DE69333657T2

DE69333657T2 - Legierung mit hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Verschleissfestigkeit, Verfahren zur Herstellung dieser Erzeugnisse und Ausgangsmaterial für dieses Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69333657T2
Application number: DE69333657T
Authority: DE
Inventors: Sasaki Numazu-Shi Kyoichi; Yoshihisa Tsushima-Shi Kato
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1992-05-21
Filing date: 1993-05-20
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2013-05-21
Also published as: CN1203283A; US5615406A; CN1203282A; US5429883A; EP0571210B1; JP3305357B2; CN1207425C; EP0571210A1; CN1093122A; KR960010818B1; ATE279544T1; CN1207426C; KR940005820A; CN1040462C; JPH06200339A; DE69333657D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Legierung mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit, ein Verfahren zu ihrer Herstellung, ein Material zur Verwendung bei ihrer Herstellung, ein metallisches Bauteil, das sie verwendet, und ein Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit einer Oberfläche des metallischen Bauteils.
Im allgemeinen wird, um die Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit eines metallischen Bauteils, welches eine Maschine bildet, zu verbessern, die Oberfläche des metallischen Bauteils modifiziert, z. B. indem die Materialien, die das metallische Bauteil bilden, wie zum Beispiel Edelstahl, gehärtet oder plattiert werden.
Neben dem oben erwähnten Oberflächenbehandlungsverfahren sind in den letzten Jahren verschiedene Vorschläge gemacht worden, in denen insbesondere harte Teilchen dem metallischen Material für die Herstellung metallischer Bauteile zugefügt wurden. Beispiele derartiger Verfahren beinhalten ein Verfahren, wie es in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 181470/1983 beschrieben worden ist, indem harte Teilchen aus WC, NbC, TiC, CrC, VC, usw. einem Matrixmetall, welches ein Ni-Basis-, Co-Basis oder Fe-Basislegierung enthält, oder der Oberfläche der Matrix zugefügt werden, um die Härte oder die Abriebfestigkeit des Matrixmetalls zu verbessern. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass obwohl dieses Verfahren in gewissem Ausmaß wirkungsvoll die Abriebfestigkeit verbessert, es nicht immer befriedigend ist, da die Festigkeit der Legierung nachteilig reduziert wird. So haben zum Beispiel harte Teilchen, wie NbC (Schmelzpunkt: 3480°C) und TiC (Schmelzpunkt: 3180°C) einen hohen Schmelzpunkt und sind kaum zu schmelzen, so dass es schwierig ist, die Zugabe der harten Teilchen in einem ungeschmolzenen Zustand zu vermeiden. Aus diesem Grunde tritt das Problem auf, dass in dem Schritt, in dem eine korrosionsbeständige und abriebfeste Schicht gebildet wird, die harten Teilchen in relativ großer Form in dem Matrixmetall verbleiben, was nachteilig zu einer Erniedrigung der Festigkeit des metallischen Materials führt.
Auch das Schmelzen eines Carbids als Additiv in das Matrixmetall führt häufig zu einem Verspröden des Materials. Es ist zum Beispiel bekannt, dass wenn MoC oder WC zusammen mit einer Ni-Basis-, Co-Basis- oder Fe-Basislegierung geschmolzen werden, eine spröde (fragile) M₆C-Verbindung auskristallisiert. Die Kristallisation der spröden Verbindung trägt nicht zur Verbesserung der Abriebfestigkeit bei und führt ferner zu einem Verspröden des Matrixmetalls.
Die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 157796/1988 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Rolle zum Heißrollen. Dieses Verfahren ist auf die Herstellung einer Rolle mit Abriebfestigkeit und Reißfestigkeit und ausgezeichneter Zähigkeit gerichtet, indem ein VC-Pulver einer Eisen-Basislegierung zugegeben wird, und für dieses Verfahren ist die Zugabe eines VC-Pulvers in einer Menge von 10 Gew.-% oder mehr zu einer Eisen-Basislegierung wesentlich. Bei diesem Verfahren ist jedoch eine Verbesserung der Härtbarkeit zu erwarten, und nach dem Wissen der vorliegenden Erfinder führt, wenn eine Eisen-Basislegierung als Grundmetall verwendet wird, die Zugabe von VC zu dem Grundmetall unabdingbar zur Bildung großer Mengen einer Vielzahl von Carbiden, wie WC und CrC, so dass die Wirkung, wie sie in der vorliegenden Erfindung zu erwarten ist, nicht immer erzielt wird. Ferner handelt es sich bei diesem Verfahren nicht um eine Technik zur Umkristallisation oder Umfällung von VC in einen bestimmten Zustand, und es ist im Hinblick auf die Verbesserung sowohl der Abriebfestigkeit als auch der Korrosionsbeständigkeit nicht immer wirkungsvoll.
Ferner sollte in dem herkömmlichen Verfahren, wenn harte Teilchen zugefügt werden, der Temperaturanstieg auf einen minimalen Betrag begrenzt werden, welcher für die Abscheidung des Matrixmetalls zu dem Zweck notwendig ist, die Kristallisation der oben beschriebenen fragilen Verbindungen zu verhindern. Um diesen Zweck zu erzielen, ist es ferner notwendig, den Teilchendurchmesser der harten Teilchen, welche zugefügt werden, in gewissem Ausmaß zu erhöhen. Eine Erhöhung des Teilchendurchmessers macht es jedoch schwierig, eine homogene Dispersion zu erhalten, was zu einer Erniedrigung der Härte des metallischen Materials führt. Wie oben beschrieben, führt die Gegenwart von groben harten Teilchen bei einer heterogenen Verteilung in der Metallmatrix dazu, dass diese harten Teilchen ausfallen, wenn sie einer Scherbewegung unterzogen werden.
Die oben beschriebenen Probleme einer heterogenen Verteilung harter Teilchen und des Ausfallens der harten Teilchen, die heterogenen Verteilungen von harten Teilchen zuzuschreiben sind, werden zusätzlich durch den Unterschied des spezifischen Gewichts zwischen Matrixmetall und harten Teilchen verstärkt. So wird zum Beispiel die Möglichkeit des Auftretens einer Aggregation oder einer heterogenen Verteilung der harten Teilchen besonders hoch, wenn eine Fe-Basislegierung als Matrixmetall mit Al₂O₃, SiC oder TiC verwendet wird, welche als harte Teilchen dienen. Wenn ein Cr-Basiscarbid als hartes Teilchen verwendet wird, rekristallisiert ferner ein Carbid von Cr oder fällt in dem Kühlschritt aus, nachdem die Wärme eine Aggregation und eine Vergrößerung zu groben Carbidteilchen bewirkt hat, was zu dem Problem führt, dass die harten Teilchen leicht aus dem Matrixmetall ausfallen.
