DE69933687T2

DE69933687T2 - Selektives einsatzhärten bei niedriger temperatur

Info

Publication number: DE69933687T2
Application number: DE69933687T
Authority: DE
Inventors: C. Peter Cleveland Heights WILLIAMS; V. Steven University ts. MARX
Original assignee: Swagelok Co
Current assignee: Swagelok Co
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2019-08-13
Also published as: DE69933687D1; AU6238999A; EP1119649B1; ATE343006T1; WO2000009773A2; WO2000009773A3; EP1119649A2; CN1322257A; JP2010168661A; US6165597A; CN1325690C; JP2002522645A; IL141364A0; KR100647501B1; IL141364A; WO2000009773A9; KR20010072424A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verarbeitungstechniken für Gegenstände aus rostfreiem Stahl oder anderen Legierungen, wie z. B. Metallringe zur Kopplung von Rohren. Ins Besondere bezieht sich die Erfindung auf Arbeitsschritte zum selektiven Einsatzhärten solcher Gegenstände im Wesentlichen ohne die Entstehung von Karbiden.
Hintergrund der Erfindung
Wie wohl bekannt, wird rostfreier Stahl gewöhnlich für viele Teile und Baugruppen verwendet. Ein Beispiel ist ein Metallring, der als Teil einer Fluidkupplung zum Verbinden von Rohrenden verwendet wird. Der Grad, bis zu dem rostfreier Stahl benutzt werden muss, variiert von Anwendung zu Anwendung. In einigen hoch reinen Systemen wie z. B. im Bereich der Halbleiter oder der Biotechnologie wird im Allgemeinen rostfreier Stahl mit geringem Karbongehalt wie etwa 316L verwendet. Bei rostfreiem Stahl werden viele chemische Zusammensetzungen verwendet, und neben rostfreiem Stahl sind andere Chrom enthaltende, nickel- oder eisenbasierte Legierungen bekannt und werden benutzt.
Ein Merkmal von einigen Legierungen aus rostfreiem Stahl ist es, dass diese eine relativ geringere Härte aufweisen als andere Materialien aus rostfreiem Stahl. In Folge dessen wird bei einigen Anwendungen, wie etwa Metallringen, der Gegenstand oder das Teil aus rostfreiem Stahl mit einer gehärteten Oberfläche versehen, was im Allgemeinen und auch hier als Einsatzhärten bezeichnet wird. Das Konzept des Einsatzhärtens besteht darin, eine relativ dünne Schicht des Materials an der Oberfläche des Teils durch Anreicherung von Kohlenstoff oder anderer Bestandteile umzuwandeln, um die Oberfläche härter zu machen als die Grundmetalllegierung. Diese Offenlegung richtet sich auf Einsatzhärten eines Gegenstands durch Anreicherung von Kohlenstoff. Der Gegenstand behält so in seinem Hauptteil die gewünschte Formbarkeit von rostfreiem Stahl ohne die Weichheit des Grundmetalls aus Standardchemie an der Oberfläche des Gegenstands.
Legierungsteile aus rostfreiem Stahl werden durch einen Prozess einsatzgehärtet, der im Allgemeinen als Karburierung bekannt ist. Karburierung ist ein Vorgang, bei dem Koh lenstoffatome in die Oberfläche eines Gegenstands verteilt werden. Bei einigen Anwendungen, wie etwa Metallringen, ist es erwünscht, nur ein Einsatzhärten bestimmter Abschnitte oder Bereiche des Metallrings vorzunehmen, was hier als selektives Einsatzhärten bezeichnet wird. Bekannte Prozesse des selektiven Einsatzhärtens werden bei hohen Temperaturen durchgeführt. Allerdings fördern Prozesse des Einsatzhärtens bei hohen Temperaturen über 538°C (1000°F) (für Legierungen aus rostfreiem Stahl) die Bildung von Karbiden in der gehärteten Oberfläche.
Ein Verfahren zur Karburierung von austenitischem Metall bei niedrigeren Temperaturen ist in EP-A-0.678.589 offen gelegt.
