur Verfügung stehenden ver fahrenstechnischen Möglichkeiten spezifische Nachteile auf weisen.

Bekannte Verfahren lassen sich unterteilen in Randschicht behandlungen

a) mit durchgreifender Erwärmung des gesamten Werkstückes und solche mit
b) partieller Erwärmung nur des Randbereiches.

Zu a) zählen Verfahren, wie Gasnitrieren, Einsatzhärten in Salz bädern und Plasmanitrieren (1-3). Ein neueres Verfahren stellt das Hochdrucknitrieren dar, bei dem die Werkstücke bei 600- 900°C in einer unter hohem Druck (50-100 bar) stehenden Stickstoff- oder Ammoniak-Atmosphäre geglüht werden (4).

Allen Verfahren ist die an der Oberfläche entstehende harte Randschicht gemeinsam. Typisch für diese Verfahrensgruppe ist ferner die in der Regel lange Behandlungsdauer, die z. B. beim häufig angewendeten Plasmanitrieren 14 Stunden betragen kann (3).

Die unter b) einzuordnenden Verfahren zeichnen sich durch die Notwendigkeit hochenergetischer Wärmequellen aus, wobei zur Zeit insbesondere der Laserstrahl, aber auch der Elek tronenstrahl zur Anwendung kommen (5-12). In der Regel wird hierbei partiell der Werkstück-Randbereich auf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes erwärmt; der Schmelze werden dann lösliche oder unlösliche Zusatzstoffe in fester oder gasförmiger Gestalt beigemengt, um die Randzone chemisch aufzuwerten (Randschichtumschmelzlegieren; Legieren mit Bor, Silizium, Graphit und Stickstoff (6, 8, 13) und Dis pergieren mit TiC und WC oder anderen Hartstoffen (10, 14, 15)).

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und wirksames Verfahren zum thermochemischen Härten von Werkstücken aus Titan oder Ti tanlegierungen anzugeben, welches

- eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes bewirkt,
- gegenüber bekannten Verfahren eine erheblich verkürzte Behandlungsdauer aufweist und
- insbesondere die beim Randschichtumschmelzlegieren ent stehenden Nachteile, wie Rißbildung in der Randschicht (6) und notwendige Nachbearbeitung, vermeidet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren entsprechend der kennzeichnenden Merkmale des Patentan spruches 1 gelöst.

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteil hafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Behandlungs kammer gemäß der Erfindung.

Durch das Verfahren gemäß der Erfindung entstehen bereits innerhalb einer kurzen Behandlungsdauer verschleißfeste Randschichten, deren Dicken im allgemeinen zwischen 21 und 55 µm betragen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung wird reiner Stickstoff als gasförmiger Legie rungsstoff verwendet. Zu Beginn der Behandlung wird die das Werkstück beinhaltende Kammer mechanisch evakuiert und an schließend der gewünschte Stickstoff-Gasdruck - in der Re gel etwa 2300 hPa (Absolutdruck) - aufgebaut. Anschließend erfolgt die induktive Erwärmung des Werkstück- Randbereiches auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunk tes, vorzugsweise auf Werte zwischen 900 und 1600°C. Als Folge des Skineffektes und einer gekühlten Werkstück-Auf lage entsteht ein Temperaturgradient zwischen Ober- und Un terseite des Werkstückes, wodurch die thermische Beeinflus sung des Grundwerkstoffes eingeschränkt wird. Unter der Voraussetzung einer vergleichbaren Beeinflussung des Grund werkstoffes können mit beschriebenem Verfahren somit höhere Oberflächentemperaturen gewählt werden als bei bekannten Verfahren mit durchgreifender Erwärmung.

Sowohl die höheren Behandlungstemperaturen als auch eine ausschließlich auf die Wirkung der Induktion zurückzufüh rende Komponente beschleunigen den Randschichtaufbau, so daß die gewünschte Randschichtdicke - je nach Randtempera tur - bereits innerhalb einer Behandlungsdauer von 30 Se kunden bis 30 Minuten reproduzierbar eingestellt wird. Die an die Oberfläche grenzende Verbindungsschicht aus Titanni trid erreicht dabei eine Dicke von maximal etwa 20 µm und eine maximale Härte größer 2000 HV 0,02.

