DE69300448T2

DE69300448T2 - Verfahren zum Nitrieren eines Werkstückes aus einer Titanlegierung und Vorrichtung zum Sprühen von Stickstoff und Inertgas.

Info

Publication number: DE69300448T2
Application number: DE69300448T
Authority: DE
Inventors: Andre Coulon
Original assignee: GEC Alsthom Electromecanique SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1992-10-09
Filing date: 1993-10-06
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2013-10-07
Also published as: EP0592309A1; FR2696759B1; DE69300448D1; US5413641A; JPH06212395A; EP0592309B1; FR2696759A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nitrierhärtung eines Bauteils aus einer Titanlegierung.
Durch das Nitrieren kann man Metallteile oberflächlich härten.
Es gibt mehrere statische Härtungsverfahren, d.h. im wesentlichen ohne Bewegung der Teile. Es gibt insbesondere ein Nitrierverfahren mit Gas, in einem Salzbad, mit Pulver und mit Ionenbeschuß. Kürzlich wurde auch eine Ionenimplantierungstechnik vorgeschlagen.
Diese Verfahren ergeben eine Hartung einer Schicht von 1 bis 2 Zehntel Millimeter für Titanlegierungen.
Es gibt auch ein nicht-statisches Verfahren, bei dem ein relativ bezüglich des Bauteils beweglicher Laserstrahl auf das Bauteil gerichtet wird und dabei ein leichtes aberflächliches Schmelzen der betroffenen Zone bewirkt. Zugleich werden ein Stickstoffstrahl und ein Strahl eines neutralen Gases auf das Bauteil in einer festen Richtung bezüglich der Laserstrahlrichtung gerichtet (EP-A-0 491 075).
In diesem Verfahren ist der Stickstoff mit dem neutralen Gas vermischt, und der Strahl aus Stickstoff und neutralem Gas sowie der Laserstrahl treffen auf dem Bauteil zusammen, so daß die Gasmischung die geschmolzene Zone erreicht. Um zu verhindern, daß sich diese Zone zerstäubt, muß man den Druck des Gasstrahls begrenzen.
Mit diesem Verfahren hat man eine Härtung einer Schicht mit einer Dicke von 0,4 bis 1 mm auf einem Bauteil aus Titanlegierung erreicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem eine Härtung einer wesentlich dickeren Schicht (1 bis 2 mm) erzielbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß man den Stickstoff unter großem Druck knapp hinter der Zone aufsprüht, die vom Laserstrahl getroffen wird, so daß der Stickstoff in die Zone eindringt, wenn diese bereits wieder pastenförmig geworden ist, und daß das neutrale Gas um den Stickstoffstrahl herum aufgesprüht wird, so daß es die vom Laser betroffene Zone bedeckt und deren Umgebung trifft.
Der Stickstoffstrahl konvergiert nicht mit dem Laserstrahl in der betroffenen Zone, sondern trifft auf diese Zone, nachdem sie bereits wieder pastenförmig geworden ist. Dadurch erhält man einen Anteil von Stickstoffatomen von 15 bis 35% bezüglich der Titanatome, was notwendig ist, um eine große Härte (800 HV) zu erzielen, ohne daß sich eine brüchige Haut ergibt.
Der Stickstoffstrahl (der nicht mit dem neutralen Gas vermengt ist) steht unter hohem Druck (4 bis 12 Bar), so daß er in die pastenförmige Zone bis zu einer Tiefe von 1 bis 2 mm eindringt. Er zerstört nicht die betroffene Zone, da diese noch pastenförmig ist.
Das neutrale Gas entfernt den Sauerstoff aus der behandelten Zone. Außerdem nimmt der Strahl neutralen Gases bei niedrigem Druck (1 bis 2 Bar) den Stickstoffstrahl mit, so daß der Stickstoff geringfügig in das neutrale Gas diffundiert, was die oberflächliche Bildung von Dendriten verringert, die die Oberfläche brüchig machen würden.
Der Kontakt zwischen dem schnellen Stickstoffstrahl und dem langsamen peripheren Strahl des neutralen Gases verwirbelt letzteres, was die Verdrängung des Sauerstoffs verbessert.
Außerdem ergibt sich, daß aufgrund des pastenförmigen Zustands der Zone, auf die der Stickstoffstrahl auftrifft, Verbindungen Ti&sub2;N, Ti&sub3;N&sub2;, Ti&sub4;N&sub3; mit sehr feiner Korngröße gebildet werden, was im Betrieb eine Rißbildung vermeidet.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Aufsprühen von Stickstoff und einem Neutralgas, mit der der Stickstoffstrahl an dessen Peripherie in den Strahl eines neutralen Gases diffundiert, so daß das neutrale Gas durch den Stickstoffstrahl verwirbelt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ein zentrales Rohr zur Lieferung des Stickstoffs und eine zum zentralen Rohr koaxiale Leitung zur Lieferung des neutralen Gases aufweist, die dieses Rohr umgibt und deren innere und äußere Wände konisch sind, wobei die innere Wand auf dem zentralen Rohr aufliegt und die äußere Wand über das Ende des Rohrs hervorragt und in einem sich erweiternden Bereich endet.
Die Erfindung wird nun anhand eines nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt die für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Mittel.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch die Mittel gemäß Figur 1.
Figur 3 zeigt eine Vorrichtung zur Projektion von Stickstoff und einem Neutralgas.
