DE69602226T2

DE69602226T2 - Eisenlegierung mit Fe-Al Diffusionsschicht und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69602226T2
Application number: DE69602226T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Hamada; Junji Imai; Fumio Iwane; Hirosi Yamada; Shuji Yamada
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2016-05-18
Also published as: EP0743374B1; CN1156764A; US5981089A; HK1000894A1; EP0743374A1; DE69602226D1; CN1063496C

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Eisenlegierung, die mit einem rostfreien Fe- Cr-Stahl als Substrat und einer Fe-Al-Diffusionsschicht mit verbesserter Härte ausgebildet ist, die für aufeinander gleitende Teile wie beispielsweise Zahnräder und Lagerungen oder Schneiden von elektrischen Rasierern oder Haarschneidegeräten verwendet werden kann, und auf ein Verfahren zum Herstellen dieser Eisenlegierung.

TECHNISCHER HINTERGRUND

In der Vergangenheit wurden kohlenstoffhaltige Werkzeugstähle, hochgekohlte rostfreie Stähle und ausscheidungsgehärtete rostfreie Stähle für aufeinander gleitende Teile wie Zahnräder und Lagerungen oder Schneidwerkzeuge verwendet. Diese Stähle zeigen eine ausgezeichnete mechanische Zähigkeit und Stoßfestigkeit, allerdings ist die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit der Stähle nicht immer ausreichend, um den aufeinander gleitenden Teilen oder Schneidwerkzeugen eine lange Lebensdauer zu geben. Um dieses Problem zu lösen, wird vorgeschlagen, keramische Materialien wie Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) oder Zirkonoxid (ZrO&sub2;) mit hervorragender Härte und Verschleißfestigkeit zu verwenden. Allerdings besteht ein anderes Problem dahingehend, daß die mechanische Zähigkeit der keramischen Materialien wesentlich geringer als die der Stähle. Außerdem ist es nicht leicht, keramische Materialien auf die unterschiedlichen Formen von gleitenden Teilen oder Schneidwerkzeugen zu bearbeiten. Daher ist es erwünscht, ein Material mit verbesserter Härte und Verschleißfestigkeit zu entwickeln, während die mechanische Festigkeit und Zähigkeit der Stähle beibehalten wird.
Beispielsweise beschreibt die frühere japanische Patentanmeldung (KOKAl) 4-250995 ein Klingenmaterial für elektrische Rasierer und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Klingenmaterial umfaßt ein Substrat wie beispielsweise einen unmagnetischen rostfreien Stahl großer Härte, eine Fe-Mn-Legierung oder Be-Cu-Legierung, eine intermetallische Komponentenschicht aus Al und in dem Substrat enthaltenen Metallelementen, z.B. und Ni und Fe, und eine Al&sub2;O&sub3;-Schicht auf der intermetallischen Komponentenschicht. Das Klingenmaterial kann mit den Schritten hergestellt werden, Ni- und Al-Folien auf das Substrat zu plattieren, so daß sich die Ni-Folie zwischen dem Substrat und der Al-Folie befindet, Erhitzen des plattierten Substrats in Vakuum oder einer Oxidationsatmosphäre, um eine intermetallische Komponentenschicht aus NiAl und/oder Ni&sub3;Al und der Al&sub2;O&sub3;-Schicht auszubilden. Wenn die Wärmebehandlung unter Vakuum durchgeführt wird, wird das plattierte Substrat bei einer Temperatur von 400ºC bis 650ºC während einer bis 20 Minuten erwärmt. Wenn die Wärmebehandlung in der Oxidationsatmosphäre erfolgt, wird das plattierte Substrat auf eine Temperatur von 600ºC bis 1000ºC während 5 bis 20 Stunden erhitzt. Da allerdings die Diffusionsrate von Ni-Atomen in das Substrat wesentlich langsamer als die der Al-Atome in das Substrat ist, und außerdem die Ni-Atome die Diffusion von Al-Atomen in das Substrat verhindern, besteht dahingehend ein Problem, daß die Adhäsion zwischen dem Substrat und der intermetallischen Komponentenschicht nicht ausreicht.
Das britische Patent 1278085 beschreibt einen Aluminium-diffusionsbeschichteten Stahl mit sulfidationsbeständigen Eigenschaften in einer Atmosphäre hoher Temperatur und Drucks. Der beschichtete Stahl beinhaltet einen Stahl mit einer Oberflächenschicht, die durch ein Aluminium-Diffusionsbeschichtungsverfahren erzeugt ist. Das Verfahren zeichnet sich durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 800 bis 950ºC aus. Die Oberflächenschicht besteht aus einer Aluminiumlegierung und hat eine Dicke von höchstens 300 um. Der Aluminiumgehalt des Oberflächenbereichs der Oberflächenschicht ist weniger als 30 Gew.-%. Beispielsweise ist das Substrat ein Legierungsstahl mit Kohlenstoff von höchstens 0,5 Gew.-% und mindestens einem Element, ausgewählt von Mo in einer Menge von 0,1 bis 1,2 Gew.-%, Cr von höchstens 10 Gew.-% und Ni von höchstens 4,5 Gew.-%. Für das Aluminium- Diffusionsbeschichtungsverfahren kann ein Pulverbeschichtungsverfahren, Gasverfahren, keramisches Adsorptionsverfahren oder Heißtauch- und Diffusionsverfahren angewendet werden. Da allerdings der Aluminiumgehalt der Oberflächenschicht weniger als 30 Gew.-% beträgt, ist es schwierig, harte Al-Fe-intermetallische Verbindungen wie Al&sub3;Fe, Al&sub1;&sub3;Fe oder Al&sub5;Fe&sub2; in der Oberflächenschicht auszubilden. Als Ergebnis ist die Oberflächenschicht nicht ausreichend, um große Härte und Verschleißbeständigkeit bereitzustellen.