(Anmerkung: Die oben erwähnte beschleunigende Wirkung der Induktion hinsichtlich des Randschichtaufbaus wurde repro duzierbar anhand von Versuchen nachgewiesen, in denen bei sonst unveränderten Parametern nur die Erwärmungsart vari iert wurde.)

Die Randschichtwärmebehandlung erfolgt automatisiert; hierzu wird während der Behandlung die Oberflächentempera tur in bekannter Weise pyrometrisch gemessen und mit Hilfe einer HF-Leistungsregelung auf einem zuvor eingestellten, konstanten Niveau gehalten. Eine diesem Regelungsvorgang übergeordnete Software-Regelung gestattet eine Werkstück- Vorschubbewegung entsprechend einer zuvor festgelegten Strategie, so daß auch im Vergleich zu den Induktorabmes sungen größere Flächen behandelt werden können.

Nach der Randschichtbehandlung erfordert die trotz gering fügiger Erhöhung der Rauhigkeit noch als gut zu bezeich nende Oberflächenbeschaffenheit allenfalls eine geringfü gige Nacharbeit der Werkstücke.

Die in die Patentansprüche einbezogene Behandlungskammer (Fig. 1 und 2) beinhaltet einen auf einer Linear-Vorschub einheit (1) angeordneten, höhenverstellbaren Werkstücktisch (2). Die Werkstück-Auflageplatte des Tisches besteht aus einem Aluminium-Strangpreßprofil (3), dessen innenliegende, längsangeordnete Hohlräume mit Kühlwasser kontinuierlich durchflutet werden (siehe auch Fig. 3). An die seitlich be findlichen Stirnflächen wurden bearbeitete Stahl-Adapter (4) geklebt. Diese enthalten geeignete Bohrungen, um das jeweils aus dem Aluminium-Strangpreßprofil austretende Kühlwasser um 360° umzulenken und es dem Profil in einem benachbarten Längskanal wieder zuzuführen. Auch die für den Anschluß der Schläuche (Zu- und Ablauf) notwendigen An schlußstücke (5) wurden an eine seitliche Stirnfläche des Flachprofiles geklebt. Die angeschlossenen Schläuche (6) verbinden dann die Probenauflage mit der nächstliegenden Kammer-Seitenwand, wofür in zwei Bohrungen der Seitenwand entsprechende Schlauch-Anschlußstücke geschraubt wurden. Die Schläuche in der Kammer sind derart angeordnet, daß ei ne Relativbewegung zwischen Probenauflage und Kammerwandung möglich ist.

Der aus Kupferrohr gebogene Induktor (7) ist wassergekühlt und in der bevorzugten Ausführungsform spiralförmig als Flachspulen-Induktor (pancake-Bauart) ausgebildet; die zu- und abführende Elektrode dürfen dabei das Zentrum des be schriebenen Induktors nicht überdecken, da sich in der Mitte der Induktor-Spirale ein konstruktiv bedingtes Loch befindet, durch welches das von der Werkstückoberfläche während der Behandlung abgestrahlte Licht hindurchtreten muß. Dieses Licht wird für die pyrometrische Temperaturmes sung genutzt, um die vorab eingestellte Werkstück-Tempera tur im Rahmen einer Leistungsanpassung des HF-Generators konstant zu halten. Die Induktordurchführung auf der Ober seite der Kammer (8) besteht aus wärmebeständigem Glas, welches zwei Bohrungen für die Induktor-Elektroden enthält; der jeweilige Spalt zwischen Elektrode und Bohrungswandung wird mit einem Silikon-Klebstoff zwecks Gasdichtheit ge schlossen. Die für das Pyrometer bestimmten Lichtstrahlen durchdringen das Glas und gelangen somit außerhalb der Kam mer. Dort wird das Licht in der bevorzugten Versuchsanord nung an einem Spiegel um 90° umgelenkt und gelangt an schließend in die Optik des Pyrometers.

Eine zusätzliche Temperaturmessung - allerdings mit einem Thermoelement - kann an der Werkstück-Unterseite durchge führt werden; hierzu ist eine ortsfeste Thermoelementhalte rung (9) am Gehäuse der Vorschubeinheit (10) angeschraubt. Das hieran befestigte Thermoelement (11) wird in der bevor zugten Ausführungsform mittels einer Feder an die Werk stück-Unterseite gedrückt. Für den hierfür notwendigen Zu gang des Thermoelementes zum Werkstück dient eine in Vor schubrichtung eingebrachte Langlochbohrung im Aluminium- Strangpreßprofil (3). Der für das Langloch verwendete Be reich kann demzufolge nicht für die oben beschriebene Was serkühlung genutzt werden.