Die internationale Veröffentlichung WO 91/09980 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Legierung mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit, welche beinhaltet, dass eine Pulvermischung, die ein Metallpulver zumindest einer Legierung enthält, welche aus einer Fe-Basis-, Co-Basis- und Ni-Basislegierung ausgewählt ist und ein Vanadiumcarbidpulver mit einem Teilchendurchmesser von 60 bis 100 μm einem Schmelzvorgang und/oder einer Wiederholung des Schmelzvorgangs mit Hilfe einer Wärmequelle mit hoher Energiedichte unterzogen werden. Die Verwendung des Pulvers mit einem relativ großen Teilchendurchmesser hat den Vorteil, dass die Legierungsbildung vereinfacht wird. Obwohl in diesem Verfahren feine Vanadiumcarbidteilchen mit einem Durchmesser von 10 μm oder weniger kristallisiert und ausgefällt werden, sollte, da einige Vanadiumcarbidteilchen ungeschmolzen verbleiben, der aufwändige Schmelzschritt viele Male wiederholt werden, um die ungeschmolzen verbleibenden Vanadiumcarbidteilchen zu schmelzen. Ferner hat eine Beobachtung unter einem Mikroskop durch die Erfinder der vorliegende Erfindung ergeben, dass ein Teil des ungeschmolzenen Vanadiumcarbids trotzdem in massiver Form vorliegt, so dass sich eine feine Vanadiumcarbidteilchenphase heterogen verteilt, was es leider unmöglich macht, die beabsichtigte Abriebfestigkeit zu erzielen und häufig die Ursache für das Auftreten von Rissen und von Abblättern aufgrund lokaler Brüche ist.
Das US-Patent Nr. 4 249 945 beschreibt einen pulvermetallurgischen Stahlartikel mit einem hohen Vanadiumcarbidgehalt und lehrt eine Wärmebehandlung bei einer relativ niedrigen Temperatur, d. h. unterhalb des Schmelzpunkts von Vanadiumcarbid.
EP-A-0 515 018, bei dem es sich um ein Dokument des Stands der Technik nach Artikel 54(3) EPÜ handelt, beschreibt kalt bearbeitete Stahlteilchen aus vorlegiertem Hochvanadium und ein Hertsellungsverfahren, welches ein Sinterverfahren und ein isotaktisches Heißkompaktieren beinhaltet.
EP-A-0 366 900 offenbart ein spezifisches Sinterverfahren zur Herstellung einer Legierung, welche eine erste Phase aus Carbidteilchen und eine zweite Phase aus Bindemetall beinhaltet, welches die Carbidteilchenoberfläche abdeckt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik lösen. Insbesondere im Hinblick auf einen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Legierung mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit bereitgestellt, das die Schritte enthält:

– Schmelzen eines Pulvergemisches oder eines VC-Pulver enthaltenden Drahtes, welcher ein Matrixmetall enthält, das aus zumindest einem Bauteil besteht, das aus einer Fe-Basislegierung, einer Co-Basislegierung, einer Ni-Basislegierung ausgewählt ist, und eines VC-Pulvers mit einem Teilchendurchmesser von 10 μm oder weniger mit Hilfe einer Wärmequelle hoher Energiedichte und dann
– Kühlen der resultierenden Schmelze, derart, dass diese homogen kristallisiert und/oder VC mit einer Teilchengröße von 5 μm oder weniger in der Matrixmetallphase ausfällt.

Das Schmelzen mit Hilfe einer Wärmequelle mit hoher Energiedichte kann durch Plasmaschweißen oder einen Laserstrahl erfolgen.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Legierung zur Modifikation von Oberflächen bereitgestellt, die durch das zuvor beschriebene Verfahren erhalten wird, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit zeigt und zumindest ein Bauteil enthält, das aus einer Fe-Basislegierung, einer Co-Basislegierung und einer Ni-Basislegierung ausgewählt ist und in deren Matrixphase bezogen auf die Fläche 10 bis 65% einer im wesentlichen homogen kristallisierten und/oder ausgefällten VC-Teilchenphase von 1 μm oder weniger vorliegen.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein oberflächenmodifiziertes metallisches Bauteil bereitge stellt, das ein metallisches Bauteil und die oben beschriebene Legierung enthält, wobei diese Legierung an dem gewünschten Bereich vollständig auf die Oberfläche des metallischen Bauteils aufgebracht ist.
Wenn das oben beschriebene Herstellungsverfahren auf einen bestimmten Bereich eines metallischen Bauteils angewendet wird, kann es auch als Verfahren zur Herstellung eines oberflächenmodifizierten metallischen Bauteils mit einer eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit aufweisenden Legierungsschicht an einer vorgegebenen Fläche des metallischen Bauteils verwendet werden.
Ferner kann auch ein einen Kern aufweisender Draht, der ein Rohr aus dem oben beschriebenen Matrixmetall, das mit einem VC-Pulver mit einem Teilchendurchmesser von 10 μm gefüllt ist, oder einer Pulvermischung gefüllt ist, die das oben beschriebene Matrixmetall und ein VC-Pulver mit einem Teilchendurchmesser von 10 μm oder weniger enthält, als Material zur Herstellung des Legierungsmaterials verwendet werden.
Wenn es sich bei dem Vanadiumcarbidpulver, das in Kombination mit dem Matrixmetall verwendet wird, um ein fein verteiltes Pulver mit einem Teilchendurchmesser 10 μm oder weniger handelt, kann das VC-Pulver mit Hilfe eines einzigen Schmelzvorgangs mit Hilfe einer Wärmequelle hoher Energiedichte vollständig geschmolzen und in der Matrixmetallphase gelöst werden und eine Faser aus feinen VC-Teilchen mit einer Größe von 5 μm oder weniger durch anschließendes Kühlen homogen ausgefällt und/der kristallisiert werden. Ein prozentualer Flächenanteil der VC-Teilchenphase in bezug auf die Matrixmetallphase im Bereich von 10 bis 65% kann auf einfache Weise sichergestellt werden, indem die Bedingungen für Material und Wärmebehandlung gesteuert werden, was sicherstellt, dass sich Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit stabil entwickeln können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Mikrofotographie eines Pulvergranulates, wie es in einem Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
2 ist eine Mikrofotographie eines Pulvergranulates, wie es in einem Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
3 ist eine Mikrofotographie der metallischen Struktur einer korrosionsbeständigen und abriebfesten Legierung im Schnitt, wie sie aus Probe 1 in Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde,
4 ist eine Mikrofotographie einer metallischen Struktur einer korrosionsbeständigen und abriebfesten Legierung im Schnitt, welche aus Probe 2 in Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde,
5 ist eine Mikrofotographie der metallischen Struktur einer korrosionsbeständigen und abriebfesten Legierung im Schnitt, wie sie aus Probe 3 in Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde,
6 ist eine Mikrofotographie der metallischen Struktur einer korrosionsbeständigen und abriebfesten Legierung im Schnitt, wie sie in Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde,
7 ist eine Mikrofotographie der metallischen Struktur einer korrosionsbeständigen und abriebfesten Legierung im Schnitt, wie sie in Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde,
8 ist eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse einer Untersuchung der Abriebfestigkeit für korrosionsbeständige und abriebfeste Legierungen, wie sie in den Beispielen 1 bis 3 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, zeigt,
9 ist eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse einer Untersuchung der Abriebfestigkeit für ein Vergleichsbeispiel zeigt,
10 ist eine Mikrofotographie einer metallischen Struktur eines metallischen Bauteils mit einer Oberfläche, die mit Hilfe des ersten in Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahrens modifiziert wurde, im Schnitt,
11 ist eine Mikrofotographie der metallischen Struktur eines metallischen Bauteils, welches eine Oberfläche aufweist, die mit Hilfe des zweiten in Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahrens modifiziert wurde, im Schnitt,
12 ist eine Mikrofotographie einer metallischen Struktur eines metallischen Bauteils, das eine Oberfläche aufweist, die durch das dritte in Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren modifiziert wurde, im Schnitt,
13 ist eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse der Messung der Härte eines metallischen Bauteils mit einer Oberfläche zeigt, die mit Hilfe des ersten in Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahrens modifiziert wurde,
14 ist eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse der Messung der Härte eines metallischen Bauteils mit einer Oberfläche zeigt, die mit Hilfe des zweiten in Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahrens modifiziert wurde,
15 ist eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse der Härtemessung eines metallischen Bauteils mit einer Oberfläche zeigt, die mit Hilfe des dritten in Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahrens modifiziert wurde,
16 ist die Außenansicht einer Spritzgießschnecke, die einer Oberflächenmodifikation in Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung unterzogen wurde,
17 ist eine Ansicht eines Spritzgießzylinders im Schnitt, der der Oberflächenmodifikation in Beispiel 6 der vorliegenden Erfindung unterzogen wurde,
18 ist eine Beispielansicht eines Bindungsbildes;
19 ist eine Beispielansicht eines weiteren Bindungsbildes,
20 ist eine schematische Ansicht eines Lichtbogen plasmaschweißgerätes, wie es in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
21 ist eine Mikrofotographie der metallischen Struktur einer korrosionsbeständigen und abriebfesten Legierung im Schnitt, wie sie in Beispiel 7 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde,
22 ist eine Mikrofotographie der metallischen Struktur einer korrosionsbeständigen und abriebfesten Legierung im Schnitt, wie sie in Beispiel 8 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde,
23 ist eine Mikrofotographie der metallischen Struktur einer korrosionsbeständigen und abriebfesten Legierung im Schnitt, wie sie in Beispiel 9 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, und
24 ist eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse der Untersuchung der Abriebfestigkeit für korrosionsbeständige und abriebfeste Legierungen zeigt, wie sie in den Beispielen 7 bis 9 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden.