Um die Oberflächenhärte und Verschleißbeständigkeit eines Stahls zu verbessern, stellt die vorliegende Erfindung eine Eisenlegierung mit einem rostfreien Fe-Cr-Stahl als Substrat und einer Fe-Al-Diffusionsschicht auf dem Substrat bereit, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Der rostfreie Stahl hat eine Vickers-Härte von 400 oder mehr. Die Diffusionsschicht zeichnet sich dadurch aus, daß (1) die Dicke der Diffusionsschicht im Bereich von 2 bis 50 um liegt; (2) die Diffusionsschicht zumindest 90 Vol.-% einer intermetallischen Verbindung von Al und Fe bezüglich des Gesamtvolumens der Diffusionsschicht enthält; und (3) der Aluminiumgehalt innerhalb einer Dicke von zumindest 2 um der Diffusionsschicht 35 bis 65 Gew.-% beträgt, basiert auf dem Gesamtgewicht eines Bereichs der Diffusionsschicht, der sich bis zu der Dicke von zumindest zwei um bewegt.
Daher besteht eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Eisenlegierung mit einem rostfreien Fe-Cr-Stahl als Substrat und einer Fe-Al-Diffusionsschicht auf dem Substrat bereitzustellen, welche eine verbesserte Härte und Verschleißbeständigkeit aufweist, während die mechanische Festigkeit und Zähigkeit des Substrats beibehalten werden.
Vorzugsweise enthält die intermetallische Verbindung in der Diffusionsschicht zumindest eine aus der Gruppe, die aus Al&sub2;Fe, Al&sub5;Fe&sub2;, Al&sub3;Fe und Al&sub1;&sub3;Fe&sub4; besteht. Insbesondere enthält die Diffusionsschicht vorzugsweise die intermetallische Verbindung in einer solchen Menge, daß die Diffusionsschicht zumindest 10% eines Spitzenverhältnisses zeigt, welches festgelegt ist durch 100 · P1 / (P1 + P2), wobei P1 eine Hauptspitzenhöhe für die intermetallische Verbindung und P2 eine Hauptspitzenhöhe für Al&sub2;Fe und AlFe&sub3; ist. Die Werte P1 und P2 können in einem Röntgenstreuungsprofil festgestellt werden, welches mittels Röntgenstreuung an der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht erhalten wird.
Vorzugsweise wird als Substrat ein ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl verwendet, mit 66 bis 81,9 Gew.-% Fe, 15 bis 20 Gew.-% Cr, 3 bis 13 Gew.-% Ni und einem Element ausgewählt aus 3 bis 6 Gew.-5 Cu, 0,5 bis 2 Gew.-% Al und 0,01 bis 0,2 Gew.-% von insgesamt C und N, oder ein hochgekohlter rostfreier Stahl mit 73 bis 89,9 Gew.-% Fe, 10 bis 19 Gew.- % Cr, 0,1 bis 1,2 Gew.-% C und weniger als 3 Gew.-% Ni.
Wenn als Substrat der rostfreie ausscheidungsgehärtete Stahl verwendet wird, kann die Eisenlegierung nach der vorliegenden Erfindung nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Das bedeutet, daß eine Al-Schicht auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet wird, um ein Al-beschichtetes Substrat bereitzustellen. Das Al-beschichtete Substrat wird auf eine Temperatur von 450 bis 600ºC während 0,5 bis 4 Stunden aufgeheizt, um dem Substrat dadurch eine Vickers-Härte von 400 oder mehr zu geben, und gleichzeitig diffundieren Al- und Fe-Atome jeweils in das Substrat und die Al-Schicht, so daß die Fe-Al-Diffusionsschicht in der Oberfläche des beschichteten Substrats gebildet wird.
Wenn andererseits als Substrat der rostfreie, hochgekohlte Stahl verwendet wird, kann die Eisenlegierung nach der vorliegenden Erfindung nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Das bedeutet, daß eine Al-Schicht auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet wird, um ein Al-beschichtetes Substrat bereitzustellen. Das Al-beschichtete Substrat wird während 15 bis 180 Sekunden auf eine Temperatur von 900 bis 1100ºC aufgeheizt, damit Al- und Fe-Atome jeweils in das Substrat und die Al-Schicht diffundieren, so daß die Fe-Al- Diffusionsschicht in der Oberfläche des beschichteten Substrats erzeugt wird. Dann wird das beschichtete Substrat von der Wärmebehandlungstemperatur mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 10ºC/sec oder mehr gekühlt, so daß sich eine Vickers-Härte von 400 oder mehr im Substrat ergibt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine SEM-Photographie eines Querschnitts einer Eisenlegierung nach der vorliegenden Erfindung, mit EPMA (Elektronensonden-Mikroanalyse) Profilen von Al, Fe und Cr;
Fig. 2 zeigt eine erläuternde Skizze der EPMA-Profile von Fig. 1;
Fig. 3 zeigt Kurven, die die Veränderungen der Al- und Cr-Gehalte in der Tiefe von der äußeren Oberfläche einer Diffusionsschicht der Eisenlegierung zeigen;
Fig. 4 ist eine Kurve, die die Veränderung der Vickers-Härte in der Tiefe von der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht zeigt;
Fig. 5 ist ein Röntgenstreuungsprofil, welches mittels Röntgenstreuung an der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht erhalten wurde;
Fig. 6 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Oberflächenhärte (senkrechte Achse) der Diffusionsschicht und dem Al-Gehalt (horizontale Achse) zeigt, der in einer Tiefe von etwa 2 um von der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht enthalten ist; und
Fig. 7 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Oberflächenhärte (vertikale Achse) der Diffusionsschicht und dem Spitzenverhältnis (horizontale Achse) von Fe-Al-intermetallischen Verbindungen zeigt.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG IM EINZELNEN