Es ist daher wünschenswert, einen neuen Produktionsgegenstand zur Verfügung zu stellen, der die Gestalt eines Gegenstands besitzt, der aus einer Chrom enthaltenden, nickel- oder eisenbasierten Legierung hergestellt ist und der selektiv einsatzgehärtet ist über einen Flächenbereich, der geringer ist als der gesamte Bereich des Gegenstands, ohne die Bildung von Karbiden. Es ist ferner ein Ziel der Erfindung, einen Karburierungsprozess zur selektiven Einsatzhärtung bei einer niedrigen Temperatur zur Verfügung zu stellen, der nicht die Bildung von Karbiden fördert.
Übersicht über die Erfindung
Nach der vorliegenden Erfindung werden ein Gegenstand und ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wie in den anhängenden Ansprüchen ausgeführt wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Produktionsgegenstand durch einen Körper zur Verfügung gestellt, der
eine Chrom enthaltende nickel- oder eisenbasierte Legierung umfasst;
einen ersten Oberflächenabschnitt des Körpers mit einer ersten Härtecharakteristik; und
einen zweiten Oberflächenabschnitt des Körpers mit einer zweiten Härtecharakteristik;
wobei der zweite Abschnitt kleiner als die gesamte Oberfläche des Körpers ist und einen karburierten Oberflächenbereich umfasst, der im Wesentlichen frei von Karbiden ist.
Die vorliegende Erfindung betrachtet auch ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstands mit selektiver Einsatzhärtung nach Anspruch 8. Bevorzugte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 9 bis 11 definiert.
Diese und andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Kenner der Technik aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen angesichts der begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und Anordnungen von Teilen, bevorzugten Ausführungsformen und einem Verfahren physische Gestalt annehmen, die in dieser Patentschrift im Detail beschrieben werden und in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind, die ein Teil davon sind und in denen gilt:
1 ist ein Aufriss von einem Längsschnitt eines herkömmlichen Metallrings;
2A bis 2D stellen einen Prozess zum selektiven Einsatzhärten unter Verwendung von Karburierung bei niedrigen Temperaturen dar.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Mit Bezug zu 1 wird ein herkömmlicher Metallring 10 dargestellt. Dieser Metallring 10 ist nur ein Beispiel von zahllosen Gegenständen und Teilen, die mit der vorliegenden Erfindung benutzt werden können. Wenn auch die Erfindung hier in Bezug zu einem Metallring aus rostfreiem Stahl vom Typ 316 beschrieben wird, so ist die Beschreibung ihrer Natur nach als beispielhaft zu verstehen und soll nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden. Die vorliegende Erfindung findet bei jedem Teil eines Gegenstands Anwendung, der aus einer Chrom enthaltenden, nickel- oder eisenbasierten Legierung hergestellt ist und einer Einsatzhärtung unterzogen werden soll.
Obwohl ferner die bevorzugten Ausführungsformen hier mit besonderem Bezug zu Gegenständen beschrieben werden, die aus Legierungen von rostfreiem Stahl bestehen, ist die Beschreibung ihrer Natur nach als beispielhaft zu verstehen und soll nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden. Die vorliegende Erfindung ist auf viele Typen von chemischen, Chrom enthaltenden, eisen- oder nickelbasierten Legierungen anwendbar, einschließlich aber nicht begrenzt auf rostfreien Stahl aus Legierung 316, Legierung 316L und Legierung 304, sowie Legierung 600, Legierung C-276 und Legierung 20 Cb, um nur einige Beispiele zu nennen.
Der Metallring 10 ist in 1 lediglich in einem Teilquerschnitt dargestellt. Dieser besondere Metallring ist ein hinterer Metallring, der als Teil eines Systems mit zwei Metallringen verwendet wird. Solche Metallringe und Metallringsysteme, einschließlich der Metallringgeometrien, sind wohl bekannt und vollkommen beschrieben in den US Patenten Nr. 4.915.427 und 3.103.373, deren vollständige Offenlegungen hier als Ganzes einbezogen sein sollen.