Beste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
In der korrosionsbeständigen und abriebfesten Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung können bevorzugt eine Fe-Basislegierung, eine Co-Basislegierung oder eine Ni-Basislegierung mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit als Matrixmetall verwendet werden. Beispiele für die korrosionsbeständige Fe-Basislegierung beinhalten austenitischen Edelstahl, maltensitischen Edelstahl und ferritischen Edelstahl.
Beispiele für die korrosionsbeständige Co-Basislegierung beinhalten Co-Stellitlegierungen, zum Beispiel eine Co-Cr-W-Basislegierung und eine Co-Ni-Cr-W-Basislegierung.
Als Nickel-Basislegierungen können Hastelloy-Legierungen, Inconel-Legierungen und Cormonoy-Legierungen verwendet wer den, und spezielle Beispiele hierfür beinhalten Ni-Cr-Si-Basislegierungen und Ni-Cr-Fe-W-Basislegierungen.
Bei der Herstellung der Legierung der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt eine Pulvermischung oder ein Pulvergranulat, das zumindest eines der oben beschriebenen Matrixmetallpulver und, darin eingebracht, 70 Gew.-% oder weniger eines fein verteilten Vanadiumcarbidpulvers mit einem Teilchendurchmesser von 10 μm oder weniger enthält, oder ein einen Kern aufweisender Draht, der ein Rohr aus dem Matrixmetall enthält, verwendet, wobei in das Rohr das oben beschriebene Vanadiumcarbidpulver eingefüllt und eingeschlossen ist. VC wird als Vanadiumcarbidpulver bevorzugt.
Der Teilchendurchmesser des VC-Pulvers sollte aus dem Grund 10 μm oder weniger betragen, dass ein guter Dispersionszustand bereitgestellt wird. Bevorzugt sind 5 μm oder weniger, weiter bevorzugt sind 3 μm oder weniger. Es hat sich herausgestellt, dass wenn der Teilchendurchmesser des VC-Pulvers 10 μm überschreitet, es nicht nur schwierig ist, die oben beschriebene homogene Dispersion bereitzustellen, sondern auch der Schmelzvorgang des VC-Pulvers in der Matrixphase unbefriedigend verläuft. Es wird allgemein angenommen, dass eine Reduktion des Teilchendurchmessers die Handhabung des Pulvers verkompliziert und den Oberflächenbereich vergrößert, so dass Probleme im Hinblick auf die Verschlechterung der Handhabbarkeit und ein Auftreten einer Aggregation entstehen. Diese Probleme können durch Granulieren eines Mischpulvers, das ein Matrixmetall und ein VC-Pulver enthält, oder durch Verwendung eines einen Kern enthaltenden Drahtes, der ein Rohr aus einer Matrixlegierung enthält, gelöst werden, wobei in das Rohr ein VC-Pulver eingefüllt ist.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die Menge der Zugabe von Vanadiumcarbid zweckmäßig in einer Menge von 70 Gew.-% oder weniger ausgewählt werden, abhängig von den beabsichtigten Eigenschaften im Hinblick auf die Abriebfestigkeit.
Wenn das Matrixmetall jedoch eine Fe-Basislegierung enthält, beträgt die Menge der Vanadiumcarbidzugabe bevorzugt 10 Gew.-% oder weniger, weiter bevorzugt 7,5 Gew.-%.
Wenn andererseits das Matrixmetall eine Co-Basislegierung oder eine Ni-Basislegierung enthält, beträgt die Menge an Vanadiumcarbid bevorzugt 70 Gew.-% oder weniger. Im allgemeinen gilt, dass je größer der Vanadiumcarbidgehalt ist, um so besser die Abriebfestigkeit ist. Die Zugabe von Vanadiumcarbid in einer Menge, die die oben beschriebene obere Grenze überschreitet, verschlechtert nachteilig die Härte und die Abriebfestigkeit, was dem Ausfallen des Carbids zuzuschreiben ist.
Erfindungsgemäß wird die Pulvermischung usw., die durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt wurde, bevorzugt in einer Inertgasatmosphäre, wie Argongas, mit einer Wärmequelle hoher Energiedichte wärmebehandelt. Insbesondere bewirkt die Wärmebehandlung unter Verwendung einer Wärmequelle mit ausreichend hoher Energiedichte, um die Pulvermischung usw. zu schmelzen, dass eine Phase aus feinen Vanadiumcarbidteilchen mit einem Teilchendurchmesser von 5 μm oder weniger homogen kristallisiert und/oder in der Matrixmetallphase ausfällt.
Noch genauer erfolgt die oben beschriebene Wärmebehandlung bevorzugt mit Hilfe eines Verfahrens, bei dem eine Pulvermischung, ein Pulvergranulat oder etwas ähnliches, was ein Matrixmetallpulver enthält, das zumindest aus einem Bauteil besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Co-Basislegierung, einer Ni-Basislegierung und einer Si-Basislegierung besteht, und ein Vanadiumcarbidpulver mit Hilfe einer Wärmequelle hoher Energiedichte geschmolzen werden, um zu bewirken, dass eine feine Vanadiumcarbidteilchenphase mit einem Teilchendurchmesser von 5 μm oder weniger homogen kristallisiert und/oder in der Matrixmetallphase ausfällt.
Das Kühlen bei der zuvor beschriebenen Wärmebehandlung erfolgt bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von etwa 100°C/sec oder mehr, um einen guten Kristallisationszustand oder Präzipitationszustand der Vanadiumcarbidteilchenphase zu erzielen. Ein derartig schnelles Abkühlen kann durch Druckluftkühlung oder Druckwasserkühlung erfolgen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass wenn die oben beschriebenen erforderlichen Kühlgeschwindigkeiten eingehalten werden, VC, das in Form einer festen Lösung in dem Matrixmetall gelöst ist, sicher in einem feinen und homogenen Zustand kristallisiert und ausfällt.