Eine Eisenlegierung nach der vorliegenden Erfindung enthält ein Substrat aus einem rostfreien Fe-Cr-Stahl und einer Fe-Al-Diffusionsschicht auf dem Substrat.
Das Substrat hat eine Vickers-Härte von 400 oder mehr. Insbesondere wird dann, wenn die vorliegende Eisenlegierung für Klingen von Schneidwerkzeugen wie beispielsweise elektrische Rasierer oder Haarschneider verwendet wird, bevorzugt, als Substrat einen ausscheidungsgehärteten rostfreien Stahl zu verwenden, mit 66 bis 81,9 Gew.-% Fe, 15 bis 20 Gew.- % Cr, 3 bis 13 Gew.-% Ni, und einem Element, welches ausgewählt ist von 3 bis 6 Gew.-% Cu, 0,5 bis 2 Gew.-% Al und insgesamt 0,01 bis 0,2 Gew.-% C und N, oder einen hochgekohlten rostfreien Stahl mit 73 bis 89,9 Gew.-% Fe, 10 bis 19 Gew.-% Cr, 0,1 bis 1,2 Gew.-% C und weniger als 3 Gew.-% Ni.
Die Fe-Al-Diffusionsschicht hat eine Dicke im Bereich von 2 bis 50 um. Wenn die Dicke weniger als 2 um beträgt, ist sie ungenügend, um der Eisenlegierung einen verbesserten Verschleißwiderstand zu geben. Wenn die Dicke mehr als 50 um beträgt, entstehen dahingehend Probleme, daß die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht sinkt, die Härte des Substrats benachbart zu der Diffusionsschicht sinkt, oder die mechanische Zähigkeit der Diffusionsschicht verschlechtert wird. Insbesondere wird dann, wenn die Eisenlegierung für eine Klinge mit einer scharfen Kante verwendet wird, bevorzugt, daß die Diffusionsschicht eine Dicke von 5 bis 15 um hat, um das Auftreten von Mikro-Abspanungen an der scharfen Kante zu verhindern.
Der innerhalb einer Tiefe von zumindest 2 um der Diffusionsschicht enthaltene Al-Gehalt beträgt 35 bis 65 Gew.-%, auf der Basis des Gesamtgewichts eines Bereichs der Diffusionsschicht bis zu der Dicke von zumindest 2 um. Wenn der Al-Gehalt weniger als 35 Gew.-% beträgt, reicht er nicht aus, um der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht eine verbesserte Härte und Verschleißbeständigkeit zu geben. Wenn der Al-Gehalt mehr als 65 Gew.-% be trägt, bildet sich ein reiner Al-Bereich und/oder eine feste Fe-Al-Lösung mit geringer Härte in der Diffuionsschicht.
Beispielsweise ist in Fig. 1 eine SEM-Photographie eines Querschnitts einer Diffusionsschicht mit einer Dicke von etwa 10 um dargestellt. Zusätzlich sind in Fig. 2 EPMA (Electron Probe Micro Analysis, Elektronensonden-Mikroanalyse) Profile von Al, Fe und Cr, die entlang einer horizontalen Linie auf der SEM-Photographie analysiert worden sind, dargestellt. Der Punkt Do entspricht der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht. Das EPMA-Profil von Al, mit Bezugszeichen 21 bezeichnet, zeigt, daß die Diffusionsschicht einen Oberflächenbereich mit einer hohen Konzentration von Al hat, wobei die Al-Konzentration in der Diffusionsschicht von dem Oberflächenbereich bis in eine Tiefe von etwa 10 um allmählich abnimmt. Andererseits sind die EPMA-Profile von Fe und Cr mit 22 bzw. 23 bezeichnet. Die Fe- und Cr-Konzentrationen nehmen von der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht bis in eine Tiefe von etwa 10 um allmählich zu. Bezugszeichen 24 bezeichnet eine Ni- Beschichtung, die auf der Diffusionsschicht ausgebildet ist, um die SEM-Photographie aufzunehmen.
Fig. 3 zeigt die Veränderungen der Al- und Cr-Gehalte in der Tiefe von der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht, die quantitativ mittels einer Röntgenstrahlen-Mikroanalyse analysiert worden sind. Die Kurve des Al-Gehalts zeigt, daß der innerhalb einer Tiefe von etwa 2 um von der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht enthaltene Al-Gehalt im Bereich von 45 bis 60 Gew.-% liegt, bezogen auf das Gesamtgewicht eines Bereichs der Diffusionsschicht, die bis zu der Dicke von etwa 2 um reicht. Da der Al-Gehalt von 60 Gew.-% etwa 76 Atom-% entspricht, kann angenommen werden, daß Al&sub3;Fe in der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht gebildet wird.
Die Veränderung der Vickers-Härte in der Tiefe von der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht ist in Fig. 4 dargestellt. Die Härte wurde unter einer Belastung von 2 gf. gemessen. Aus der Kurve nach Fig. 4 ist ersichtlich, daß die große Härte (Hv) von etwa 1140 über den Bereich der Diffusionsschicht von der äußeren Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 6 um stabil erhalten wird. Dieser Bereich der Diffusionsschicht entspricht im wesentlichen dem Bereich des Al-Gehalts von 35 bis 60 Gew.-%, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Härte nimmt allmählich von dem Bereich in Richtung auf die Tiefe von etwa 10 um ab und erreicht schließlich etwa 500 als Substrathärte.
Die Diffusionsschicht kann durch eine Röntgenstrahlenstreuung identifiziert werden. Beispielsweise ist in Fig. 5 ein Röntgenstrahlungs-Streuungsprofil der Diffusionsschicht dargestellt. Dieses Röntgenstrahlenprofil wurde aufgenommen unter Verwendung einer Röntgenstrahlungs-Streuungsvorrichtung mit einer herkömmlichen Cu-kα-Röntgenstrahlungsquelle und einem Goniometer 2θ-θ bei einer Beschleunigungsspannung von 40 kV und einem Strom von 200 mA. Die Röntgenstrahlung wurde auf die äußere Oberfläche der Diffusionsschicht eingestrahlt. Das Röntgenstrahlenprofil zeigt, daß die Diffusionsschicht eine Vielzahl von intermetallischen Komponenten aus Fe und Al enthält. Da die Spitzen von Al&sub3;Fe mit den Spitzen von Al&sub1;&sub3;Fe&sub4; und Al&sub5;Fe&sub3; überlappen, können sie nicht getrennt identifiziert werden. Daher kann man die durch das Symbol O in dem Röntgenstrahlungsprofil nach Fig. 5 bezeichneten Spitzen dahingehend deuten, daß zumindest ein Element aus der Gruppe Al&sub1;&sub3;Fe&sub4;, Al&sub5;Fe&sub2; und Al&sub3;Fe vorhanden ist. Weiterhin überlappen manche Spitzen von Al&sub2;Fe, die in dem Röntgenstrahlungsprofil mit dem Symbol X bezeichnet sind, mit den Spitzen der intermetallischen Komponenten, die durch das Symbol O bezeichnet sind. Andererseits überlappen die Spitzen von AlFe, mit dem Symbol Δ bezeichnet, mit den Spitzen von AlFe&sub3;, welches mit dem Symbol bezeichnet ist. Als Ergebnis kann geschlossen werden, daß die Diffusionsschicht dieses Röntgenstrahlungsprofils Al&sub2;Fe, AlFe&sub3; und zumindest eines von Al&sub5;Fe2, Al&sub3;Fe und Al&sub1;&sub3;Fe&sub4; enthält. Da weiterhin der Oberflächenbereich mit einer hohen Konzentration von Al in der Nähe der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht gebildet ist, wie Fig. 2 zeigt, und eine hohe Vickers-Härte im Oberflächenbereich der Diffusionsschicht gemessen wird, wie Fig. 4 zeigt, kann angenommen werden, daß in der Nähe der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht eine relativ große Menge von Al-reichen und harten intermetallischen Komponenten wie Al&sub1;&sub3;Fe&sub4;, Al&sub3;Fe und Al&sub5;Fe&sub2; vorhanden ist.