Der Metallring 10 ist gekennzeichnet durch einen konischen Nasenabschnitt 12, einen Hauptkörper 14 und eine hintere Vortriebsfläche 16. In einer Rohrkupplung kommt die hintere Vortriebsfläche 16 mit einer Wand einer Mutter in Eingriff, die die Nase des Metallrings 10 axial in eine hintere Eingrifföffnung eines vorderen Metallrings (nicht gezeigt) treibt. Dieser Vorgang bewirkt unter anderem, dass der Nasenabschnitt 12 des Metallrings radial nach innen getrieben wird, um ein Rohrende zu greifen. Die Geometrie des in 1 dargestellten Metallrings 10 ist seiner Natur nach beispielhaft und wird wesentlich variieren, je nach der Besonderheit des Metallrings. Der Metallring 10 kann auch in einem Einzelsystem verwendet werden. In diesem Fall wird der Nasenabschnitt 12 in eine Eingrifföffnung eines nach vorn gerichteten Kopplungselements getrieben.
Gewöhnlich, aber nicht ausschließlich, wird für das Material des Metallrings 10 eine Legierung aus rostfreiem Stahl 316 verwendet. Damit der Metallring in einen verstärkten Eingriff des Rohrendes getrieben werden kann, ist es in manchen Anwendungen wünschenswert, den Metallring 10 einer Einsatzhärtung zu unterziehen. Des Weiteren ist es bei manchen Anwendungen wünschenswert, nur Teile des Metallrings 10 einer Einsatzhärtung zu unterziehen. Wenn z. B. der Nasenabschnitt 12 selektiv einer Einsatzhärtung unterzogen werden kann, kann die Gesamtleistung des Metallring-Systems in vielen Fällen verbessert werden.
Einsatzhärten ist hier so zu verstehen, dass die Oberfläche des Metallrings 10 mit einer relativ dünnen, karburierten Schicht versehen wird, um die Oberflächenhärte im Vergleich zum für den Metallring 10 verwendeten Grundmaterial zu erhöhen. Karburierung ist ein bevorzugtes Verfahren zum Einsatzhärten des Metallrings 10, und nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein neues Karburierungsverfahren benutzt, das eine selektive Einsatzhärtung des Metallrings 10 an einer ausgewählten Fläche gestattet, die kleiner als das ganze Teil ist.
Im Allgemeinen ist Karburierung ein Verfahren, bei dem Kohlenstoffatome in Lösung in die Grundlegierung diffundiert werden. Um die Kohlenstoffatome in den rostfreien Stahl diffundieren zu lassen, muss die Schicht aus Chromoxid entfernt werden. Im Allgemeinen ist dieser Schritt als Aktivierung oder Depassivierung bekannt. Die Oberfläche muss aktiviert werden, weil die Oxidschicht für die Kohlenstoffatome eine wesentliche Hürde darstellt. Wenn sie erst einmal aktiviert ist, kann die Oberfläche durch Diffusion bei einer erhöhten Temperatur karburiert werden.
Der Diffusionsvorgang kann beschleunigt werden, indem die Karburierung bei einer hohen Temperatur durchgeführt wird, z. B. über 538°C (1000°F) (für Legierungen aus rostfreiem Stahl). Die Diffusion bei einer solch hohen Temperatur kann jedoch leicht und schnell zur Herstellung von Karbiden führen, welche Moleküle aus Kohlestoff/Chrom sind. Karbide neigen dazu, in manchen Fällen das Chrom der Grundlegierung zu verringern.