Bei dem oben beschriebenen Kühlvorgang kristallisiert und/oder fällt die Vanadiumcarbidteilchenphase aus, sobald sie in der Matrixmetallphase geschmolzen ist.
Genauer heißt das, dass in der Schmelz- und Kühlphase das VC im wesentlichen vollständig geschmolzen und anschließend als Feinteilchenphase kristallisiert und/oder ausfällt. Ferner ist der Dispersionszustand der VC-Teilchen in diesem Fall sehr gut.
Noch genauer sollte bei der durch das obige Verfahren bereitgestellten korrosionsbeständigen und abriebfesten Legierung die homogene und feine Vanadiumcarbidteilchenphase, die in der Matrixmetallphase kristallisiert und/oder ausgefällt ist, einen Teilchendurchmesser von 5 μm oder weniger haben und 10 bis 65% in bezug auf die Fläche der gesamten Legierungsphase abdecken. Wenn der Teilchendurchmesser der Vanadiumcarbidphase mehr als 5 μm beträgt, tendiert die Härte der Legierung von sich aus dazu, geringer zu werden, was das Risiko erhöht, dass harte Teilchen ausfallen, so dass eine Verbesserung der Abriebfestigkeit nachteilig verhindert wird. Wenn der prozentuale Flächenanteil der Vanadiumcarbidteilchenphase in bezug auf die gesamte Legierungsphase weniger als 10% beträgt, wird die Wirkung im Hinblick auf die Verbesserung der Abriebbeständigkeit un vorteilhaft verringert. Andererseits besteht, wenn der prozentuale Flächenanteil über 65% beträgt, die Möglichkeit, dass sich die Eigenschaften, die dem Matrixmetall innewohnen, verschlechtern.
Der Schmelzvorgang unter Verwendung einer Wärmequelle mit einer hohen Energiedichte kann mit Hilfe von Verfahren erfolgen, in denen eine Plasmalichtbogen- oder Laserstrahlwärmequelle verwendet wird. Wenn die oben beschriebene Legierung durch Schweißen auf der Oberfläche des folgenden metallischen Bauteils aufgebaut wird, wird bevorzugt ein Plasmalichtbogenschweißverfahren (P. T. A.-Verfahren) verwendet, wobei ein Plasmalichtbogen als Wärmequelle verwendet wird. Bei diesen Schmelzvorrichtungen ist ein Aufheizen auf eine Temperatur von mehr als 3000°C zumindest für einen Moment möglich, was es ermöglicht, dass die oben beschriebene Pulvermischung wirkungsvoll geschmolzen wird.
Obwohl das Carbid, das infolge der oben beschriebenen Wärmebehandlung kristallisiert und/oder ausfällt, im wesentlichen aus VC besteht, besteht die Möglichkeit, dass V₂C als Nebenbestandteil auftritt. Außerdem wird erwartet, dass neben den oben beschriebenen Carbiden eine geringe Menge an (Fe, Cr, V, W)₂₃C₆ ausfällt. In der vorliegenden Erfindung ist die Gegenwart dieser unvermeidbaren Bestandteile akzeptierbar, insoweit sie die Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung nicht vereiteln.
Das Verfahren zur Modifizierung der Oberfläche eines metallischen Bauteils entsprechend der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben.
Das erfindungsgemäße Oberflächenmodifikationsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine aufgebaute Schicht, die eine korrosionsbeständige und abriebfeste Legierung enthält, welche durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt wurde, auf die Oberfläche eines gewünschten metallischen Bauteils aufgebracht wird.
Speziell ist das Oberflächenmodifikationsverfahren der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche eines Basismetalls, das ein metallisches Bauteil bildet, eine Pulvermischung, die ein Pulver aus einem Matrixmetall enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Co-Basislegierung, einer Ni-Basislegierung und einer Fe-Basislegierung besteht, und ein Vanadiumcarbidpulver oder eine Anordnung, die ein Rohr aus dem oben beschriebenen Matrixmetall enthält, und das Vanadiumcarbidpulver zugeführt werden, und die Mischung oder die Anordnung einer Wärmebehandlung unter Verwendung einer Wärmequelle mit hoher Energiedichte unterzogen wird, so dass auf der Oberfläche des Basismaterials eine aufgebaute Legierungsschicht gebildet wird, die eine Matrixmetallphase und eine in der Matrixmetallphase homogen kristallisierte und/oder ausgefällte feine Vanadiumcarbidteilchenphase mit einem Teilchendurchmesser von 5 μm oder weniger enthält.
Ferner wird bei der oben beschriebenen Wärmebehandlung bevorzugt ein Plasmalichtbogenschweißverfahren (P. T. A.-Verfahren) verwendet, wobei ein Plasmalichtbogen als Wärmequelle verwendet wird. Wie oben beschrieben wurde, ist in diesen Schmelzvorrichtungen ein Aufheizen auf eine Temperatur von über 3000°C für zumindest einen Augenblick möglich, was es ermöglicht, dass die Pulvermischung, das Pulvergranulat usw. wirkungsvoll geschmolzen werden.
Andere Bedingungen, zum Beispiel Kühlbedingungen, und der Zustand des Niederschlags oder der Dispersion der Vanadiumcarbidteilchenphase kann der oben beschriebenen entsprechen. Insbesondere wird das Kühlen bei der Wärmebehandlung bei einer Geschwindigkeit von etwa 100°C/sec oder mehr von dem Gesichtspunkt her bevorzugt, dass dadurch ein guter Kristallisationszustand und Präzipitationszustand der Vanadiumcarbidteilchenphase erzielt wird. Ein derartiges schnelles Kühlen kann durch Druckluftkühlung und Druckwasserkühlung erfolgen. Die Erfinder der vorliegenden Erfin dung haben herausgefunden, dass, wenn die oben beschriebenen Bedingungen für die Kühlgeschwindigkeit erfüllt werden, VC, das in Form einer festen Lösung in dem Matrixmetall gelöst ist, in einem feineren und homogeneren Zustand kristallisiert und ausfällt. Es ist zu erwarten, dass eine niedrigere Kühlgeschwindigkeit von dem Gesichtspunkt her bevorzugt wird, das Auftreten von Brüchen an der Grenzfläche des Basismaterialbereichs des metallischen Bauteils und der aufgebauten Schicht zu verhindern. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch herausgefunden, dass eine Verringerung der Kühlgeschwindigkeit nicht immer wirkungsvoll zu dem oben beschriebenen Präzipitationszustand der VC-Teilchenphase führt.
Außerdem kann bei der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die Kühlung das oben beschriebene Verfahren zum Beispiel durchgeführt werden, während das metallische Bauteil, auf das die aufgebaute Schicht ausgebildet werden soll, schockgekühlt wird.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die oben beschriebene Wärmebehandlung wirkungsvoll unter Verwendung eines Pendelvorgangs erfolgen. Die 18 und 19 sind Darstellungen von Bindungsbildern für den Fall, dass eine aufgebaute Schicht unter Verwendung eines Plasmalichtbogenschweißgerätes ausgebildet wird. Der Pendelvorgang kann durch Hin- und Herbewegen in Kreisbogenform (siehe 18) oder „Zickzack"-Form (siehe 19) erfolgen.
