DE4423817A1 - Verfahren zur Oberflächenveredelung rostfreien Stahls - Google Patents
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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.
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.
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.
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.
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.
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 (28)
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.
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