Um die Bildung von Karbiden zu verhindern oder im Wesentlichen auszuschließen, behandelt die vorliegende Erfindung einen Karburierungsvorgang zum selektiven Einsatzhärten, der bei einer Temperatur ausgeführt wird, die unterhalb einer Temperatur liegt, welche Karbide fördert. Bei vielen chromhaltigen Legierungen, wie z. B. rostfreier Stahl 316, bilden sich leicht Karbide, wenn die Temperatur der Karburierung über 538°C (1000°F) liegt. Deshalb werden bei Legierungen von rostfreiem Stahl selektive Prozesse der Einsatzhärtung der vorliegenden Erfindung bei Temperaturen unter 538°C (1000°F) ausgeführt. Die Zeitdauer, während der Karburierung stattfindet, beeinflusst auch die Bildung von Karbid. Selbst bei Temperaturen unterhalb 538°C (1000°F) können sich Karbide bilden, wenn das Grundmaterial eine hinreichend lange Zeitspanne der Kohlenstoffquelle ausgesetzt wird. Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Karburierung unter einer Temperatur ausgeführt, die Karbide fördert, und über eine Zeitspanne, die kürzer als jene ist, wo sich Karbide bilden können. Daher behandelt die Erfindung ein Zeit-Temperatur-Profil, das während eines selektiven Prozesses des Einsatzhärtens die Bildung von Karbiden im Wesentlichen verhindert.
Um ein Beispiel eines derartigen Zeit-Temperatur-Profils zu geben: Bei rostfreiem Stahl 316 bilden sich über 538°C (1000°F) leicht Karbide schon innerhalb einer Stunde. Unterhalb dieser Temperatur, z. B. im Bereich von 427 bis 510°C (800 bis 950°F) werden vor einer Woche oder mehr keine Karbide entstehen, insbesondere wenn die Temperatur noch niedriger ist. Dies ist nur ein Beispiel und das jeweilige Zeit-Temperatur-Profil, das in einem bestimmten Prozess der Karburierung benutzt wird, um Karbidbildung zu vermeiden, wird von einer Reihe von Faktoren abhängen, welche die Temperatur der Karburierung und die chemische Zusammensetzung des Grundmetalls einschließen, aber nicht notwendiger Weise darauf begrenzt sind.
2A bis 2D stellen auf repräsentative Weise (und in Teilquerschnitten) die verschiedenen Schritte eines bevorzugten Prozesses der Karburierung nach der Erfindung des selektiven Einsatzhärtens eines Gegenstands aus rostfreiem Stahl dar, in diesem Beispiel eines Metallrings. Die allgemeinen Schritte des Prozesses sind:

1) Anlegen einer Kohlenstoff-Sperrmaske über Oberflächenbereichen des Gegenstands, die nicht karburiert werden sollen;
2) Aktivieren jener Oberflächenbereiche, die karburiert werden sollen;
3) Diffundieren von Kohlenstoff in die aktivierten Oberflächenbereiche; und
4) Entfernen der Kohlenstoff-Sperrmaske.

Schritt 1) kann mindestens auf zwei Arten ausgeführt werden. Die Erste ist es, eine Maske über das gesamte Teil zu legen und dann (wie z. B: durch Ätzen) die Abschnitte zu entfernen, die über dem zu karburierenden Oberflächenbereich liegen. Bei der Zweiten wird die Kohlenstoff-Sperrmaske nur selektiv aufgelegt.
In 2A weist der Gegenstand 10 eine Kohlenstoff-Sperrmaske 20 auf, die über die gesamte Oberfläche reicht. Es ist wichtig anzumerken, dass in den 2A bis 2D relative Abmessungen, wie die jeweilige Dicke der verschiedenen Schichten deutlich überzeichnet werden, um der Klarheit und Einfachheit der Darstellung und Erläuterung willen.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Kohlenstoff-Sperrmaske 20 aus Kupfer gebildet, das durch jedes geeignete Verfahren, in diesem Falle durch galvanisches Beschichten, auf den Gegenstand aufgebracht werden kann.
In 2B ist das Ergebnis des nächsten Schritts dargestellt. Teile der Kupfermaske 20, in diesem Fall der Nasenbereich 22, sind z. B. durch chemisches Ätzen entfernt worden, um das Grundmetall freizulegen. Der Ätzvorgang kann auf vielen Wegen erreicht werden. In dem dargestellten Fall ist der Nasenabschnitt 22 leicht zugänglich und das Kupfer kann durch einfaches Eintauchen des Nasenabschnitts 22 in ein Bad mit Salpetersäure weggeätzt werden. Die Säuere entfernt das Kupfer ohne das Grundmetall des Teils 10 anzugreifen.