20 ist eine beispielhafte schematische Darstellung einer Ausführungsform, in der die aufgebaute Schicht unter Verwendung eines Plasmalichtbogenschweißgerätes ausgebildet wird, das mit einem einzigen Brenner ausgestattet ist. In dieser Ausführungsform weist das Plasmalichtbogenschweißgerät einen Brennerkörper 10 mit einem Brenner 11 zur Durchführung eines Plasmalichtbogenschweißvorgangs und ein Pulverzuführungsrohr 13 zur Zuführung von Rohmaterialpulver zum Brenner auf. Eine aufgebaute Schicht 21, die die oben beschriebene korrosionsbeständige und abriebfeste Legierung enthält, kann durch Bewegen des Plasmalichtbogenschweißgerätes und des metallischen Bauteils 20 auf eine solche Weise erfolgen, dass eine geeignete Ausrichtung der Positionen zueinander beibehalten werden kann.
Das oben beschriebene Verfahren zur Modifizierung der Oberfläche eines metallischen Bauteils kann auf mechanische Teile angewendet werden, die zumindest teilweise gute Korrosionsbeständigkeit, Gleiteigenschaften und Abriebfestigkeit aufweisen sollen.
Bei dem herkömmlichen Verfahren zur Modifizierung der Oberfläche von Metallteiler, die eine Maschine bilden, wird die Oberfläche der Metllteile durch Oberflächenbeschichtung oder ein Oberflächenlegierungsverfahren mit Hilfe von Plattierung, CVD, PVD oder einer Wärmequelle hoher Temperatur behandelt. Um die Korrosionsbeständigkeit und die Abriebfestigkeit verschiedener Werkzeuge oder Schnecken einer Spritzgießmaschine für Kunststoff zu verbessern, ist es zum Beispiel ständige Praxis, Schnecken zu härten, um die Härte zu verbessern, gefolgt von Plattierung oder PVD oder CVD. Andererseits wird für Zylinder, die in Kombination mit den Schnecken verwendet werden, nach dem Stand der Technik ein allgemeines Verfahren angewandt, bei dem die Innenfläche eines Nitrierstahls als Material für den Zylinder nitriert wird oder eine selbstgehende Legierung mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit als Schicht auf die gesamte oder einen Teil der Innenwand des Zylinders aufgebracht wird oder eine Legierungsauskleidung mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit auf die Innenwand des Zylinders gebracht wird.
Da die Haftung zwischen dem Basismaterial der metallischen Teile und der modifizierten Oberflächenschicht so gering ist, dass bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren häufig ein Abblättern oder Brüche erfolgen, wenn diese einer thermischen Belastung oder sogar einer relativ gerin gen Belastung ausgesetzt sind. Ferner ist die Abriebfestigkeit der oberflächenmodifizierten Teile, die durch das herkömmliche Verfahren bereitgestellt werden, nicht immer befriedigend. Teilweise werden bei den Kunststoffspritzgießmaschinen, wie sie oben beschrieben wurden, außerdem Bereiche, in denen Kunststoffrohmaterial bewegt wird (insbesondere in dem Bereich, in dem Rohmaterial zugeführt wird) durch das Kunststoffrohmaterial deutlich abgerieben. Außerdem treten in diesem Fall in dem Kunststoffeinspritz- oder Ausgabebereich, Probleme im Hinblick auf eine Beschädigung durch Korrosion aufgrund eines Gases, das durch das Kunststoffrohmaterial erzeugt wird und durch Beschädigungen durch Abrieb unter hohem Druck auf.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Modifizierung der Oberfläche eines metallischen Bauteils ist die Haftung zwischen der oberflächenmodifizierten Schicht und dem Basismaterial sehr gut und die Oberflächenschicht weist ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, Gleiteigenschaften und Abriebfestigkeit auf, was dazu führt, dass die vorliegende Erfindung als Verfahren zur Modifizierung der Oberfläche eines metallischen Bauteils von Nutzen ist, welches teilweise eine Korrosionsbeständigkeit oder Abriebfestigkeit aufweisen sollte, wie die oben beschriebenen Teile für die Kunststoffspritzgießmaschine.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung genauer in Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben, obwohl sie nicht nur auf diese Beispiele eingeschränkt ist.
In den folgenden Beispielen sind die Beispiele 1 bis 6 Ausführungsformen, in denen die Bildung einer korrosionsbeständigen und abriebfesten Legierung oder einer aufgebauten Schicht durch einen Pendelvorgang erfolgt und die Beispiele 7 bis 9 sind Ausführungsformen, in denen ein Plasmalichtbogenschweißgerät verwendet wird.
Beispiel 1
VC-Pulver (durchschnittlicher Teilchendurchmesser: 1,7 μm) wird in einer Menge von 20 Gew.-%, 25 Gew.-% und 40 Gew.-% einem Co-Basislegierungspulver (einem Matrixmetallpulver) zugegeben, welches bezogen auf das Gewicht 0,2% C, 0,6% Si, 26,5% Cr, 2,7% Ni, 5,4% Mo und 0,3% Fe enthält, wobei der Rest im wesentlichen aus Co besteht. Die Pulvermischungen werden granuliert, Materialien für die Legierung bereitzustellen. Ein Beispiel für den Zustand des Pulvergranulates ist in den 1 und 2 gezeigt.
Jedes Beispiel für diese Pulvergranulate wird an einer kleinen Stelle einem Pendelverfahren unter Verwendung eines Plasmalichtbogenschweißgerätes unterzogen und auf eine Temperatur um den Schmelzpunkt von VC herum (etwa 2830°C) erhitzt, um die Proben zu schmelzen, so dass eine korrosionsbeständige und abriebfeste Legierung der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird.
Die resultierenden Probelegierungen werden einer Härtemessung unterzogen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1
Mikrofotographien (Vergrößerung: × 400) der metallischen Strukturen der Gruppen 1, 2 und 3, wie sie oben hergestellt wurden, sind in den 3, 4 und 5 gezeigt. Es ist offensichtlich, dass in all diesen metallischen Strukturen eine Phase aus feinen VC-Teilchen (die im wesentlichen aus Teilchen mit einem Durchmesser von etwa 1 μm oder weniger bestehen) homogen in der Matrixmetallphase verteilt ist.
Dann wird jede Probe einer Korrosionsuntersuchung unterzogen. Die Untersuchung der Korrosion erfolgt unter Verwendung einer 6 N wässrigen Salzsäurelösung und einer 6 N Salpetersäurelösung als Korrosionslösung. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2
Ferner wird jede Probenlegierung einem Abriebtest unterzogen. Ein Abriebuntersuchungsgerät des Ohkoshi-Typs wird als Untersuchungsgerät für die Abriebfestigkeit verwendet. Der Abrieb wird unter Verwendung von SKD-11 (HRC58) als Gegenmaterial unter Bedingungen einer Endbelastung von 185 N (18,9 kp) und einer Reibungsdistanz von 600 m gemessen. Die Ergebnisse sind in 8 angegeben. Wie aus den Untersuchungsergebnissen zu sehen ist, zeigen alle erfindungsgemäßen Probenlegierungen 1, 2 und 3 eine gute Abriebfestigkeit, und es zeigt sich eine Neigung, dass sich die Abriebfestigkeit mit einem Anstieg der Zugabenmenge von harten VC-Teilchen verbessert.