Figur 4 zeigt eine Einzelheit aus Figur 3.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet man einen Leistungslaser 1 (beispielsweise einen CO&sub2;-Laser oder einen YAG-Laser), dessen Strahl 2 senkrecht auf ein Bauteil 3 aus einer Titanlegierung auftrifft, das sich in geringem Abstand vom Laser 1 befindet (geringer als 40 mm - siehe Figuren 1 und 2). Das Bauteil 3 hat eine Härte von etwa 300 HV. Der Strahl 2 ist nicht völlig fokussiert, wobei die Entfokussierung sowie die Leistung und die Verschiebegeschwindigkeit des Bauteils 3 (in Richtung des Pfeils) so geregelt werden, daß man ein leichtes oberflächliches Schmelzen des Substrats in einer Zone 4 eines Durchmessers von 2 bis 3 mm und einer Tiefe von 1 bis 2 mm erzielt.
Man richtet mit Hilfe eines zylindrischen Rohrs 5 kleinen Durchmessers (2 bis 5 mm) vom Düsentyp Stickstoff auf das Bauteil unmittelbar hinter der Zone 4. Das Rohr 5 ist um 30 bis 60º bezüglich der Senkrechten, vorzugsweise um 45º, geneigt.
Um das Rohr 5 ist eine zu diesem koaxiale Hülle 6 angebracht, und der Raum 7 zwischen dem Rohr 5 und der Hülle 6 wird mit einem neutralen Gas, Helium oder vorzugsweise Argon, mit geringem Druck (1 bis 2 Bar) beschickt.
Die Hülle 6 reicht weiter als das Ende 7 des Rohrs 5 und endet in einer Düse 8 mit einer konvergenten und einer divergenten Zone.
Das Argon wird verwirbelt und bestreicht die Zone 4 und deren Umgebung.
Das Argon ist unbedingt erforderlich zur Neutralisierung des Sauerstoffs beim oberflächlichen Schmelzen. Die Wirkung des Argons muß also schon vor dem Schmelzen einsetzen. Der Kontakt zwischen dem Strahl 2 und dem Bauteil 3 erfolgt in einer neutralen Atmosphäre. Die verschiedenen Parameter werden so eingestellt, daß sich das Metall nicht mehr in flüssigem Zustand, sondern bereits in einem pastenförmigen Zustand befindet, wenn die Zone 4 in den Einflußbereich des Stickstoffstrahls gelangt.
Indem der Stickstoffdruck zwischen 4 und 12 Bar eingestellt wird, d.h. eine Geschwindigkeit zwischen 20 und 70 m/s ergibt, dringt der Stickstoff in dieser pastenförmig gewordenen Zone in eine Tiefe von 1 bis 2 mm ein, und man erhält eine Oberfläche einer Härte von 800 HV.
Die Geschwindigkeit des Argongases ist niedrig (1 bis 2 m/s), aber man wählt eine ausreichend große Gasmenge, damit die Auftrefffläche des Argons auf dem Bauteil 3 einen Kreis von 40 mm Durchmesser bildet.
Man überstreicht so das Bauteil 3 gemäß einer Serie von nebeneinanderliegenden Durchgängen 9 einer Breite von 2 bis 3 mm.
Die Vorschubgeschwindigkeit des Bauteils 3 kann zwischen 40 und 60 m/min für eine Laserleistung von 3 kW liegen. Die Verzögerung des Auftreffens des Stickstoffs auf der Zone 4' bezüglich des Auftreffens des Laserstrahls 2 auf der Zone 4 liegt unter einer halben Sekunde. Die Zonen 4 und 4' liegen vorzugsweise aneinander.
Das so behandelte Bauteil 3 hat eine goldfarbene Oberfläche. In der Dicke beobachtet man eine Stapelung einer Schicht aus TiN an der Oberfläche, dann eine Schicht aus Ti&sub2;N und dann eine Anreicherung der Phase α des Substrats mit komplexen Phasen der Materialien Ti&sub3;N&sub2; und Ti&sub4;N&sub3;.
Die Dichte an Stickstoffatomen beträgt 15 bis 35% im Verhältnis zu den Titanatomen.
Die oberflächliche Härte beträgt etwa 800 HV. In einer Tiefe von 2 mm läßt sich die übliche Härte des Substrats messen. Wenn die Titanlegierung vom Typ TA6V ist, beträgt die Härte ungefähr 300 bis 320 HV. Außerdem könnte sich eine Struktur vom Beta-Typ, die geringfügig härter als die Legierung ist und aus der thermischen Transformation während des Aufschmelzens stammt, zwischen den nitrierten Bereich und die Struktur der Legierung TA6V vom Typ Alpha/- Beta schieben.
Es sei bemerkt, daß weniger TiN-Dendrite an der Oberfläche als üblicherweise vorgefunden werden. Dies kommt insbesondere von der Verdünnung des Stickstoffs im Argon.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufsprühen von Stickstoff und Argon, die in Figur 3 gezeigt ist, enthält ein zentrales Rohr geringen Durchmessers, eine innere konische Umhüllung 10, die das Ende des Rohrs umgibt, eine äußere konvergente konische Umhüllung 6 gleicher Achse wie das Rohr 5, wobei diese Hülle in einer Erweiterung 8 endet. Das Argon umgibt den Stickstoff und verhindert dessen Ausdehnung in alle Richtungen.
Eine Argonleitung speist den Raum 7 zwischen der inneren Hülle 10 und der äußeren Hülle 6.
Ein Durchsatz-Meßgerät 12 erlaubt die Überprüfung des Argondurchsatzes. Ein Kompressor 13 komprimiert Stickstoff und speist das Rohr 5, wobei der Stickstoffdurchsatz ebenfalls mit einem Durchsatz-Meßgerät 14 überprüft wird.
Leitschaufeln 15 sind zwischen der äußeren Hülle 6 und dem Rohr 5 in der Nähe von dessen Ende 16 angebracht. Sie haben die Aufgabe, das Argon in Drehung zu versetzen, woraufes durch die Einspeisung des Stickstoffs mit großer Geschwindigkeit bezüglich der Geschwindigkeit des Argons in der Nähe der Erweiterung 8 verwirbelt wird. Das Argon umgibt den Stickstoff und verhindert dessen Ausdehnung in alle Richtungen.
Alle die Gase führenden Leitungen sind aus rostfreiem Stahl.