Sobald das Kupfer selektiv entfernt ist und der Gegenstand 10 wieder der Luft ausgesetzt ist, wird der freigelegte unmaskierte Abschnitt 22 passiviert oder deaktiviert und es bildet sich eine Chromoxidschicht. Die Passivierung geschieht nahezu augenblicklich mit dem Aussetzen in der Luft und tritt bei jedem rostfreien Stahl auf. Die passive Oxidschicht, die sich über dem unmaskierten Bereich 22 ist eine Kohlenstoff-Sperrmaske. Um den unmaskierten Nasenabschnitt 22 zu karburieren, muss der unmaskierte Bereich aktiviert werden.
In 2C wird der nächste Schritt beleuchtet, bei dem eine Schicht oder ein Schild aus Eisen 24 über den Gegenstand 10 galvanisiert worden ist. Die Eisenschicht 24 wird sowohl über die Kupfermaske als auch über den unmaskierten Bereich 22 aufgetragen. Die Eisenschicht 24 kann z. B. durch herkömmliche Galvanisierungsvorgänge angelegt werden.
Die Eisenschicht 24 dient mehreren wichtigen Funktionen. Erstens aktiviert der Galvanisierungsvorgang den unmaskierten Bereich 22 und es ist kein weiterer Schritt zur Aktivierung erforderlich. Es ist festzuhalten, dass auch die Kupferschicht das Grundmetall darunter aktiviert, aber diese Tatsache kann während der Karburierung nicht ausgenutzt werden, weil Kupfer eine Kohlenstoff abweisende Schicht bzw. Sperre darstellt. Zweitens hat man entdeckt, dass Eisen Kohlenstoffatome leicht zu dem darunter liegenden Grundmetall durchlässt. Mit anderen Worden ist Eisen keine Kohlenstoff sperrende Schicht, sondern ist vielmehr im Wesentlichen für Kohlenstoff durchlässig. Ferner dient das die Kupferschicht 22 überlagernde Eisen als ein Schutzschild oder eine Maske für das Kupfer.
In einer Ausführungsform der Erfindung diffundieren die Kohlenstoffatome in den Gegenstand 10, indem der Gegenstand 10 Kohlenmonoxid (CO) ausgesetzt wird. Die Kohlenstoffatome dringen leicht durch die Eisenschicht 24 in den unmaskierten Bereich des Grundmetalls 22 mit geringem Kohlenstoffanteil ein. Die Temperatur für die Diffusion wird unter 538°C (1000°F) gehalten, um eine leichte Bildung von Karbiden zu vermeiden. Die Kohlenstoffatome diffundieren durch die Eisenschicht 24 in eine feste Lösung mit dem Grundmetall. Nach diesem Aspekt der Erfindung wird ein selektives Einsatzhärte-Verfahren zur Verfügung gestellt, das eine gasförmige Karburierung gestattet. In dieser Ausführungsform enthält die Gasmischung zur Karburierung Kohlenmonoxid und Stickstoff unter einer Atmosphäre Druck und bei einer Temperatur unter 538°C (1000°F), z. B. im Bereich von 427 bis 527°C (800 bis 980°F). Der Diffusionsvorgang kann bei diesen geringeren Diffusionstemperaturen bis zu etwa zwei Wochen dauern, abhängig von der Menge Kohlenstoff, der in den Gegenstand diffundieren soll.
