DE60220639T2

DE60220639T2 - Metallisches diffusionsverfahren und verbesserter artikel so hergesellt

Info

Publication number: DE60220639T2
Application number: DE60220639T
Authority: DE
Inventors: M. Stanley Murphy MORROW; Donald E. Ten Mile SCHECHTER; Harley A. Harrison GRANT
Original assignee: BWXT Y 12 LLC
Current assignee: BWXT Y 12 LLC
Priority date: 2001-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2022-01-19
Also published as: KR100740271B1; US20020092587A1; US6554924B2; EP1352102A2; HK1069606A1; CN100359039C; CN1535325A; JP4058625B2; CA2433876A1; MXPA03006200A; DE60220639D1; WO2002064851A3; ATE364736T1; KR20030077573A; AU2002245282B2; EP1352102B1; JP2004523655A; WO2002064851A2

Description

ERKLÄRUNG ÜBER RECHTE DER REGIERUNG
Die US-Regierung hat Rechte an dieser Erfindung gemäß Vertrag Nr. DE-AC05-00OR22800 zwischen dem Energieministerium und BWXY Y-12, L.L.C.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Legierungen und insbesondere auf das Gebiet der Diffusionsmodifikation von Oberflächenbereichen, die mit Metallteilen gebildet sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Metallteile sind im Stand der Technik üblicherweise modifiziert worden, um herausragende Eigenschaften auf den Oberflächenbereichen davon bereitzustellen, während die internen Bereiche im Wesentlichen unbeeinflusst bleiben. Beispiele solcher Verfahren beinhalten Galvanisierung, wobei Metallteile mit Zink oder andren Legierungen beschichtet werden, um den Widerstand gegenüber Umwelteinflüssen zu erhöhen. Ein weiteres Beispiel solcher Verfahren nach dem Stand der Technik beinhaltet die Behandlung von Aluminium durch ein Eloxierverfahren, um eine dünne Oxidschicht zu bilden und um außerdem einen verbesserten Widerstand gegenüber Umwelteinflüssen bereitzustellen.
Fortschrittlichere Verfahren haben die Diffusion verschiedener metallischer Substanzen in die Oberfläche ausgeformter Metallteile beinhaltet. Herkömmlicherweise wurde dies in erhitzten Umgebungen unter Verwendung verschiedener Heizelemente durchgeführt, wobei die gesamten Umgebungen auf eine Temperatur erhitzt werden, die ausreicht, um die Diffusion von Metallen in ausgeformte Metallteile zu beeinflussen. Ein solches Verfahren ist das Muffelverfahren, wobei ein Metallteil innerhalb einer Muffel, die in der metallischen Substanz, welche in die Oberfläche davon diffundieren soll, enthalten ist, verschweißt wird. Im Allgemeinen beinhaltet dies langsames Erhitzen auf ungefähr 1149°C (2100°F), gefolgt von langem, langsamem Abkühlen. Verfahren, die als Packverfahren und als Stanz-Verfahren bekannt sind, sind ähnlich, erfordern aber auch lange Aufheiz- und Abkühlzeiten mit erheblichen Materialvolumina, beinhaltend das Teil und die metallische Substanz, welche die Veränderung in dem Teil beeinflusst. Normalerweise verursachen solche Verfahren, die das langsame Erhitzen und Abkühlen beinhalten, erhebliche Veränderungen, nicht nur an der Oberfläche der Metallteile, sondern auch in den Innenvolumenbereichen, wo Keimwachstum und Läuterung als natürliche Folge solchen Erhitzens stattfinden.
US-A-4,529,856 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Keramik-Glas-Metall-Abdichtung durch Behandeln eines gemischten Schlickers aus Glas-Abdichtmaterial und Kupplungsreagenz mit Mikrowellen und Anwendung desselben auf Keramik und Metallwerkstücke. Der Schlicker und die Werkstoffe werden dann isoliert und mit Mikrowellen behandelt, wobei Energie und Frequenz ausreichend sind, um eine Flüssigphasenreaktion im Schlicker zu verursachen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Oberflächenmodifikation ausgeformter Metallteile bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung die Oberfläche ausgeformter Metallteile durch Diffusion von Metallen zu modifizieren, was verbesserte Korrosionsbeständigkeit und verbesserte Beständigkeit gegenüber mechanischer Abnutzung und Abrieb bereitstellt.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung solche Modifikationen mittels eines Verfahrens bereitzustellen, das nicht zu wesentlichem Keimwachstum oder Läuterung im Innenvolumen solcher geformten Metallteile führt.
Es ist eine weitere und ganz besondere Aufgabe dieser Erfindung solch ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, welches einen Zeitaufwand hat, der wesentlich geringer ist, als jener, dem man im Stand der Technik begegnet.
Diese ebenso wie weitere Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Diffundieren von Metall in die Oberfläche eines ausgeformten Metallteils durch Umgeben des ausgeformten Metallteils mit einer Umgebung aus einem Isolatormaterial, indem ein gewünschtes Metall dispergiert ist gelöst. Mikrowellen werden auf die Umgebung gerichtet, um das ausgeformte Metallteil und die umgebende Umgebung auf eine Temperatur zu erhitzen, die ausreicht, um Diffusion des gewünschten Metalls in Oberflächenabschnitte des gewünschten Teils zu verursachen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens dieser Erfindung.
2 bis 5 sind Mikroaufnahmen, die verschiedene Beispiele dieser Erfindung demonstrieren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß dieser Erfindung wurde gefunden, dass Mikrowellenenergie verwendet werden kann, um den Diffusionsprozess gewünschter Metalle in den Oberflächenbereich ausgeformter Metallteile auszulösen. Dies hat wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Heiz- und Kühlzyklen sind wesentlich kürzer, was zu minimalem Keimwachstum und Keimläuterung innerhalb des Volumens des ausgeformten Metallteils führt. Zudem finden im Wesentlichen keine Maßänderungen in dem Teil statt, was eine Folge des Diffusionsverfahrens dieser Erfindung ist. Das Verfahren dieser Erfindung kann verwendet werden, um verschiedene Oberflächenverbesserungen zu bewirken, einschließlich Korrosionsbeständigkeit, optischer Erscheinung, ebenso wie umgebungspezifische Beständigkeit. Solche Verfahren finden im Kessel- und Automobilteile-Gewerbe wesentliche Verwendung. Verschiedene andere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezug auf die verschiedenen Figuren der Zeichnung offensichtlich werden.