In der vorliegenden Erfindung enthält die Diffusionsschicht zumindest 90 Vol.-% einer intermetallischen Komponente aus Al und Fe, bezogen auf das Gesamtvolumen der Diffusionsschicht. Das Volumenverhältnis (V: Vol.-%) kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden:
V(Vol.-%) = 100 · S1 / (S1 + S2)
wobei S1 die Gesamtheit der Spitzenbereiche sämtlicher Al-Fe-intermetallischen Verbindungen ist, die auf einem Röntgenstrahlungs-Streuungsprofil identifiziert werden, und S2 die Ge samtheit der Spitzenbereiche aus reinem Al und/oder einer Al-Legierung ist, in der Fe hauptsächlich eine feste Lösung mit Al bildet, mit Ausnahme der Al-Fe-intermetallischen Verbindungen auf dem Röntgenstrahlungsprofil. Wenn das Volumenverhältnis weniger als 90 Vol.- % beträgt, sinkt die Härte der Diffusionsschicht aufgrund des reinen Al und der Al-Legierung, die in der Diffusionsschicht verbleiben. Beispielsweise werden die Spitzen von reinem Aluminium und der Aluminiumlegierung in dem Röntgenstrahlungsprofil von Fig. 5 nicht identifiziert, so daß das Volumenverhältnis der Al-Fe-intermetallischen Verbindung in der Diffusionsschicht 100 Vol.-% beträgt.
Im übrigen zeigt das Röntgenstrahlungsprofil nach Fig. 5 keinerlei Spitze des Substrats. Da die Dicke der Diffusionsschicht allerdings dünner ist, können Spitzen des Substrats auftauchen. Wenn andererseits der Al-Gehalt an der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht mehr als 65 Gew.-% beträgt, können Spitzen von reinem Al identifiziert werden. Weiterhin sei bemerkt, daß keine Spitze von Al&sub2;O&sub3; in dem Röntgenstrahlungsprofil identifiziert wird. Mit anderen Worten wird in der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht nach der vorliegenden Erfindung keine Al&sub2;O&sub3;-Schicht ausgebildet. Ferner enthält die Diffusionsschicht eine kleine Menge Cr, wie Fig. 3 zeigt. Allerdings werden in dem Röntgenstrahlungsprofil nach Fig. 5 keinerlei intermetallische Verbindungen von Al und Cr identifiziert. Selbst wenn eine kleine Menge einer Al-Cr-intermetallischen Verbindung in der Diffusionsschicht ausgebildet wird, besteht hierin kein Problem, da die Härte der Diffusionsschicht nicht abgesenkt wird.
Die Diffusionsschicht nach der vorliegenden Erfindung beinhaltet vorzugsweise die Al-reiche intermetallische Verbindung in einer solchen Menge, daß die Diffusionsschicht zumindest 10% eines Spitzenverhältnisses (P %) zeigt, welches durch die folgende Gleichung festgelegt ist:
P(%) = 100 · P1 / (P1 + P2)
wobei P1 eine Hauptspitzenhöhe für die Al-reiche intermetallische Verbindung von zumindest einem Element aus der Gruppe ist, die aus Al&sub3;Fe&sub4;, Al&sub5;Fe&sub2;, Al&sub3;Fe und Al&sub2;Fe besteht, und P2 eine Hauptspitzenhöhe für AlFe und AlFe&sub3; ist. P1 und P2 können aus einem Röntgenstrahlungs-Streuungsprofil erhalten werden, welches durch Röntgenstrahlenstreuung an der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht erhalten wird. In dem Röntgenstrahlungsprofil nach Fig. 5 kann das Spitzenverhältnis entsprechend der Hauptspitzenhöhe P1 bestimmt werden, die bei etwa 43,3º beobachtet wird, und der Hauptspitzenhöhe P2, die bei etwa 43,7º beobachtet wird. Das Spitzenverhältnis beträgt etwa 90%.
Als nächstes werden Verfahren zum Herstellen der Eisenlegierung nach der vorliegenden Erfindung eingeführt. Wenn als Substrat der ausscheidungsgehärtete rostfreie Stahl verwendet wird, wird die Eisenlegierung durch das folgende Verfahren hergestellt. Eine Al-Schicht wird auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet, um ein Al-beschichtetes Substrat bereitzustellen. Die Al-Schicht kann durch Heißtauchen, Elektroplattieren, Vakuumablagern, Plattieren oder Sandwichwalzen ausgebildet werden. Das Al-beschichtete Substrat wird auf eine Temperatur von 450 bis 600ºC während einer Haltezeit von 0,5 bis 4 Stunden aufgeheizt, damit Al- und Fe-Atome wechselseitig in das Substrat und die Al-Schicht diffundieren, so daß die vorstehend erläuterte Diffusionsschicht in der Oberfläche des beschichteten Substrats ausgebildet wird. Weiterhin wird die Ausscheidungshärtung des Substrats durch die Wärmebehandlung veranlaßt, so daß die Härte des Substrats zumindest eine Vickers-Härte von 400 erreicht. Da die Diffusionsschicht durch die wechselweise Diffusion zwischen Metallelementen des Substrats, d.h. Fe und Cr sowie Al der Al-Schicht gebildet wird, ist es möglich, eine ausgezeichnete Haftung zwischen der Diffusionsschicht und dem Substrat herzustellen. Wenn die Temperatur weniger als 450ºC oder die Haltezeit weniger als 0,5 Stunden beträgt, reicht die wechselweise Diffusion nicht aus, um die Diffusionsschicht zu bilden, und es ist auch schwierig, die Ausscheidungshärtung des Substrats zu erzielen. Wenn die Temperatur mehr als 600ºC oder die Haltezeit mehr als 4 Stunden beträgt, geht der Ausscheidungshärtevorgang zu weit, so daß die Härte des Substrats sinkt. Daher wird bevorzugt, daß wenn die Wärmebehandlungstemperatur zwischen 450 und 600ºC ansteigt, die Haltezeit im Bereich zwischen 0,5 und 4 Stunden abgesenkt wird.
Andererseits wird in dem Fall, daß als Substrat der hochgekohlte rostfreie Stahl verwendet wird, die Eisenlegierung durch das folgende Verfahren hergestellt. Eine Al-Schicht wird auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet, um ein Al-beschichtetes Substrat bereitzustellen. Das Al-beschichtete Substrat wird auf eine Temperatur von 900 bis 1100ºC während einer Haltezeit von 15 bis 180 Sekunden aufgeheizt, um dadurch Al- und Fe-Atome wechselweise in das Substrat bzw. in die Al-Schicht diffundieren zu lassen, so daß die vorstehend erläuterte Diffusionsschicht in der Oberfläche des beschichteten Substrats ausgebildet wird. Anschließend wird das beschichtete Substrat von dieser Temperatur bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 10ºC/sek. oder mehr abgekühlt. Eine Abschreckungshärtung des Substrats wird durch den Abkühlungsschritt verursacht, so daß das Substrat eine Vickers-Härte von zumindest 400 erreicht. Wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit weniger als 10ºC/sek. beträgt, kann die Härte des Substrats durch das Abschreckungshärten nicht verbessert werden. Wenn die Temperatur weniger als 900ºC beträgt, ist die Wirkung des Abschreckungshärtens nicht ausreichend. Wenn die Temperatur mehr als 1100ºC beträgt oder die Haltezeit länger als 180 Sekunden dauert, sinkt die Härte der Diffusionsschicht oder die Härte des Substrats benachbart zu der Diffusionsschicht aufgrund einer schnellen Diffusion von Al-Atomen in das Substrat. Wenn andererseits die Haltezeit weniger als 15 Sekunden beträgt, ist die wechselseitige Diffusion zwischen Metallelementen des Substrats und des Al aus der Al-Schicht unzureichend für die Bildung der Diffusionsschicht, und außerdem erfolgt die Abschreckungshärtung nicht gleichmäßig über das Substrat. Daher wird als Temperatur für die Wärmebehandlung 900 bis 1100ºC und als Haltezeit 15 bis 180 Sekunden bevorzugt.