Kenner der Technik werden verstehen, dass die Zeitspanne der Diffusion die Tiefe der Kohlenstoff gehärteten Fläche bestimmt, weil der Diffusionsgrad temperaturabhängig ist. Da die Zeit bei der von der Temperatur abhängigen Bildung von Karbiden auch eine Rolle spielt, sollte zum Erreichen der gewünschten Härtungstiefe der Diffusionsvorgang der Karburierung gesteuert werden, indem ein Zeit-Temperatur-Profil verwendet wird, das bei der bestimmten, verwendeten Legierung die Bildung von Karbiden verhindert. Da die Bildung von Karbid eine Funktion von Zeit und Temperatur ist, kann es z. B. in Fällen, wo eine tiefe Härtung erwünscht ist, erforderlich sein, während des Ablaufs des Diffusionsvorgangs die Temperatur zu verringern, um die Bildung von Karbid zu vermeiden. Je geringer die Diffusionstemperatur, desto länger kann der Diffusionsvorgang dauern, ohne dass Karbide gebildet werden. Der Nachteil ist allerdings die zusätzliche Zeit, die benötigt werden kann, um eine bestimmte Diffusionstiefe zu erzielen. Jedoch kann in vielen Fällen der Gegenstand ohne Bildung von Karbiden einer Einsatzhärtung bis auf eine ausreichende Tiefe unterzogen werden, indem die Temperatur bei der Karburierung unter der Temperatur gehalten wird, bei der sich leicht Karbide bilden, z. B. unter 538°C (1000°F) für rostfreien Stahl 316.
2D zeigt das Endergebnis nach der Karburierung. Nachdem die Kohlenstoffatome in den unmaskierten Abschnitt 22, in diesem Falle die Nase des Metallrings, eindiffundiert sind, ist ein selektiver Abschnitt 30 mit Einsatzhärtung des Gegenstands 10 ausgebildet worden, der härter als die restlichen Abschnitte des Gegenstands ist. Um das zu verdeutlichen, ist die relative Dicke des gehärteten Abschnitts 30 in den Zeichnungen vergrößert dargestellt und sie kann in der Praxis z. B. nur 0,025 bis 0,076 mm (0,001 bis 0,003 Zoll) oder weniger betragen. Die Dicke des karburierten Abschnitts wird von den gewünschten mechanischen Eigenschaften des und funktionalen Anforderungen an den Endgegenstands) abhängen.
In 2D ist die Eisenschicht 24 und die Kupfermaske 20 z. B. durch Ätzen entfernt worden, nachdem der Diffusionsprozess abgeschlossen ist. Das Entfernen dieser Schichten gestattet die Passivierung des Gegenstands 10, um eine Chromoxidschicht vorzusehen, einschließlich des Oberflächenbereichs der Nase 12 mit Einsatzhärtung.
Kenner der Technik werden leicht erkennen, dass es zu dem bevorzugten Verfahren eine Reihe von Alternativen gibt. So können für die Kohlenstoffmaske neben Kupfer andere Materialien einschließlich Silber verwendet und auch durch Galvanisieren aufgelegt werden. Für manche Anwendungen kann auch Gold ein geeignetes Maskenmaterial sein. Auch andere Materialien können als geeignete Masken zum Sperren des Kohlenstoffs dienen.
In dem oben beschriebenen bevorzugten Verfahren kann eine Karburierung z. B. mit einer Stickstoffgasmischung bei einer Atmosphäre mit 0,5 bis 100 % Kohlenmonoxid ausgeführt werden, wobei der Rest Stickstoff ist. Die Karburierungsdiffusion ohne die Bildung von Karbiden kann über etwa zwei Wochen bei einem Temperaturprofil entstehen, das von 427 bis 527°C (800 bis 980°F) reicht.
