DE4423817A1

DE4423817A1 - Verfahren zur Oberflächenveredelung rostfreien Stahls

Info

Publication number: DE4423817A1
Application number: DE4423817A
Authority: DE
Inventors: Wen-Ta Tsai; Ju-Tung Lee; Tai-Hwang Lai
Original assignee: National Science Council
Current assignee: National Science Council
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1994-07-06
Publication date: 1996-01-11
Also published as: US5411770A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenverede lung rostfreien Stahls, spezieller ein Verfahren zur Ober flächenveredelung rostfreien Stahls unter Verwendung einer Laserbehandlung zum Verbessern der Oberflächenhärte.

Rostfreier Stahl ist als Legierung wohlbekannt, die in gro ßem Umfang verwendet wird, wenn Korrosion zu vermeiden ist. Jedoch ist dieses Material wegen seiner beschränkten Härte nicht standfest, was seinen Gebrauch einschränkt. Wenn rost freier Stahl mit verschleißbeständigen Materialien großer Härte beschichtet wird oder so behandelt wird, daß seine Oberflächenhärte zunimmt, wird es für Anwendungen geeigne ter, die Standfestigkeit erfordern.

Zu herkömmlichen Oberflächenhärtverfahren gehört Nitrieren durch Gas usw. Diese Verfahren haben einige gemeinsame Nach teile. Z.B. ist die gehärtete Schicht zu dünn und die Härte nimmt schnell in Tiefenrichtung ab. Daher wird dauernd nach Oberflächenhärtverfahren für rostfreien Stahl gesucht, die zu einer dickeren gehärteten Schicht und gleichmäßiger Här te der gehärteten Schicht führen.

Zu Oberflächenhärtverfahren, wie sie derzeit allgemein ver wendet werden, um dickere gehärtete Schichten mit gleich mäßiger Härte zu erhalten, gehören Ionennitrieren und Plas manitrieren. Diese Verfahren müssen jedoch im Vakuum ausge führt werden und sie verbrauchen Zeit und Energie. Daher wird nach einfachen, schnellen, energiesparenden und nicht umweltverschmutzenden Oberflächenhärtverfahren gesucht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erhöhen der Oberflächenhärte rostfreien Stahls zu schaffen, um dessen Verschleißbeständigkeit zu erhöhen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Lehre des bei gefügten Anspruchs 1 gegeben. Dieses Verfahren nutzt die Er kenntnis, daß dann, wenn rostfreier Stahl mehr Silicium ent hält, seine Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur er höht ist und auch seine Beständigkeit gegen örtliche Korro sion, wie Lochfraß, verbessert ist. Demgemäß ist das Ausbil den einer siliciumreichen Oberflächenlegierungsschicht auf rostfreiem Stahl ein wirtschaftlicher Weg zum Verbessern dessen Beständigkeit gegen Verschleiß und Korrosion, während seine Festigkeit und Verformbarkeit beibehalten bleiben.

Die Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschrei bung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deut licher zu verstehen sein, wobei die Beschreibung und die Zeichnungen nur zur Veranschaulichung dienen und demgemäß für die Erfindung nicht beschränkend sind. Die Figuren zei gen folgendes:

Fig. 1 zeigt, wie sich die Vickershärte abhängig vom Sili ciumgehalt in einer Oberflächenlegierungsschicht ändert;

Fig. 2 zeigt die Mikrostruktur des Querschnitts einer Ober flächenlegierungsschicht bei einem zweiten Ausführungsbei spiel der Erfindung; und

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Härte und der Tiefe unter Oberflächenlegierungsschichten, die gemäß der Erfin dung bzw. gemäß herkömmlichen Nitrierverfahren behandelt wurden.

Das erfindungsgemäße Oberflächenhärtverfahren kann kurz wie folgt beschrieben werden. Zunächst wird die Oberfläche eines Werkstücks aus rostfreiem Stahl durch mechanische Maßnahmen (Schleifen oder Sandstrahlen) gereinigt. Dann wird die Ober fläche des rostfreien Stahls mit 0,01 bis 1 mm Siliciumni tridgel beschichtet, das durch Polyethylenglycol solvati siert wurde. Nach dem Entwässern bei 40 bis 100°C wird die Oberfläche durch einen CO₂-Laserstrahl mit einer Leistungs dichte von 50 bis 500 kW/cm² abgerastert und geschmolzen. Das Siliciumnitridgel reagiert mit dem rostfreien Stahl, um eine gehärtete Oberflächenlegierungsschicht zu bilden. Schließlich wird das Werkstück erneut in Wasser durch eine Ultraschalleinrichtung gereinigt.

Die Hauptaufgabe des Schleif- oder Sandstrahlvorgangs ist es, Verunreinigungen oder Oxide an der Oberfläche zu entfer nen, um zu verhindern, daß Verunreinigungen die Oberflächen legierungsschicht verfälschen. Gleichzeitig ist die Oberflä chenrauhigkeit nach diesem Ablauf erhöht, was das Anhaften des Siliciumnitridgels erleichtert. Zum Schleifen ist Sili ciumcarbonat-Sandpapier #180 bis #600 geeignet. Beim Sand strahlen kann Quarzsand oder ein anderer Mineralsand verwen det werden.