Das Verfahren dieser Erfindung beinhaltet die Verbesserung der Eigenschaften ausgeformter Metallteile. Solche ausgeformten Metallteile können aus einer Vielfalt von Stählen bestehen, beinhaltend solche, die zuvor korrodiert sind. Vorzugsweise besteht das ausgeformte Metallteil aus Kohlenstoffstahl und es wurde allgemein festgestellt, dass eine Vielfalt gewünschter Metalle in die Oberfläche ausgeformter Metallteile diffundiert werden können, um sowohl Korrosionsbeständigkeit, verbessertes Aussehen als auch spezifische Beständigkeit gegenüber einer Vielfalt von Umgebungen zu verursachen. Im Allgemeinen wird das ausgeformte Metallteil von einem Isolatormaterial umgeben, in dem sich das gewünschte Metall oder die Metalle befinden und dann werden das ausgebildete Metallteil und seine Umgebung einschließlich der gewünschten Metalle, Mikrowellenenergie ausgesetzt, um das Teil und sein Umgebung auf eine Temperatur zu erhitzen, die ausreicht, um die Diffusion des gewünschten Metalls in die Oberflächenbereiche des ausgeformten Teils zu verursachen. Dies wird bevorzugt ausgeführt, indem das ausgeformte Teil in einer Isolator- und Metallumgebung im Hohlraum eines Mikrowellen-erzeugenden Ofens in einen Behälter gelegt wird. Das Verfahren kann selektiv angewandt werden, indem nur jene Oberflächenbereiche des ausgeformten Metallteils mit einer Umgebung umgeben werden, die reich an dem Metall ist, das in das Teil diffundieren soll, in welchen Diffusion erwünscht ist. In solch einem selektiven Verfahren werden nur jene Abschnitte des ausgeformten Metallteils, die sich mit den Bereichen in Kontakt befinden, welche reich an dem gewünschten Metall sind, Oberflächendiffusion unterliegen.
Temperaturen von 1149°C (2100°F) werden schnell erreicht, so dass nur die Oberflächenbereiche des ausgeformten Metallteils betroffen werden, in der Regel ohne wesentliches Erhitzen des Volumens des ausgeformten Metallteils. Das Isolatormaterial kann ein Keramikmaterial sein, das nicht wesentlich durch Mikrowellenquellen beeinflusst wird. Im Allgemeinen ist Aluminumoxidpulver für solch einen Zweck geeignet. Unter den Metallen, welche in dem Diffusionsverfahren verwendet werden können befinden sich Chrom, Nickel, Vanadium, Bor, Aluminium, Eisen und Legierungen und Mischungen davon. Weil das Heizverfahren unter Verwendung von Mikrowellen nicht die langen Aufheiz- und Abkühlzeiten des Standes der Technik hat ist das ausgeformte Metallteil, das mit dem Diffusionsverfahren dieser Erfindung oberflächenmodifiziert wurde einzigartig, da seine Keimstruktur nicht durch das Heizverfahren beeinflusst wird. Entsprechend ist das Produkt, welches mittels dieser Erfindung hergestellt wird für sich genommen einzigartig.
Das Verfahren verwendet einen Aktivator, der mit dem Isolator gemischt ist. Ein bevorzugter Aktivator ist Ammoniumchlorid (NH₄Cl), auch wenn andere Halogenide oder Chloride ebenfalls geeignet sind. Der Aktivator fungiert als Fänger, um Sauerstoff zu entfernen und die Bildung von Chromhalogeniden zu initiieren.
Eine Umgebung, die für die Behandlung von Kohlenstoffstahl gemäß dieser Erfindung geeignet ist, enthält 30–45 Gew.-% Chrom, 2–10 Gew.-% Chlorid (Aktivator), wobei der Rest Aluminiumoxidpulver ist. Wenn elementares Chrom verwendet wird, genügen 20–35 Gew.-%, wobei 30 % optimal sind.
1 der Zeichnungen stellt eine Umgebung zum Ausführen des Verfahrens gemäß dieser Erfindung dar. Die Mikrowellenhöhlung 1 ist illustriert, wobei sich darin ein Metallteil 3 befindet, dass von einer Umgebung 5 aus Isolatormaterialien, wie beispielsweise Aluminiumoxid, umgeben ist, die ein gewünschtes Metall zur Diffusion in das ausgebildete Metallteil 3 enthalten. Ein Gefäß 7, das im Stand der Technik als Behälter bezeichnet wird, enthält die Umgebung 5 und das ausgeformte Teil 3. Der Behälter 7 ruht auf einer Isolatorplatte 9, welche wiederum auf einem Tisch 11 platziert ist, um in die Mikrowellenhöhlung 1 eingefügt und daraus entfernt zu werden. Eine Mikrowellenquelle 13 mit entsprechenden Wellenleitern 15 und 17 stellt die Mikrowellenenergie für die Höhlung 1 bereit. Ein äußerer Anschluss 21 wird zur Temperaturmessung durch optische Messmittel, wie beispielsweise ein optisches Pyrometer, bereitgestellt. Die Mikrowellenhöhlung 1 kann mittels der Pumpe 23 evakuiert werden und die Umgebung falls gewünscht durch den Anschluss 25 angemessenerweise mit einem Inertgas gefüllt werden.
2 und 3 sind 10X Mikroaufnahmen und 4 und 5 sind 100X Mikroaufnahmen des Querschnitts eines Teils, welches mit dem offenbarten Verfahren behandelt wurde. Um die Erkennbarkeit der Keimgrenzen zu verbessern wurden die unterteilten Oberflächen mit einem nitralen Ätzmittel, der ungefähren Zusammensetzung 3% Salpetersäure (HNO₃) in Alkohol behandelt. Verschiedene gebrannte Kohlenstoffstahl-Schrauben und -muttern wurden in eine granulare Mischung eingebettet, die ungefähr 55 Gew.-% Al₂O₃, 42 Gew.-% FeCr und 3 Gew.-% NH₄Cl enthält. Die Mischung wurde in einen Bornitrid-Tiegel gefüllt. Der Tiegel, die granulare Mischung und Mutter und Schrauben wurden in einem 2,45 GHz Mikrowellenofen platziert und ungefähr 1 kW Energie wurde für ungeführ 30 Minuten angewandt. Dies Verfahren diffundierte Chrom in die Oberfläche des Kohlenstoffstahls, wie in 2 bis 5 gezeigt.
Es ist somit erkennbar, dass das Verfahren dieser Erfindung ein einzigartig modifiziertes ausgeformtes Teil durch Verwendung von Mikrowellen bereitstellt, um Diffusion in die Oberfläche davon auszulösen. Diese und andere Vorteile und Merkmale werden durch Lesen der vorangehenden Beschreibung offensichtlich werden, die von beispielhafter Natur ist. Solche Modifikationen sind innerhalb des Geistes und Umfangs dieser Erfindung ausgeführt, wie in den im Folgenden angehängten Ansprüchen definiert.