Beispiel 1

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 3 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 13,5 Gew.-% Cr, 1,2 Gew.-% Mo, 0,4 Gew.-% C und Rest Eisen. Al-Schichten mit einer Dicke von 45 um wurden auf gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats mittels Elektroplattierung ausgebildet, um ein Al-beschichtetes Substrat mit einer Dicke von 3,09 mm zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgelistet ist, wurde das Al- beschichtete Substrat auf 1050ºC während 180 Sekunden in Luft erhitzt und dann mit einer Geschwindigkeit von 60ºC/sek. abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 1 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 45 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 600. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 900. Die Härte wurde unter einer Belastung von 2 gf gemessen. Gemäß einem Röntgenstrahlungs- Streuungsprofil, welches mittels Röntgenstrahlungsstreuung an der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht erhalten wurde, wurde ein Volumenverhältnis (V: Vol.-%) von Al-Feintermetallischen Verbindungen in der Diffusionsschicht durch die folgende Gleichung bestimmt:
V(Vol.-%) = 100 · S1 / (S1 + S2)
wobei S1 die Gesamtheit der Spitzenbereiche sämtlicher Al-Fe-intermetallischen Verbindungen ist, die auf dem Röntgenstrahlungsprofil identifiziert wurden, und S2 die Gesamtheit der Spitzenbereiche von reinem Al und/oder einer Al-Legierung ist, in der Fe hauptsächlich eine feste Lösung mit Al bildet, außer den Al-Fe-intermetallischen Verbindungen auf dem Röntgenstrahlungsprofil. In Beispiel 1 beträgt das Volumenverhältnis 97 Vol.-%.
Zusätzlich wurde ein Spitzenverhältnis (P: %) durch die folgende Gleichung bestimmt:
P(%) = 100 · P1 / (P1 + P2)
wobei P1 eine Spitzenhöhe der Hauptspitze (etwa 43,3º) von Al-reichen intermetallischen Verbindungen (Al&sub2;Fe, Al&sub1;&sub3;Fe&sub4;, Al&sub3;Fe und/oder Al&sub5;Fe&sub2;) ist und P2 eine Spitzenhöhe der Hauptspitze (etwa 43,7º) von weiteren Fe-Al-intermetallischen Verbindungen (AlFe und/oder AlFe&sub3;) ist. In Beispiel 1 beträgt das Spitzenverhältnis 40%.
Der Al-Gehalt innerhalb einer Tiefe von etwa 2 um von der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht wurde über eine Röntgenstrahlungs-Mikroanalyse bestimmt. In Beispiel 1 beträgt der Al-Gehalt 45 Gew.-% auf der Basis des Gesamtgewichts eines Bereichs der Diffusionsschicht bis zu der Dicke von etwa 2 um.
Die gleichen Analysen und Messungen wie Beispiel 1 wurden in den anschließend beschriebenen Beispielen und Vergleichsbeispielen ausgeführt.

Beispiel 2

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit eine Dicke von 0,2 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 13,5 Gew.-% Cr, 1,2 Gew.-% Mo, 0,4 Gew.-% C und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien auf gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al-Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat mit Al-Schichten von 20 um Dicke zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat auf 975ºC während 120 Sekunden in Luft aufgeheizt und dann mit einer Geschwindigkeit von 15ºC/sek. abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 2 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 20 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 480. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 1020.

Beispiel 3

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,1 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 16,5 Gew.-% Cr, 0,9 Gew.-% C, 0,4 Gew.-% Mo und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien mit einer Dicke von 15 um auf gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al-Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat mit einer Dicke von 0,12 mm zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat auf 1000ºC während 30 Sekunden in Luft erhitzt und dann mit einer Geschwindigkeit von 10ºC/sek. abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 3 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 13 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 500. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 1000.

Beispiel 4

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,2 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 12,5 Gew.-% Cr, 0,7 Gew.-% C und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien auf gegenüberliegenden Flächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al-Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat mit Al- Schichten von 8 um Dicke zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat auf 900ºC während 180 Sekunden in Luft aufgeheizt und dann bei einer Geschwindigkeit von 30ºC/Sekunde abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 4 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 8 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 420. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 1100.

Beispiel 5

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,3 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 14 Gew.-% Cr, 1,1 Gew.-% C und Rest Eisen. Nach dem Al-Folien auf gegenüberliegenden Flächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al-Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat mit Al-Schichten von 15 um Dicke zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat bei 1100ºC während 15 Sekunden in Luft erhitzt und dann mit einer Geschwindigkeit von 20ºC/Sekunde abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 5 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 15 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 550. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 810.

Beispiel 6

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,18 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 14 Gew.-% Cr, 1,0 Gew.-% C und Rest Eisen. Danach wurden Al-Schichten mit einer Dicke von 3 um auf gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats durch Vakuumablagerung von Al erzeugt, um ein Al-beschichtetes Substrat zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das beschichtet Substrat auf 1000ºC während 15 Sekunden in einer Gasmischung aus Ar und N2 erhitzt und dann bei einer Geschwindigkeit von 10ºC/sek. abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 6 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 3 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 550. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 700.

Beispiel 7

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,15 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 13,5 Gew.-% Cr, 1,2 Gew.-% Mo, 0,4 Gew.-% C und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien auf gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al-Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat mit Al-Schichten von 10 um Dicke zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat bei 975ºC während 30 Sekunden in Luft erhitzt und dann mit einer Geschwindigkeit von 15ºC/sek. abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 7 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 10 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 500. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 1140.

Beispiel 8

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,5 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 13,5 Gew.-% Cr, 1,2 Gew.-% Mo, 0,4 Gew.-% C und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien mit einer Dicke von 6 um auf gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al-Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat bei 925ºC während 60 Sekunden in Luft erhitzt und dann bei einer Geschwindigkeit von 30ºC/sek. abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 8 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 5 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 450. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 1150.

Beispiel 9

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 2 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 13,5 Gew.-% Cr, 1,2 Gew.-% Mo, 0,4 Gew.-% C und Rest Eisen. Danach wurden Al-Schichten mit einer Dicke von 30 um auf gegenüberliegende Flächen des Substrats mittels Vakuumablagerung von Al erzeugt, um ein Al-beschichtetes Substrat zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das beschichtete Substrat während 90 Sekunden in einer Gasmischung aus Ar und N2 auf 1100ºC erhitzt und dann bei einer Geschwindigkeit von 20ºC/sek. abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 9 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 30 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 550. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 630.

Beispiel 10

Ein ausscheidungsgehärtetes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,5 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 18 Gew.-% Cr, 12 Gew.-% Ni, 0,1 Gew.-% von (C + N) und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien mit einer Dicke von 13 um auf gegenüber liegenden Flächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al- Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat mit einer Dicke von 0,48 mm zu erhalten. Zusätzlich wurde das plattierte Substrat kaltgewalzt, um eine Dicke von 0,2 mm zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat dann auf 550ºC während zwei Stunden in Argongas erhitzt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 10 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 5 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 550. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 1100.

Beispiel 11

Ein ausscheidungsgehärtetes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,5 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 18 Gew.-% Cr, 12 Gew.-% Ni, 0,1 Gew.-% von (C + N) und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien mit einer Dicke von 9 um auf gegenüberliegenden Flächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al- Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat mit einer Dicke von 0,48 mm zu erhalten. Zusätzlich wurde das plattierte Substrat kaltgewalzt, um eine Dicke von 0,2 mm zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat dann auf 500ºC während zwei Stunden in Argongas erhitzt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 11 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 3 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 450. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 1100.