Der zur automatisierten Werkstück-Vorschubbewegung notwen dige Schrittmotor (12) ist seitlich an die Kammer ange flanscht; die Motorwelle gelangt über eine Vakuumdurchfüh rung (O-Ring-Dichtung) in die Kammer. Die maximal zurück legbare Wegstrecke wird über außerhalb der Kammer angeord nete elektrische Endschalter begrenzt, wobei die Länge der Wegstrecke mit Hilfe einer verschiebbaren Schaltstange (13) variiert werden kann.

Die ca. 20 mm dicken Kammerwandungen bestehen aus Gründen der Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und des Leichtbaus aus einer Aluminiumlegierung. Sie sind miteinan der verschraubt, wobei auf die Fügeflächen zuvor eine Sili kon-Dichtmasse aufgetragen wurde. Eine Ausnahme bildet die vordere Kammerwandung; diese Platte wurde aus Gründen der Wartungsfreundlichkeit ohne Silikon-Dichtmasse ange schraubt; als Dichtung dient hier eine entsprechend den vorhandenen Fügeflächen-Abmessungen geschnittene Flachdich tung.

Die Kammerwandungen enthalten Öffnungen für
Fenster,
Schrittmotorwelle,
Schaltstange,
Kühlwasserschlauch-Anschlußstücke,
Schlauchstutzen für die Gaszu-/-ableitung und für den Vakuumpumpen- Anschlußstutzen.

Die seitlich, vorne und oben angeordneten Fenster (8; 14) bestehen jeweils aus einer Scheibe aus wärmebeständigem Glas, geklemmt zwischen zwei als Fensterrahmen dienende Aluminiumringe. Die komplette Fenstereinheit wird an die Kammerwandung angeschraubt, wobei die Gasdichtheit durch eine geeignete Anordnung von O-Ringen erreicht wird. Das obere Fenster (8) dient als Induktordurchführung.

Ausführungsbeispiel

Es wurde ein Werkstück aus der Titanlegierung TiAl6V4 mit den Abmessungen 90×40×12,7 mm entsprechend dem in An spruch 1 angegebenen Verfahren bei einer Temperatur von 1600°C behandelt. Der Induktor hatte einen Durchmesser von ca. 30 mm, so daß die Werkstückoberfläche in mehreren auf einanderfolgenden Intervallen automatisiert erwärmt wurde. Als Behandlungsgas wurde reiner Stickstoff mit einem Druck von 2300 hPa (absolut) verwendet. Die Behandlungsdauer für den gesamten Vorgang betrug ca. 22 Minuten.

Während der Behandlung ist eine Randschicht entstanden, die wie folgt aufgebaut ist (Fig. 4):

- im Bereich der Oberfläche befindet sich eine bis zu ca. 20 µm dicke Verbindungsschicht aus Titannitrid,
- darunter schließt eine mehrphasige Zwischenschicht an, die durch einen erhöhten Aluminiumgehalt gekennzeichnet ist und
- hierunter erstreckt sich eine Diffusionszone über 30 bis 35 µm, die aus stickstoffstabilisiertem α-Titan besteht.

Gegenüber dem Ausgangszustand konnte eine wesentliche Stei gerung der Randhärte festgestellt werden. Die gemessenen Werte betragen maximal etwa 2200 HV 0,02. Eine charakteri stische Randhärteverlaufskurve ist in Fig. 5 dargestellt.

Das Verschleißverhalten bei abrasiver Beanspruchung (Gegenkörper: Siliziumcarbid) wurde auf einem Stift- Scheibe-Tribometer untersucht. Es stellte sich heraus, daß der Verschleißwiderstand der bei 1600°C behandelten Proben um das 70fache über dem des unbehandelten Zustandes lag (Fig. 6).

Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht zu zie hende Druckschriften:

1) Zwicker, U.:
Titan und Titanlegierungen, Band 21, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1974

2) Eysell, F.W.:
Über das TIDURAN-Verfahren zur Behandlung von Titan und Titanlegierungen. Draht 31 (1980) 5, S. 346-348

3) Rie, K.-T.; Lampe, T.; Eisenberg, S.:
Plasma Heat Treatment of Titanium Alloy Ti-6Al-4V:
Effect of Gas Composition and Temperature. Surface Engeneering, 1 (1985) 3, S. 198-202

4) Preißer, F.; Minarski, P.; Mayr, P.; Hoffmann, F.:
Hochdrucknitrieren von Titanwerkstoffen. HTM 46 (1991) 6, S. 361-366

5) Bell, T.; Sohi, M.H.; Betz, J.R.; Bloyce, A.:
Energy beams in second generation surface engeneering of aluminium and titanium alloys. Scandinavian Journal of Metallurgy, Vol. 19, 1990, S. 218-226

6) Bergmann, H.W.:
Thermochem. Behandlung von Titan und Titanlegierungen durch Laserumschmelzen und Gaslegieren. Z. Werk stofftechnik (1985) 16, S. 392-405

7) Golubev, V.S.; Klindyuk, A.P.; Vaganov, V.V.:
Raising the Wear Resistance of Titanium Alloys by Laser Treatment. Vest Akad. Navuk BSSR, Fiz.-Tekh., 1991

8) Bushik, S.V. et al.:
Laser alloying of Titanium Alloys with Boron and TiB (Abstract). J. Phys. (France) IV, Dez. 1991, 1, (7), S. 138 ff

9) Coquerelle, G.; Collin, M.; Fachinetti, J.L.:
Laser cladding and alloying, Etablissement Technique Central de l′Armement (ETCA), France, S. 197-205

10) Ayers, J.D.; Bolster, R.N.:
Abrasive Wear with fine Diamond Particles of Carbide containing Aluminium and Titanium Alloy surfaces. Wear 93 (1984), S. 193-205

11) Zenker, R.; Frenkler, N.; John, W.; Günther, U.:
Flüssigphasen-Randschichtbehandlung mit dem Elektronenstrahl. HTM 47 (1992) 3, S. 153-159

12) Walker, A.; Folkes, J.; Steen, W.M.; West, D.R.F.:
Laser Surface Alloying of titanium substrates with carbon and nitrogen. Surface Engeneering 1 (1985) 1, 1985, S. 23-29

13) Mordike, B.L.:
State of the art of surface engeneering with High Energy beams. Surface Engeneering with High Energy Beams - Science and Technology, Proceedings of the 2nd IFHT Seminar, Lisbon, Portugal, September 1989, Hrsg.: CEMUL, S. 13-26

14) Ayers, J.D.; Tucker, T.R.; Bowers, R.C.:
A reduction in the coefficient offriction for Ti-6Al-4V. Scripta Metallurgica 14 (1980), S. 549-550

15) DE 27 25 541 A1

Claims

1. Verfahren zur thermochemischen Randschichtbehandlung von Bauteilen aus Titan oder Titanlegierungen, dadurch gekenn zeichnet, daß die Bauteile in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre induktiv auf Temperaturen zwischen 900°C und der Schmelztemperatur erwärmt werden und dadurch Gefüge mit gradierten Eigenschaften erzeugt werden, deren Här teverlaufskurven und Oberflächeneigenschaften insbeson dere den Verschleißwiderstand der Bauteile erhöhen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile partiell erwärmt werden.

3. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltedauer auf Behandlungs temperatur zwischen 30 Sekunden und 30 Minuten gewählt wird.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre aus reinem Stick stoff besteht.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre aus einem stick stoffhaltigen Einzelgas besteht.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre aus einem stick stoffhaltigen Gasgemisch besteht.

7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre unter Normal druck steht.

8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre unter Über druck steht.

9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre unter Unter druck steht.

10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur über die vom Induktor übertragende Leistung geregelt wird.

11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgradient senk recht zur Bauteiloberfläche durch die Oberflächentempe ratur und die Haltedauer geregelt wird.

12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgradient senk recht zur Bauteiloberfläche durch Kühlung der dem Induk tor abgewandten Fläche des Bauteiles geregelt wird.

13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturverlauf paral lel zur Bauteiloberfläche durch leistungsgeregelte Rela tivbewegung zwischen Bauteil und Induktor eingestellt wird.