Claims

Verfahren zum Diffundieren von Metall in die Oberfläche eines ausgeformten Metallteils, umfassend die Schritte: Positionieren des ausgeformten Metallteils in einem Isolatormaterial, in welchem ein Diffusionsmetall dispergiert ist, Leiten von Mikrowellen auf das Isolatormaterial bis zu einer Temperatur, welche hinreichend ist, um Diffusion des Diffusionsmetalls in Oberflächenteile des ausgeformten Metallteils zu verursachen, um Änderungen in dessen Eigenschaften zu bewirken, wobei das Isolatormaterial ein körniges Pulvergemisch ist, welches einen Aktivator enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das ausgeformte Metallteil in einen Behälter gelegt wird, der das Isolatormaterial und das Diffusionsmetall enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Diffusionsmetall ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Chrom, Aluminium, Nickel, Vanadium, Bor, Eisen und Legierungen und Mischungen davon.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das ausgeformte Metallteil Kohlenstoffstahl ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Isolatormaterial mit einem Halogenid-Aktivator gemischt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Halogenid-Aktivator Chlorid ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Behälter in einer Mikrowellen-Hohlraum ruht, wobei die Zusammensetzung der gasförmigen Atmosphäre in der Mikrowellen-Vertiefung nicht geregelt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Diffusionsmetall ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Chrom, Nickel, Vanadium, Bor, Aluminium, Eisen und Legierungen und Mischungen davon.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das ausgeformte Metallteil Kohlenstoffstahl ist.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das Isolatormaterial einen Halogenid-Aktivator enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Halogenid-Aktivator Chlorid ist.