Beispiel 12

Ein ausscheidungsgehärtetes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,5 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 18 Gew.-% Cr, 12 Gew.-% Ni, 0,05 Gew.-% von (C + N) und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien mit einer Dicke von 13 um auf gegenüberliegenden Flächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al- Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat mit einer Dicke von 0,48 mm zu erhalten. Zusätzlich wurde das plattierte Substrat kaltgewalzt, um eine Dicke von 0,2 mm zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat dann auf 600ºC während zwei Stunden in Argongas erhitzt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 12 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 5 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 500. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 850.

Beispiel 13

Ein ausscheidungsgehärtetes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 1 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 16 Gew.-% Cr, 4 Gew.-% Ni, 4 Gew.-% Cu und Rest Eisen. Eine Vorbehandlung zur Ausbildung fester Lösungen wurde auf das Substrat bei 1050ºC angewendet. Danach wurden Al-Folien mit einer Dicke von 6 um auf gegenüberliegenden Flächen des behandelten Substrats aufgebracht und das Substrat mit den Al-Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat auf 490ºC während vier Stunden in Luft erhitzt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 13 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 5 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 400. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 1150.

Beispiel 14

Ein ausscheidungsgehärtetes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,2 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 17 Gew.-% Cr, 7 Gew.-% Ni, 1 Gew.-% Al und Rest Eisen. Eine Vorbehandlung zur Ausbildung fester Lösungen wurde auf das Substrat bei 1000ºC angewendet. Danach wurden Al-Folien mit einer Dicke von 6 um auf gegenüberliegenden Flächen des behandelten Substrats aufgebracht und das Substrat mit den Al-Folien gerollt, um ein Al-plattiertes Substrat zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat auf 575ºC während 1,5 Stunden in Luft erhitzt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 14 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 6 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 400. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 1100.

Beispiel 15

Ein ausscheidungsgehärtetes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,2 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 17 Gew.-% Cr, 7 Gew.-% Ni, 1 Gew.-% Al und Rest Eisen. Eine Vorbehandlung zur Ausbildung fester Lösungen wurde auf das Substrat bei 1050ºC angewendet. Al-Schichten mit einer Dicke von 3 um wurden auf gegenüberliegenden Flächen des behandelten Substrats mittels Vakuumablagerung von Al erzeugt, um ein Al-beschichtetes Substrat zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das beschichtete Substrat auf 575ºC während 1,5 Stunden in Luft erhitzt, um eine Eisenlegierung nach Beispiel 15 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 3 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 410. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 950.

Vergleichsbeispiel 1

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,15 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 13,5 Gew.-% Cr, 1,2 Gew.-% Mo, 0,4 Gew.-% und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien auf gegenüberliegenden Flächen des Substrats aufgebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al-Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat mit einer Dicke von 10 um zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat bei 1150ºC während 120 Sekunden in Luft erhitzt und dann mit einer Geschwindigkeit von 20ºC/sek. abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Vergleichsbeispiel 1 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 10 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 300. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 400. Mittels Röntgenstrahlen-Streuungsanalyse wurde identifiziert, daß die Diffusionsschicht keine Al-reichen intermetallischen Verbindungen aus Al&sub2;Fe, Al&sub1;&sub3;Fe&sub4;, Al&sub3;Fe und Al&sub5;Fe&sub2; enthält. Da allerdings festgestellt wurde, daß die Diffusionsschicht andere intermetallische Verbindungen aus AlFe und AlFe&sub3; enthält, wurde das Volumenverhältnis bestimmt.

Vergleichsbeispiel 2

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,18 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 13,5 Gew.-% Cr, 1,2 Gew.-% Mo, 0,4 Gew.-% C und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien auf gegenüberliegenden Flächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al-Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat mit einer Dicke von 10 um zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat auf 850ºC während 60 Sekunden in Luft erhitzt und dann bei einer Geschwindigkeit von 30ºC/sek. abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Vergleichsbeispiel 2 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 10 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 350. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 1200.

Vergleichsbeispiel 3

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,15 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 13,5 Gew.-% Cr, 1,2 Gew.-% Mo, 0,4 Gew.-% C und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien auf gegenüberliegenden Flächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al-Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat mit einer Dicke von 10 um zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat auf 975ºC während 5 Sekunden in Luft aufgeheizt und dann mit einer Geschwindigkeit von 15ºC/sek. abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Vergleichsbeispiel 3 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 10 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 350. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 350. Mittels Röntgenstrahlungs-Streuungsanalyse wurde bestimmt, daß die Diffusionsschicht keine Al-reichen intermetallischen Verbindungen von Al&sub2;Fe, Al&sub1;&sub3;Fe&sub4;, Al&sub3;Fe und AlSFe&sub2; enthält.
Da allerdings bestimmt wurde, daß die Diffusionsschicht andere intermetallische Verbindungen von AlFe und AlFe&sub3; enthält, wurde das Volumenverhältnis bestimmt. Zusätzlich wurde identifiziert, daß die Diffusionsschicht reines Al enthält.

Vergleichsbeispiel 4

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,15 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 13,5 Gew.-% Cr, 1,2 Gew.-% Mo, 0,4 Gew.-% C und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien auf gegenüberliegenden Flächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al-Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat mit einer Dicke von 10 um zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat auf 975ºC während 240 Sekunden in Luft aufgeheizt und dann mit einer Geschwindigkeit von 15ºC /sek. abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Vergleichsbeispiel 3 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 10 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 400. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 450. Mittels Röntgenstrahlungs-Streuungsanalyse wurde bestimmt, daß die Diffusionsschicht keine Al-reichen intermetallischen Verbindungen von Al&sub2;Fe, Al&sub1;&sub3;Fe&sub4;, Al&sub3;Fe und Al&sub5;Fe&sub2; enthält.
Da allerdings bestimmt wurde, daß die Diffusionsschicht andere intermetallische Verbindungen von AlFe und AlFe&sub3; enthält, wurde das Volumenverhältnis bestimmt.

Vergleichsbeispiel 5

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,15 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 13,5 Gew.-% Cr, 1,2 Gew.-% Mo, 0,4 Gew.-% C und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien auf gegenüberliegenden Flächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al-Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat mit einer Dicke von 10 um zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat auf 975ºC während 30 Sekunden in Luft aufgeheizt und dann mit einer Geschwindigkeit von 3ºC/sek. abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Vergleichsbeispiel 3 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 10 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 380. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 1150.

Vergleichsbeispiel 6

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 3 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 14 Gew.-% Cr, 0,2 Gew.-% C und Rest Eisen. Al- Schichten mit einer Dicke von 60 um wurden auf gegenüberliegenden Flächen des Substrats durch Elektroplattieren von Al erzeugt, um ein Al-beschichtetes Substrat zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das beschichtete Substrat auf 1100ºC während 1 50 Sekunden in Luft erhitzt und dann mit einer Geschwindigkeit von 60ºC/sek. abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Vergleichsbeispiel 6 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 60 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 460. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 950.