Claims

1. Verfahren zum Nitrierhärten eines Bauteils (3) aus einer Titanlegierung, bei dem auf das Bauteil (3) ein bezüglich des Bauteils (3) beweglicher Laserstrahl (2) gerichtet wird, der ein leichtes oberflächliches Schmelzen der vom Laser (1) getroffenen Zone (4) hervorruft, wobei weiter Stickstoff sowie ein neutrales Gas in einer festen Richtung bezüglich der Richtung des Laserstrahls auf das Bauteil (3) gesprüht wird, dadurch gekennzeichnet, daß man den Stickstoff unter großem Druck knapp hinter der Zone (4) aufsprüht, die vom Laserstrahl (1) getroffen wird, so daß der Stickstoff in die Zone (4) eindringt, wenn diese bereits wieder pastenförmig geworden ist, und daß das neutrale Gas um den Stickstoffstrahl herum aufgesprüht wird, so daß es die vom Laser betroffene Zone (4) bedeckt und deren Umgebung trifft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoffdruck zwischen 4 und 12 Bar und der Druck des neutralen Gases zwischen 1 und 2 Bar gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoffstrahl das neutrale Gas verwirbelt.

4. Vorrichtung zum Aufsprühen von Stickstoff und einem neutralen Gas, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein zentrales Rohr (5) zur Lieferung des Stickstoffs und eine zum zentralen Rohr (5) koaxiale Leitung (7) zur Lieferung des neutralen Gases aufweist, die dieses Rohr umgibt und deren innere und äußere Wände (10, 6) konisch sind, wobei die innere Wand (10) auf dem zentralen Rohr (5) aufliegt und die äußere Wand (6) über das Ende (16) des Rohrs (5) hervorragt und in einem sich erweiternden Bereich (8) endet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (7) für neutrales Gas in der Nähe des Endes (16) des zentralen Rohrs (5) Leitschaufeln (15) aufweist, die das neutrale Gas in Drehung versetzen.