Beispiel 2
Ein VC-Pulver (durchschnittlicher Teilchendurchmesser 1,7 μm) wird in einer Menge von 7,5 Gew.-% einem Fe-Basislegierungspulver (einem Matrixmetallpulver) zugefügt, das bezogen auf das Gewicht 1,2% C, 0,6% Si, 0,3% Mn, 4,5% Cr, 5,1% Mo, 6,3% W, 3,1% V und 8,4% Co enthält, wobei der Rest im wesentlichen aus Fe besteht. Die Pulvermischung wird granuliert, um ein Material für eine Legierung bereitzustellen.
Die korrosionsbeständige und abriebfeste Legierung der vorliegenden Erfindung wird auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt mit der Ausnahme, dass das Pulvergranulat, das wie gerade zuvor erwähnt hergestellt wurde, verwendet wurde.
Die resultierende Legierungsprobe hat eine Hv-Härte von 950 bis 1000. Infolgedessen ist es offensichtlich, dass die Verwendung der Fe-Basislegierung als Matrixmetall eine höhere Härte als im Fall der Verwendung der Co-Basislegierung bereitstellen kann, sogar wenn die Zugabemenge von VC nicht größer als etwa 7,5% ist.
6 ist eine Mikrofotographie (Vergrößerung: × 400) einer metallischen Struktur einer Legierungsprobe, wie sie in diesem Beispiel bereitgestellt wird. Aus der Mikrofotographie ist zu sehen, dass eine Phase aus feinen VC-Teilchen (Teilchendurchmesser: etwa 1 μm) homogen in der Matrixmetallphase verteilt ist.
Anschließend wird diese Legierungsprobe (Nr. 4) auf dieselbe Weise wie jene in Beispiel 1 einer Korrosionsuntersuchung unterzogen. Als Ergebnis wird die Menge an Korrosion (mg/cm²·hr) in der wässrigen Salzsäurelösung zu 0,08 und in der wässrigen Salpetersäurelösung zu 62,8 bestimmt.
Ferner wird die Legierungsprobe (Nr. 4) einer Abriebsuntersuchung unterzogen. Ein Untersuchungsgerät des Ohkoshi-Typs zur Bestimmung des Abriebs wird als Abriebuntersuchungsgerät verwendet, und der Abrieb wird unter Verwendung SKD-11 (HRC58) als Gegenmaterial unter Bedingungen einer Endlast von 185 N (18,9 kp) und eine Reibungsdistanz von 600 m bestimmt. Die Ergebnisse sind in 8 gezeigt. Wie aus den Untersuchungsergebnissen zu sehen ist, hat diese Probe eine gute Abriebfestigkeit.
Beispiel 3
VC-Pulver (durchschnittlicher Teilchendurchmesser: 1,7 μm) wird in eine Menge von 19 Gew.-% einem Ni-Basislegierungspulver (einem Matrixmetallpulver) zugegeben, welches in bezug auf das Gewicht 0,042% C, 0,30% Si, 0,008% B, 20,50% Cr, 0,27% Fe, 0,29% Mn und 2,7% Ti enthält, wobei der Rest im wesentlichen aus Ni besteht, um eine Pulvermischung herzustellen.
Die Probe der Pulvermischung wird wärmebehandelt, indem ein Plasmalichtbogenschweißgerät auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 verwendet wird, um die korrosionsbeständige und abriebfeste Legierung der vorliegenden Erfindung zu erhalten.
Die resultierende Legierungsprobe hat eine Hv-Härte von 510 bis 590.
7 ist eine Mikrofotographie (Vergrößerung: × 400) der metallischen Struktur einer Legierungsprobe, wie sie in diesem Beispiel bereitgestellt wird. Wie aus der Mikrofotographie zu sehen ist, ist eine Phase aus feinen VC-Teilchen (Teilchendurchmesser: etwa 1 μm) homogen in der Matrixmetallphase verteilt.
Anschließend wird diese Legierungsprobe (Nr. 5) einer Korrosionsuntersuchung auf dieselbe Weise wie jene in Beispiel 1 unterzogen. Als Ergebnis wird die Menge an Korrosion (mg/cm²·hr) in der wässrigen Salzsäurelösung zu 0,06 und in der wässrigen Salpetersäurelösung zu 0,09 bestimmt.
Ferner wird die Legierungsprobe (Nr. 5) einem Abriebtest unterzogen. Ein Abriebtestgerät des Ohkoshi-Typs wird als Abriebuntersuchungsgerät verwendet, der Abrieb wird gemes sen, indem SKD-11 (HRC58) als Gegenmaterial unter Bedingungen einer Endlast von 176 N (18,0 kp) und einer Reibungsdistanz von 600 m verwendet wird. Die Ergebnisse sind in 8 gezeigt. Wie aus den Untersuchungsergebnissen zu sehen ist, hat diese Legierungsprobe auch eine gute Abriebfestigkeit.
Vergleichsbeispiel
Matrixmetallpulver mit Zusammensetzungen, wie sie in der folgenden Tabelle 3 aufgeführt sind, werden mit einem Pulver aus harten Teilchen vermischt, die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 70 μm haben, wie es in der folgenden Tabelle 3 angegeben ist. Die Proben der Pulvermischungen werden einem Pendelverfahren mit einem Plasmalichtbogenschweißgerät auf die gleiche Weise unterzogen wie in Beispiel 1 und auf die Schmelzpunkttemperatur (etwa 2730°C) des aus harten Teilchen bestehenden Pulvers oder darüber erhitzt, womit die Proben geschmolzen werden. Nach dem Schmelzvorgang läßt man die Proben abkühlen, wobei Legierungen entstehen, die harte Teilchen enthalten. Die Legierungsproben (A, B und C), die so hergestellt wurden, werden einer Härtemessung unterzogen, und die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 3 angegeben.
Tabelle 3
Die Härte (Hv) der Legierungsproben beträgt 550 bis 600 für Probe A, 600 bis 750 für Probe B und 650 bis 750 für Probe C.
Ferner werden die Legierungsproben auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 einer Korrosionsuntersuchung unterzogen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 4 angegeben.
Tabelle 4
Ferner werden die Legierungsproben A, B und C einem Abriebtest auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 unterzogen. Die Ergebnisse sind in 9 gezeigt.
Aus dem Vergleich der 8 mit 9 ist zu sehen, dass die Verwendung eines Pulvergranulates gemäß der vorliegenden Erfindung eine geringere spezifische Abriebmenge, d. h. eine bessere Abriebfestigkeit als die Verwendung eines physikalisch vermischten Pulvers aufgrund der Differenz im Teilchendurchmesser des VC bereitstellt, obwohl VC in beiden Fällen zugegeben wurde.
Diesen Ergebnissen ist zu entnehmen, dass in 9 der Teilchendurchmesser in dem Bereich von 10 bis 50 μm variiert, wobei einige VC-Teilchen ungeschmolzen verbleiben, was die Abriebbeständigkeit verringert.
Beispiel 4
VC-Pulver (durchschnittlicher Teilchendurchmesser: 1,7 μm) wird in Mengen von 20 Gew.-%, 25 Gew.-% und 40 Gew.-% einem Co-Basislegierungspulver mit einer Zusammensetzung zugegeben, die in bezug auf Gewicht 0,15 bis 0,35% C, 0,90 bis 1,30% Si, 1,00% oder weniger Mn, 0,030% oder weniger P, 0,030% oder weniger S, 2,5 bis 3,5% Ni, 24,0 bis 28,0% Cr, 5,00 bis 6,00% Mo und 1,50% oder weniger Fe enthält, wobei der Rest im wesentlichen aus Co besteht. Die Pulvermischungen werden granuliert, um die Materialien für die Legierung bereitzustellen.