Das Siliciumnitridgel zersetzt sich bei hoher Temperatur, wenn es von einem CO₂-Laserstrahl abgerastert wird, in Sili cium und Stickstoff. Silicium geht in der Oberfläche des rostfreien Stahls in Lösung. Polyethylenglycol wirkt bei diesem Prozeß als Träger für das Siliciumnitrid. Daher er höht sich der Siliciumgehalt in der Oberfläche des rostfrei en Stahls, was zu verbesserter Härte und Standfestigkeit dieser Oberfläche führt.

Darüber hinaus können durch Verändern der Konzentration des Siliciumnitrids und der Dicke des Siliciumnitridgels die Dicke und der Siliciumgehalt der Oberflächenlegierungs schicht eingestellt werden. Wenn der Siliciumgehalt zunimmt, nehmen die Beständigkeit gegen Korrosion und die Härte der Oberflächenlegierungsschicht zu. Die Ausgangsleistung des Lasers und die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laser strahl und dem Werkstück beeinflussen ebenfalls die sich er gebende Beständigkeit gegen Korrosion und die Härte der Oberflächenlegierungsschicht.

Nachfolgend werden die Ergebnisse verschiedener Beispiele für einen erfindungsgemäßen Oberflächenhärtprozeß im einzel nen erörtert.

Beispiel 1

Als zu behandelnde Substanz wurde der rostfreie Stahl AISI 316L behandelt. Die Dicke des Siliciumnitridgels be trug 0,3 mm. Die Ausgangsleistung des CO₂-Lasers betrug 200 W. Die Abrastergeschwindigkeit des Laserstrahls betrug 8,4 mm/sec. Der Abrasterbereich wurde jeweils mit 50% über lappt. Die Zusammensetzung der Oberflächenlegierungsschicht wurde spektrographisch analysiert, wie in Tabelle 1 aufge listet, wobei es sich ergab, daß Silicium mit 5,9 Gew.-% vorhanden war.

Tabelle 1

Analyse der Zusammensetzung der Oberflächenlegierungsschicht (Gew.-%)

Beispiel 2

Alle Parameter waren dieselben wie beim Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß die Dicke des Siliciumnitridgels 0,5 mm be trug und die Laserausgangsleistung des CO₂-Lasers 300 W war.
Die Zusammensetzung der Oberflächenlegierungsschicht wurde durch einen Spektrographen analysiert, wie in Tabelle 1 auf gelistet, wobei sich herausstellte, daß der Siliciumgehalt 9,0 Gew.-% war.

Beispiel 3

Die zu behandelnde Substanz war der rostfreie Stahl AISI 430. Die Ausgangsleistung des CO₂-Lasers betrug 400 W. Die Abrastergeschwindigkeit war 15,1 mm/sec. Der Laserstrahl wurde Zeile um Zeile durchgerastert. Die anderen Parameter waren dieselben wie beim Beispiel 1. Die Zusammensetzung der Oberflächenlegierungsschicht wurde durch einen Spektrogra phen analysiert, wie in Tabelle 1 aufgelistet, wobei sich herausstellte, daß der Siliciumgehalt 10,8 Gew.-% betrug.

Beispiel 4

Alle Parameter waren dieselben wie beim Beispiel 3, mit der Ausnahme, daß der abgerasterte Bereich mit 50% überlappt wurde. Die Zusammensetzung der Oberflächenlegierungsschicht wurde durch einen Spektrographen analysiert, wie in Tabelle 1 aufgelistet, wobei sich herausstellte, daß der Siliciumge halt 19,0 Gew.-% betrug.

In Fig. 1 ist dargestellt, daß die Vickershärte der Ober flächenlegierungsschicht von 300 Hv auf 1200 Hv ansteigt, wenn der Siliciumgehalt ansteigt.

Fig. 2 zeigt die Mikrostruktur in einem Schnitt der Oberflä chenlegierungsschicht. Es wird darauf hingewiesen, daß die Oberflächenlegierungsschicht gut an der Substanz haftet und ziemlich gleichmäßig ist. Die Dicke der Oberflächenlegie rungsschicht bleibt ziemlich unverändert.

In Fig. 3 ist ein Vergleich zwischen der Erfindung und her kömmlichen Ionennitrier- und Plasmanitrierverfahren veran schaulicht. Die Erfindung erzeugt eine dickere Oberflächen legierungsschicht (280 µm) als herkömmliche Verfahren (160 µm). Die Härte der gemäß der Erfindung hergestellten Oberflächenlegierungsschicht beträgt 1200 Hv von 20 bis 110 µm. In derselben Tiefe fällt die Härte beim Ionennitrie ren von 1250 Hv auf 300 Hv, beim Plasmanitrieren unter 460°C von 1250 Hv auf 300 Hv und beim Plasmanitrieren bei 380°C von 800 Hv auf 400 Hv. Es ist ersichtlich, daß die ge mäß der Erfindung hergestellte Oberflächenlegierungsschicht viel bessere mechanische Eigenschaften aufweist.