Ein alternatives Verfahren zur selektiven Einsatzhärtung, das aber nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, wird im Folgenden beschrieben. Zuerst wird eine Kohlenstoff sperrende Maske über jene Bereiche des Gegenstands aufgelegt, die nicht einer Einsatzhärtung unterzogen werden sollen. Dieser Schritt kann derselbe sein, wie er oben zum Aufbringen einer Kupfermaske auf den Gegenstand beschrieben wurde. Um die unmaskierten Abschnitte zu aktivieren, wird der Gegenstand einer Gasmischung aus Halogenwasserstoff, wie etwa Chlorwasserstoff (HCl) und Stickstoff bei einer Atmosphäre und einer erhöhten Temperatur über eine Zeitspanne ausgesetzt, die den Angriff auf die und die Migration der den Kohlenstoff sperrenden Maske minimiert oder auf ein akzeptables Maß begrenzt. HCl wird z. B. eine Kupfermaske angreifen. Mit der Zeit wird das Kupfer dazu neigen, von dem Gegenstand weg zu wandern und durch das HCl-Gas abgetragen zu werden. Die Aktivierungszeit wird jedoch kurz sein, da HCl ein sehr gutes Gas für die Aktivierung ist. Daher sollte die Zeitspanne, in der der Gegenstand dem HCL-Gas ausgesetzt wird, kurz genug gehalten werden, dass ein Verlust der Kupfermaske vermieden wird. Um eine ausreichende Aktivierungszeit herzustellen, kann bei Bedarf auch eine dickere Kupfermaske aufgelegt werden. Beispielsweise ist ein Temperatur-Zeit-Profil mit 316 bis 343°C (600 bis 650°F) über etwa eine Stunde geeignet, bei dem zur Aktivierung ein Gasgemisch aus 17 bis 100 % Chlorwasserstoff und dem Rest aus Stickstoff bei einer Atmosphäre benutzt wird. Weitere Gase zur Aktivierung sind z. B. Fluorwasserstoff oder andere, und das zur Aktivierung ausgewählte Gas wird teilweise das verwendete Zeit-Temperaturprofil bestimmen. Diese alternativen Aktivierungsverfahren werden weniger bevorzugt, weil die Kammer zur Aktivierung/Karburierung ge schrubbt werden muss, um die Kupferspuren zu entfernen, bevor die nächste zu karburierende Charge bearbeitet wird.
Die verschiedenen hier beschriebenen Vorgänge, die das Einem-Gas-Aussetzen des Gegenstands betreffen, können mit herkömmlicher und am Markt verfügbarer Ausrüstung, wie etwa einem den Kennern der Technik bekannten Tiefofen, durchgeführt werden.
Wenn bei dem alternativen Verfahren der Aktivierungsschritt abgeschlossen ist, wird das Aktivierungsgas aus der Gaskammer gereinigt, aber die aktivierte Oberfläche des Gegenstands wird nicht der Atmosphäre ausgesetzt, weil sonst der Gegenstand umgehend wieder passiviert wird. Das Aktivierungsgas wird in der Kammer durch die Gasmischung für die Karburierung ersetzt. In diesem Beispiel wird die Karburierung durchgeführt, indem eine Gasmischung aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Stickstoff bei einer Atmosphäre benutzt wird. In diesem Beispiel wird der Wasserstoff zu der Gasmischung für die Karburierung hinzugefügt, weil ohne die Eisenschicht das Kohlenmonoxidgas dazu neigen würde, den aktivierten Bereich wieder zu passivieren. Eine beispielhafte Gasmischung besteht aus 0,5 bis 60 Volumen-% Kohlenmonoxid, 10 bis 50 Vol.-% Wasserstoff und dem Rest Stickstoff bei einer Atmosphäre. Auch hier wird die Karburierungsdiffusion innerhalb eines Zeit-Temperatur-Profils und insbesondere bei einer Temperatur unter derjenigen, die das einfache Ausbilden von Karbiden im Grundmetall zulassen oder fördern würde, bewirkt. Das heißt, weniger als 538°C bzw. 1000°F für Legierungen aus rostfreiem Stahl, z. B. im Bereich von 399 bis 510°C bzw. 750 bis 950°F über etwa eine Woche (auch hier variiert der Parameter Zeit in Abhängigkeit von der geforderten Karburierungstiefe).
Wie in dem zuvor schon beschriebenen Vorgang wird nach der Karburierung die Kupfermaske entfernt und der Gegenstand wird passiviert, nachdem er der Atmosphäre ausgesetzt ist.
Die Erfindung ist mit Bezug zu der bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden. Beim Lesen und Verstehen dieser Patentanmeldung werden anderen bestimmt Modifikationen und Änderungen einfallen. Es ist beabsichtigt, solche Modifikationen und Änderungen insoweit einzubeziehen, als sie durch den Umfang der anhängenden Ansprüche abgedeckt sind.