Die Pulvergranulate werden durch Pandeln mit einem Plasmalichtbogenschweißgerät auf ein Stahlmaterial (SCM 440) geschweißt, um eine korrosionsbeständige und abriebfeste Legierungsschicht auf dem Stahlmaterial zu bilden. Das Plasmalichtbogenschweißverfahren wird unter den folgenden Bedingungen durchgeführt.

Strom:	140 A
Spannung:	40 V
Strömungsgeschwindigkeit des Plasmagases:	1,4 Liter/min
Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases:	16 Liter/min
Strömungsgeschwindigkeit des Pulvergases:	3,1 Liter/min
Zuführungsgeschwindigkeit des Pulvers:	11,8 g/min
Anzahl der Pendelbewegung:	46 Mal/min
Breite der Pendelbewegung:	7 mm
Schweißgeschwindigkeit:	80 mm/min
Ausdehnung:	8 mm

Die Teilchengröße des Pulvergranulates, das bei dem obigen Schweißverfahren verwendet wird, liegt im Bereich von 160 bis 250 mesh und die Spitze der Partikelgröße in der Partikelgrößenverteilung liegt bei 200 mesh oder weniger.
Mikrokfotographien der metallischen Strukturen des Querschnitts einer aufgebauten Schweißbindung, die so hergestellt wird, sind in den 10 bis 12 gezeigt (jeweils entsprechend der Zugabe von VC in Mengen von 20 Gew.-%, 25 Gew.-% und 40 Gew.-%). Wie aus den Mikrofotographien zu sehen sind, ist eine feine VC-Teilchenphase mit einem Durchmesser von 1 μm oder weniger homogen dispergiert und ausgefällt (Vergrößerung: × 400).
Die oberflächenmodifizierten metallischen Bauteile, die so hergestellt werden, werden einer Messung der Festigkeit gegenüber Abblättern und der Scherfestigkeit unterzogen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 5 aufgeführt.
Tabelle 5
Ferner werden die oberflächenmodifizierten metallischen Bauteile einer Härtemessung unterzogen. Die Ergebnisse sind in den 13 bis 15 aufgeführt (jeweils entsprechend der Zugabe von VC in Mengen von 20 Gew.-%, 25 Gew.-% und 40 Gew.-%). Ferner werden die oberflächenmodifizierten metallischen Bauteile einer Korrosionsuntersuchung unterzogen. Die Ergebnisse sind die gleichen wie in Beispiel 1.
Aus den oben beschriebenen Untersuchungsergebnissen wird offensichtlich, dass die metallischen Bauteile der vorliegenden Erfindung Probleme des Standes der Technik lösen, das heißt (1) Verlust der Bindungsstärke zwischen dem Basismaterial und der aufgebauten Schweißschicht und (2) Verringerung der Abriebfestigkeit, die auf einer Bildung von grobem Material, einer ungleichen Verteilung und anderen nachteiligen Phänomenen zugegebener Teilchen beruht, und das sie ausgezeichnete metallische Bauteileigenschaften aufweisen.
Beispiel 5
Eine Spritzgießschnecke, bei der die Oberfläche des Bauteils modifiziert worden ist, wird bereitgestellt, indem dieselben Materialien wie jene in Beispiel 4 verwendeten auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 verwendet werden. 16 ist eine Außenansicht dieser Schutzgießschnecke 30. Eine praktische Untersuchung wird durchgeführt, um die obige Spritzgießschnecke mit einer Spritzgießschnecke zu vergleichen, die einer Härtung gefolgt von einer Plattierung der Oberfläche mit hartem Chrom nach einem herkömmlichen Verfahren unterzogen worden ist. Bei dem praktischen Test wird die Lebensdauer der Schneckenoberfläche, welche nach einem herkömmlichen Verfahren modifiziert wurde, als Referenz verwendet, und die Lebensdauer der Schnecke gemäß der vorliegenden Erfindung wird als Verhältnis der Lebensdauer bezogen auf den Referenzwert gerechnet. Als Ergebnis beträgt das Verhältnis der Lebensdauer der Spritzgießschnecke gemäß der vorliegenden Erfindung 3,5, wohingegen das Lebensdauerverhältnis der Spritzgießschnecke gemäß einem herkömmlichen Verfahren 1,0 beträgt.
Aus den oben beschriebenen Ergebnissen ist offensichtlich, dass mit der erfindungsgemäßen Spritzgießschnecke eine bemerkenswerte Verbesserung der Lebensdauer gegenüber der herkömmlichen Spritzgießschnecke erzielt werden kann.
Beispiel 6
Ein oberflächemodifizierter Spritzgießzylinder wird bereitgestellt, indem dieselben Materialien wie in Beispiel 4 auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 verwendet werden. Die Ansicht des Spritzgießzylinders ist in 17 im Schnitt gezeigt. In der Zeichnung gibt Bezugszeichen 1 einen zylindrischen Körper an, Bezugszeichen 2 eine Öffnung zur Zuführung von Kunststoffrohmaterial und Bezugszeichen 3 eine Innenwand des Zylinders, die oberflächenbehandelt werden soll.
Eine praktische Untersuchung erfolgt, um den obigen Spritzgießzylinder mit einem Spritzgießzylinder zu vergleichen, der hergestellt wird, indem die Innenfläche eines Spritzgießzylinderkörpers, der SACM 645 enthält, eine Nitrisie rung gemäß einem herkömmlichen Verfahren unterzogen wird. In dieser praktischen Untersuchung wird die Lebensdauer der Zylinderoberfläche, wie sie entsprechend dem herkömmlichen Verfahren modifiziert wurde, als Referenz verwendet, und die Lebensdauer des erfindungsgmäßen Zylinders wird als Verhältnis der Lebensdauern bezogen auf den Referenzwert berechnet. Als Ergebnis beträgt das Lebensdauerverhältnis des Spritzgießzylinders gemäß der vorliegenden Erfindung 3,6, wohingegen das Verhältnis der Lebensdauer des Spritzgießzylinders, wie er durch ein herkömmliches Verfahren bereitgestellt wird, 1,0 beträgt.
Aus dem oben beschriebenen Ergebnis ist offensichtlich, dass bei dem erfindungsgemäßen Spritzgießzylinder eine bemerkenswerte Verbesserung der Lebensdauer gegenüber einem herkömmliche Spritzgießzylinder erzielt wurde.
Beispiel 7
VC-Pulver (durchschnittlicher Teilchendurchmesser: 1,7 μm oder weniger) wird in einer Menge von 20 Gew.-% zu einem Co-Basislegierungspulver (einem Matrixmetallpulver) gegeben, welches in bezug auf das Gewicht 0,2% C, 0,6% Si, 26,5% Cr, 2,7% Ni, 5,4% Mo und 0,3% Fe enthält, wobei der Rest im wesentlichen aus Co besteht, um ein Material für eine Legierung bereitzustellen.
Die korrosionsbeständige und abriebfeste Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus der Pulvermischungsprobe mit Hilfe eines Plasmalichtbogenschweißgerätes, wie es in 20 gezeigt ist, hergestellt. Die Abkühlgeschwindigkeit wird auf 100°C/sec oder mehr eingestellt.
Die resultierende Legierungsprobe hat eine Hv-Härte von 580 bis 650.