Vergleichsbeispiel 7

Ein hochgekohltes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,27 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 9 Gew.-% Cr, 0,5 Gew.-% C und Rest Eisen. Al- Schichten mit einer Dicke von 1 um wurden auf gegenüberliegende Flächen des Substrats mittels Vakuumablagerung von Al erzeugt, um ein Al-beschichtetes Substrat zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das beschichtete Substrat bei 950ºC während 15 Sekunden in Luft erhitzt und dann mit einer Geschwindigkeit von 10ºC/sek. abgekühlt, um eine Eisenlegierung nach Vergleichsbeispiel 7 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 1 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 450. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht, der Al-Gehalt, das Spitzenverhältnis und das Volumenverhältnis konnten nicht bestimmt werden, da die Dicke der Diffusionsschicht sehr dünn ist.

Vergleichsbeispiel 8

Ein ausscheidungsgehärtetes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,5 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 18 Gew.-% Cr, 12 Gew.-% Ni, 0,05 Gew.-% von (C + N) und Rest Eisen. Das Substrat wurde kalt gewalzt auf eine Dicke von 0,2 mm. Al- Schichten mit einer Dicke von 1 um wurden dann auf gegenüberliegenden Flächen des Sub strats mittels Vakuumablagerung von Al erzeugt, um ein Al-beschichtetes Substrat zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das beschichtete Substrat auf 600ºC während zwei Stunden in Ar-Gas erhitzt, um eine Eisenlegierung des Vergleichsbeispiels 8 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 1 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 500. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht, der Al-Gehalt, das Spitzenverhältnis und das Volumenverhältnis konnten nicht bestimmt werden, da die Dicke der Diffusionsschicht sehr dünn ist.

Vergleichsbeispiel 9

Ein ausscheidungsgehärtetes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,5 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 18 Gew.-% Cr, 12 Gew.-% Ni, 0,05 Gew.-% von (C + N) und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien mit einer Dicke von 9 um auf gegenüberliegende Flächen des Substrats aufgebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al-Folien plattiert, um ein Al-plattiertes Substrat mit einer Dicke von 0,48 mm zu erhalten. Zusätzlich wurde das plattierte Substrat auf eine Dicke von 0,2 mm kaltgewalzt. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat dann auf 600ºC während 0,3 Stunden in Ar-Gas erhitzt, um eine Eisenlegierung nach Vergleichsbeispiel 9 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 3 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 400. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 300. Mittels Röntgenstrahlungs-Streuungsanalyse wurde bestimmt, daß die Diffusionsschicht keine Al-reichen intermetallischen Verbindungen von Al&sub2;Fe, Al&sub1;&sub3;Fe&sub4;, Al&sub3;Fe und AlSFe&sub2; enthält.
Da allerdings bestimmt wurde, daß die Diffusionsschicht andere intermetallische Verbindungen von AlFe und AlFe&sub3; enthält, wurde das Volumenverhältnis bestimmt. Zusätzlich wurde identifiziert, daß die Diffusionsschicht reines Al enthält.

Vergleichsbeispiel 10

Ein ausscheidungsgehärtetes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,5 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 18 Gew.-% Cr, 12 Gew.-% Ni, 0,05 Gew.-% von (C + N) und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien mit einer Dicke von 9 um auf gegenüberlie genden Flächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al- Folien plattiert, um ein Al-plattiertes Substrat mit einer Dicke von 0,48 mm zu erhalten. Zusätzlich wurde das plattierte Substrat kaltgewalzt auf eine Dicke von 0,2 mm. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat dann auf 600ºC während sechs Stunden in Ar- Gas erhitzt, um eine Eisenlegierung nach Vergleichsbeispiel 10 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 3 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 450. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 450.
Mittels Röntgenstrahlungs-Streuungsanalyse wurde bestimmt, daß die Diffusionsschicht keine Al-reichen intermetallischen Verbindungen von Al&sub2;Fe, Al&sub1;&sub3;Fe&sub4;, Al&sub3;Fe und Al&sub5;Fe&sub2; enthält. Da allerdings bestimmt wurde, daß die Diffusionsschicht andere intermetallische Verbindungen von AlFe und AlFe&sub3; enthält, wurde das Volumenverhältnis bestimmt.

Vergleichsbeispiel 11

Ein ausscheidungsgehärtetes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 0,5 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 18 Gew.-% Cr, 12 Gew.-% Ni, 0,05 Gew.-% von (C + N) und Rest Eisen. Nachdem Al-Folien mit einer Dicke von 9 um auf gegenüberliegenden Flächen des Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al- Folien plattiert, um ein Al-plattiertes Substrat mit einer Dicke von 0,48 mm zu erhalten. Zusätzlich wurde das plattierte Substrat kaltgewalzt auf eine Dicke von 0,2 mm. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das plattierte Substrat dann auf 650ºC während zwei Stunden in Ar- Gas erhitzt, um eine Eisenlegierung nach Vergleichsbeispiel 11 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 3 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 450. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 500.

Vergleichsbeispiel 12

Ein ausscheidungsgehärtetes rostfreies Stahlblech mit einer Dicke von 1 mm wurde als Substrat verwendet. Der rostfreie Stahl besteht aus 16 Gew,.% Cr, 4 Gew.-% Ni, 4 Gew.-% Cu und Rest Eisen. Eine Vorbehandlung zum Ausbilden fester Lösungen wurde auf das Substrat bei 1050ºC angewendet. Nachdem Al-Folien mit einer Dicke von 6 um auf einer gegenüberliegenden Fläche des behandelten Substrats angebracht worden waren, wurde das Substrat mit den Al-Folien gewalzt, um ein Al-plattiertes Substrat zu erhalten. Wie in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurde das Al-plattierte Substrat auf 400ºC während vier Stunden in Ar-Gas erhitzt, um eine Eisenlegierung nach Vergleichsbeispiel 12 zu erhalten.
Die Eisenlegierung hat eine Fe-Al-Diffusionsschicht mit einer Dicke von 5 um. Die Vickers- Härte des Substrats beträgt 300. Die Oberflächenhärte der Diffusionsschicht beträgt 250. Durch Röntgenstrahlungs-Streuungsanalyse wurde identifiziert, daß die Diffusionsschicht reines Al enthält.
Bezüglich der Beispiele 1 bis 15 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 12 sind die Zusammensetzung des Substrats und die Wärmebehandlungsbedingungen in Tabelle 1 aufgelistet. Die Dicke (um) und Vickers-Härte (Hv) der Diffusionsschicht, der Al-Gehalt (Gew.-%), der in einer Tiefe bis etwa 2 um von der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht enthalten ist, das Volumenverhältnis (Vol.-%) der Al-Fe-intermetallischen Verbindungen bezüglich eines Gesamtvolumens der Diffusionsschicht, das Röntgenstrahlungs-Spitzenverhältnis (%) der Al-Feintermetallischen Verbindungen und die Vickers-Härte (Hv) des Substrats sind in Tabelle 2 aufgelistet.
Fig. 6 zeigt das Verhältnis zwischen der Oberflächenhärte (Hv) der Diffusionsschicht und des Al-Gehalts (Gew.-%), welches entsprechend den Ergebnissen der vorstehend erläuterten Beispiele und Vergleichsbeispiele bestimmt worden ist. Aus der Kurve nach Fig. 6 ist ersichtlich, daß wenn sich der Al-Gehalt im Bereich zwischen 35 und 65 Gew.-% bewegt, die Möglichkeit besteht, eine Diffusionsschicht mit einer größeren Härte zwischen 600 und 1200 zu erhalten. Wenn im Gegensatz dazu der Al-Gehalt geringer als 35 Gew.-% oder größer als 65 Gew.-% ist, sinkt die Härte der Diffusionsschicht beträchtlich.
Im Vergleichsbeispiel 6 haben die Diffusionsschicht und das Substrat eine Härte von 950 bzw. 460. Wenn allerdings die Klingen für einen elektrischen Rasierer unter Verwendung der Eisenlegierung nach Vergleichsbeispiel 6 hergestellt würden, würde eine große Zahl von Mikrospänen an den scharfen Kanten der Klingen auftreten, da die Dicke der Diffusionsschicht groß ist (= 60 um).
Andererseits zeigt Fig. 7 das Verhältnis zwischen der Oberflächenhärte (Hv) der Diffusionsschicht und dem Spitzenverhältnis (P %), welches entsprechend den Ergebnissen der vorstehend erläuterten Beispiele und Vergleichsbeispiele bestimmt worden ist. Aus der Kurve nach Fig. 7 ist ersichtlich, daß wenn das Spitzenverhältnis 10% oder mehr beträgt, die Möglichkeit besteht, eine Diffusionsschicht mit einer großen Härte zwischen 600 und 1200 zu erhalten.
Da somit die Eisenlegierung nach der vorliegenden Erfindung eine große Härte der Diffusionsschicht liefern kann, während die Härte des Substrats bei 400 oder mehr gehalten wird, wird sie vorzugsweise für gleitende Teile wie Lagerungen, Zahnräder oder Klingen für elektrische Rasierer oder Haarschneider verwendet werden. Tabelle 1 Tabelle 2
Die in der vorangehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