Claims

Gegenstand, der einer selektiven Einsatzhärtung unterzogen worden ist und der aus einer chromhaltigen Legierung hergestellt ist, wobei die selektive Einsatzhärtung des Gegenstands ausgeführt wird durch Anordnen einer Kohlenstoff-Sperrmaske (20) über einem ausgewählten Oberflächenabschnitt des Gegenstands; Aktivieren des unmaskierten Oberflächenabschnitts (22) des Gegenstands durch galvanisches Beschichten zumindest des unmaskierten Oberflächenabschnitts mit einer Schicht aus Eisen (24); und Karburierung des unmaskierten, aktivierten Oberflächenabschnitts, um eine karburierte Oberfläche auszubilden, die im Wesentlichen frei von Karbiden ist.
Gegenstand nach Anspruch 1 mit einem ersten Oberflächenabschnitt (16), der eine erste Härtecharakteristik aufweist, und einem zweiten Abschnitt, der eine zweite Härtecharakteristik besitzt, wobei der zweite Abschnitt den Oberflächenabschnitt (22) umfasst.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der zweite Abschnitt als ein karburierter Bereich an ausgewählten Stellen des Körpers ausgebildet ist.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Legierung eine chromhaltige, eisen- oder nickelbasierte Legierung umfasst.
Gegenstand nach Anspruch 4, wobei die Legierung rostfreien Stahl umfasst.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der zweite Abschnitt über einem ausgewählten Bereich des Körpers eine mit Kohlenstoff imprägnierte Oberfläche umfasst, um einen härteren Abschnitt als den ersten Abschnitt herzustellen.
Gegenstand nach Anspruch 2, wobei der Körper ein Metallring ist.
Verfahren zur selektiven Karburierung eines chromhaltigen Gegenstands, wobei das Verfahren umfasst: Anordnen einer Kohlenstoff-Sperrmaske über einem ausgewählten Oberflächenabschnitt des Gegenstands; Aktivieren des unmaskierten Oberflächenabschnitts des Gegenstands durch galvanisches Beschichten zumindest des unmaskierten Oberflächenabschnitts mit einer Schicht aus Eisen; und Karburierung des unmaskierten, aktivierten Oberflächenabschnitts, um eine karburierte Oberfläche auszubilden, die im Wesentlichen frei von Karbiden ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Anordnens der Maske die Schritte umfasst: Anlagern der Kohlenstoff-Sperrmaske auf dem gesamten Gegenstand; und selektives Entfernen von Abschnitten der Sperrmaske.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Sperrmaske eine Kupferschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Kupferschicht selektiv entfernt wird.
Gegenstand nach Anspruch 4, wobei es sich um Legierung 316, Legierung 316L, Legierung 304, Legierung 600, Legierung C-276 oder Legierung 20 Cb handelt.
Gegenstand nach Anspruch 7, wobei der Metallring einen Nasenabschnitt definiert, der eine zweite Härtecharakteristik aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 13, wobei der Metallring aus rostfreiem Stahl gefertigt ist.
Gegenstand nach Anspruch 14, wobei der rostfreie Stahl eine Legierung 316, 316L oder 304 ist.
Gegenstand nach Anspruch 1, der eine geformte Menge Legierung aus rostfreiem Stahl umfasst, die einen ersten Oberflächenabschnitt (16) und ein zweite Oberflächenabschnitt (22) definiert, der sich vom ersten Oberflächenabschnitt (16) unterscheidet, wobei der zweite Oberflächenabschnitt (22) der karburierte Abschnitt ist und er härter als der erste Oberflächenabschnitt ist.
Gegenstand nach Anspruch 7, wobei der Metallring aus einem Körper besteht, der einen Nasenabschnitt zum Greifen eines Rohrendes und eine Vortriebsfläche zum Treiben des Nasenendes nach innen besitzt, wobei das Nasenende den zweiten Oberflächenabschnitt (22) definiert.