Ein anderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist seine Wirtschaftlichkeit. Da es nicht im Vakuum ausgeführt werden muß, ist es viel einfacher, zeitsparend, energiespa rend und nicht-umweltverschmutzend und es erfordert keine teure Vakuumanlage.

Es ist auch zu beachten, daß die Erfindung nicht nur auf rostfreie Stähle, wie bei den Beispielen verwendet, ange wandt werden kann, sondern auch auf rostfreie Stähle wie Austenite, Ferrite, Martensite oder zweiphasige rostfreie Stähle. Ferner kann der Abrasterprozeß auf einer umlaufen den, gekühlten, durch einen Computer numerisch gesteuerten X-Y-Bearbeitungsplatte in Nitridatmosphäre erfolgen. Die Ausgangsleistung des CO₂-Lasers kann zwischen 100 und 4000 W liegen. Die Leistungsdichte des Laserstrahls kann einen be liebigen Wert zwischen 50 und 5000 kW/cm² aufweisen. Die Ab rastergeschwindigkeit des Laserstrahls kann zwischen 0 und 100 mm/sec liegen. Der Laserstrahl kann Punkt für Punkt, Zeile für Zeile oder bereichsmäßig durchgerastert werden, wobei eine Überlappung beliebig zwischen 10 und 80% verwen det werden kann. Der Siliciumgehalt der Oberflächenlegie rungsschicht kann zwischen 1 und 19 Gew.-% liegen. Die Dicke der Oberflächenlegierungsschicht kann sich zwischen 10 und 1000 µm ändern. Die Härte der Oberflächenlegierungsschicht kann gleichmäßig sein. Die Vickershärte der Oberflächenle gierungsschicht kann zwischen 300 und 1200 Hv liegen.

Claims

1. Verfahren zum Veredeln der Oberfläche rostfreien Stahls, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Reinigen der Oberfläche durch mechanische Maßnahmen;
b) Auftragen eines Siliciumnitridgels auf die Oberfläche;
c) Trocknen der Oberfläche; und
d) Abrastern der Oberfläche mit einem CO₂-Laserstrahl.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rostfreie Stahl Austenitstahl ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rostfreie Stahl Ferritstahl ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rostfreie Stahl Martensitstahl ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rostfreie Stahl ein zweiphasiger rostfreier Stahl ist.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Schritt (a) ein Schleifen der Oberfläche umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (a) ein Schleifen der Oberfläche unter Verwen dung von Siliciumcarbonat-Sandpapier zwischen #180 und #600 umfaßt.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Schritt (a) das Sandstrahlen der Oberfläche umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (a) das Sandstrahlen der Oberfläche unter Ver wendung von Quarzsand umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (a) das Sandstrahlen der Oberfläche unter Ver wendung von Mineralsand umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (a) das Sandstrahlen der Oberfläche unter Ver wendung von Quarzsand und Mineralsand umfaßt.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Siliciumnitridgel durch Poly ethylenglycol solvatisiert wird.

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Dicke des Siliciumnitridgels zwischen 0,01 und 1 mm beträgt.

14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche im Schritt (c) bei 40 bis 100°C getrocknet wird.

15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Schritt (d) auf einer umlau fenden, gekühlten, durch einen Computer numerisch gesteuer ten X-Y-Arbeitsplatte ausgeführt wird.

16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Schritt (d) in Nitridatmosphä re ausgeführt wird.

17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Ausgangsleistung des CO₂-La sers 100 bis 4000 W beträgt.

18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte des CO₂-La serstrahls 50 bis 5000 kW/cm² beträgt.

19. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Durchrastergeschwindigkeit des CO₂-Laserstrahls 0 bis 100 mm/sec beträgt.

20. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche im Schritt (d) Punkt für Punkt durchgerastert wird.

21. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche im Schritt (d) Zeile für Zeile durchgerastert wird.

22. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche im Schritt (d) Bereich für Bereich durchgerastert wird.

23. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der abgerasterte Bereich der Ober fläche mit einer Überlappung von 10 bis 80% abgerastert wird.

24. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Siliciumgehalt der Oberfläche nach dem Schritt (d) 1 bis 19 Gew.-% beträgt.

25. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche eine Legierungs schicht mit einer Dicke von 10 bis 1000 µm bildet.

26. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Legierungsschicht gleichmäßige Härte aufweist.

27. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Legierungsschicht eine Vickershärte zwischen 300 und 1200 Hv aufweist.

28. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche nach dem Schritt (d) durch eine Ultraschalleinrichtung gereinigt wird.