1. Eisenlegierung mit einer Fe-Al-Diffusionsschicht verbesserter Härte, wobei die Eisenlegierung enthält:

ein Substrat aus einem rostfreien Fe-Cr-Stahl mit einer Vickers-Härte von 400 oder mehr;

wobei die Fe-Al-Diffusionsschicht auf einer Oberfläche des genannten Substrats ausgebildet ist;

wobei die Fe-Al-Diffusionsschicht eine Dicke von 2 bis 50 um aufweist und zumindest 90 Vol.-% einer intermetallischen Verbindung aus Al und Fe, bezogen auf ein Gesamtvolumen der Diffusionsschicht, umfaßt; und

wobei der Al-Gehalt innerhalb einer Tiefe von zumindest 2 um der genannten Fe-Al- Diffusionsschicht 35 bis 65 Gew.-% beträgt, auf der Grundlage des Gesamtgewichts eines Gebiets der Fe-Al-Diffusionsschicht, welches bis zu der Dicke von zumindest 2 um reicht.

2. Eisenlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Verbindung zumindest eines der Elemente aus der Gruppe enthält, die aus Al&sub2;Fe, Al&sub1;&sub3;Fe&sub4;, Al&sub3;Fe und Al&sub5;Fe&sub2; besteht.

3. Eisenlegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht die intermetallische Verbindung in einer solchen Menge enthält, daß die Fe-Al- Diffusionsschicht zumindest 10% eines Spitzenverhältnisses zeigt, welches durch 100 · P1/(P1 + P2) festgelegt ist, wobei P1 eine Hauptspitzenhöhe für die intermetallische Verbindung und P2 eine Hauptspitzenhöhe für AlFe und AlFe&sub3; ist, wobei die Werte P1 und P2 in einem Röntgenstrahlenstreuungsprofil festgestellt werden, welches mittels Röntgenstrahlenstreuung an der äußeren Oberfläche der Diffusionsschicht erhalten wird.

4. Eisenlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fe-Al- Diffusionsschicht eine Dicke von 5 bis 15 um aufweist.

5. Eisenlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat 66 bis 81,9 Gew.-% Fe, 15 bis 20 Gew.-% Cr, 3 bis 13 Gew.-% Ni sowie ein Element aufweist, welches ausgewählt ist aus 3 bis 6 Gew.-% Cu, 0,5 bis 2 Gew.-% Al und 0,01 bis 0,2 Gew.-% von C und N insgesamt.

6. Eisenlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat 73 bis 89,9 Gew.-% Fe, 10 bis 19 Gew.-% Cr, 0,1 bis 1,2 Gew.-% C und weniger als 3 Gew.-% Ni aufweist.

7. Verfahren zum Herstellen einer Eisenlegierung mit einer Fe-Al-Diffusionsschicht verbesserter Härte, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

Aufbeschichten einer Al-Oberflächenschicht auf ein Substrat, um ein beschichtetes Substrat bereitzustellen, wobei das Substrat 66 bis 81,9 Gew.-% Fe, 15 bis 20 Gew.-% Cr, 3 bis 13 Gew.-% Ni sowie ein Element aufweist, welches ausgewählt ist aus 3 bis 6 Gew.- % Cu, 0,5 bis 2 Gew.-% Al und 0,01 bis 0,2 Gew.-% von C und N insgesamt;

Erwärmen des beschichteten Substrats auf eine Temperatur von 450 bis 600ºC während 0,5 bis 4 Stunden, wodurch das Substrat eine Vickers-Härte von 400 oder mehr erhält, wobei gleichzeitig Aluminium- und Eisenatome wechselweise in das Substrat und die Al- Schicht diffundieren, so daß in der Oberfläche des beschichteten Substrats die Fe-Al- Legierungsoberflächenschicht ausgebildet wird, die eine Dicke von 2 bis 50 um aufweist und zumindest 90 Gew.-% einer intermetallischen Verbindung von Al und Fe, bezüglich eines Gesamtvolumens der Diffusionsschicht, umfaßt.

8. Verfahren zum Herstellen einer Eisenlegierung mit einer Fe-Al-Diffusionsschicht verbesserter Härte, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

Aufbeschichten einer Al-Oberflächenschicht auf ein Substrat, um ein beschichtetes Substrat bereitzustellen, wobei das Substrat 73 bis 89,9 Gew.-% Fe, 10 bis 19 Gew.-% Cr, 0,1 bis 1,2 Gew.-% C und weniger als 3 Gew.-% Ni aufweist;

Erwärmen des beschichteten Substrats auf eine Temperatur von 900 bis 1100ºC während 15 bis 180 Sekunden, wobei gleichzeitig Aluminium- und Eisenatome wechselweise in das Substrat und die Al-Schicht diffundieren, so daß in der Oberfläche des beschichteten Substrats die Fe-Al-Legierungsoberflächenschicht ausgebildet wird, die eine Dicke von 2 bis 50 um aufweist und zumindest 90 Gew.-% einer intermetallischen Verbindung von Al und Fe, bezüglich eines Gesamtvolumens der Diffusionsschicht, umfaßt;

Abkühlen des beschichteten Substrats von der genannten Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 10ºC je Sekunde oder mehr, so daß das Substrat eine Vickers-Härte von 400 oder mehr erhält.