21 ist eine Mikrofotographie (Vergrößerung: × 400) der metallischen Struktur einer Legierungsprobe, wie sie in ddiesem Beispiel bereitgestellt wird. Aus der Mikrofotographie ist zu sehen, dass eine Phase aus feinen VC-Teilchen (im wesentlichen aus Teilchen mit einem Durchmesser von etwa 1 μm oder weniger bestehend) homogen in der Matrixmetallphase verteilt ist.
Anschließend wird die Legierungsprobe einer Korrosionsuntersuchung unterzogen. Die Untersuchung der Korrosion wird unter Verwendung einer 6 N wässrigen Salzsäurelösung und einer 6 N wässrigen Salpetersäurelösung als korrodierende Lösung verwendet.
Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 6 aufgeführt.
Tabelle 6
Ferner wird die Legierungsprobe einem Abriebtest unerzogen. Ein Abriebuntersuchungsgerät des Ohkoshi-Typs wird als Abriebuntersuchungsgerät verwendet, und der Abrieb wird unter Verwendung von SKD-11 (HRC58) als zweites Material unter Bedingungen einer Endlast von 176 N (18,0 kp) und einer Reibungsdistanz von 600 m gemessen. Die Ergebnisse sind in 24 aufgeführt. Wie aus den Untersuchungsergebnissen zu sehen ist, hat die Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung eine gute Abriebfestigkeit.
Beispiel 8
Die Legierung der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung eines mit einem Kern versehenen Drahtes gebildet, welches ein hohles Rohr enthält, das die gleiche Fe-Basislegierung wie in Beispiel 2 enthält, und in das ein großes VC-Pulver (Durchmesser des Rohrs: 1,6 mm, Packungsanteil: etwa 30%) gefüllt wird und verschlossen wird. Es wird ein Plasmadrahtschweißgerät desselben Typs wie es in 20 gezeigt ist verwendet, das mit Drahtzuführungseinrichtungen ausgestattet ist. Der Schweißprozess wird unter Bedingungen einer Schweißgeschwindigkeit von 160 mm/min und einem Schweißstrom von 160 A und einer Bogenspannung von 22 V durchgeführt.
Die resultierende Legierungsprobe hat eine Hv-Härte von 750 bis 800. 22 ist eine Mikrofotographie (Vergrößerung: × 400) der metallischen Struktur der Legierungsprobe, wie sie in diesem Beispiel vorgesehen ist. Wie aus der Mikrofotographie zu sehen ist, ist eine Faser aus feinen VC-Teilchen (im wesentlichen aus Teilchen mit einem Durchmesser von etwa 1 μm oder weniger bestehend) homogen in der Matrixmetallphase verteilt.
Anschließend wird diese Legierungsprobe einer Korrosionsuntersuchung und einem Abriebtest unterzogen. Die Ergebnisse sind wie folgt. Die Menge der Korrosion in einer 6 N wässrigen Salzsäurelösung beträgt 0,12 mg/cm²·hr. Der Abriebtests erfolgt, indem ein Abriebuntersuchungsgerät eines Ohkoshi-Typs auf die gleiche Weise wie in Beispiel 7 verwendet wird. Die Ergebniss sind in 24 gezeigt.
Beispiel 9
Die Legierung der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung des gleichen Ni-Basislegierungspulvers und VC-Pulvers wie in Beispiel 3 und einem Plasmalichtbogenschweißgerät, wie es in 20 gezeigt ist, hergestellt.
Die resultierende Legierungsprobe hat eine Hv-Härte von 550 bis 650.
23 ist eine Mikrofotographie (Vergrößerung: × 400) der metallischen Struktur einer Legierungsprobe, wie sie in diesem Beispiel vorgesehen ist. Wie aus der Mikrofotogra phie zu sehen ist, ist eine Phase aus feinen VC-Teilchen im (wesentlichen aus Teilchen mit einem Durchmesser von etwa 1 μm oder weniger bestehend) homogen in der Matrixmetallphase verteilt.
Anschließend wird diese Legierungsprobe einem Abriebtest auf die gleiche Weise wie in Beispiel 7 unterzogen. Die Ergebnisses sind in 24 aufgeführt.
Die Menge an Korrosion beträgt 0,01 mg/cm²·hr wie sie in einer 6 N wässrigen Salzsäurelösung und 0,07 mg/cm²·hr, wie es in einer 6 N wässrigen Salpetersäurelösung gemessen wird.
Die Legierung der vorliegenden Erfindung kann eine bedeutende Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit gegenüber einer herkömmlichen Legierung bereitstellen und behält die Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit in diesem Grad bei. Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine Legierung nicht nur Vanadiumcarbid vollständig durch einen einzigen Schmelzvorgang geschmolzen werden, sondern es kann außerdem eine Phase feiner Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von 1 μm oder weniger homogen ausgefällt und kristallisiert werden, was zu ausgezeichneten Effekten im Hinblick auf die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit von Legierungen in einer geringen Anzahl von Schritten führt und die Lebensdauer und Haltbarkeit verschiedener metallischer Bauteile bemerkenswert verbessert. Ferner ist das Material für Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet, die Herstellung der oben beschriebenen Legierung zu erleichtern, und kann in Form einer willkürlich aus einer Pulvermischung oder anderen Formen gewählten Art verwendet werden, wie eines einen Kern aufweisenden Drahtes, abhängig von den Schweißgeräten und Schweißbedingungen, was zur Verbesserung der Praktikabilität beitragen kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Legierung mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit, welche die Schritte umfaßt: – Schmelzen eines Pulvergemisches oder eines VC-Pulver enthaltenden Drahtes, welcher ein Matrixmetall enthält, das aus zumindest einem Element besteht, das aus einer Fe-Basislegierung, einer Co-Basislegierung, einer Ni-Basisllegierung ausgewählt ist, und ein VC-Pulver mit einem Teilchendurchmesser von 10 μm oder weniger mit Hilfe einer Wärmequelle hoher Energiedichte und dann – Kühlen der resultierenden Schmelze, derart dass diese homogen kristallisiert und/oder VC mit einer Teilchengröße von 5 μm oder weniger in der Matrixmetallphase ausfällt.
Verfahren zur Herstellung einer Legierung nach Anspruch 1, wobei das Schmelzen mit Hilfe einer Wärmequelle hoher Energiedichte durch Plasmaschweißen oder Laserstrahl erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines oberflächenmodifizierten Metallbauteils, das die Bildung einer Legierungsschicht mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichneter Abbriebfestigkeit auf einem bestimmten Bereich eines Metallbauteils mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein einen Kern enthaltender Draht verwendet wird, der ein Rohr aus einem Matrixmetall aus zumindest einem Element, das aus einer Fe-Basislegierung, einer Co-Basislegierung, einer Ni-Basis-legierung ausgewählt ist, und in das Rohr eingefülltes VC-Pulver mit einem Teilchendurchmesser von 10 μm oder weniger enthält.
Legierung mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit, enthaltend eine Matrixmetallphase, die aus zumindest einem Element besteht, das aus einer Fe-Baislegierung, einer Co-Basislegierung, einer Ni-Basislegierung ausgewählt ist, und eine zu 10 bis 65 Flächen-% in der Metallmatrix vorliegende, im wesentlichen homogen kristallisierte und/oder ausgefällte VC-Teilchenphase mit einem Teilchendurchmesser von etwa 1 μm oder weniger.
Oberflächenmodifiziertes Metallbauteil, aufweisend ein Metallbauteil und eine Legierung nach Anspruch 5, wobei die Oberfläche des Metallbauteils an gewünschter Stelle vollständig mit der Legierung beschichtet ist.