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Verfahren zum Härten von Legierungen durch Eindiffundieren eines Metalloids
Es ist bekannt, ein Metall, insbesondere eine Eisenlegierung, dadurch zu härten,
daß man bei erhöhter Temperatur ein Metalloid, wie Stickstoff, z. B. durch Erhitzung
in einer Atmosphäre oder einer Schmelze, die eine Stickstoffverbindung enthält,
in sie diffundieren läßt. Durch die Reaktion des einliffundierten Stickstoffs mit
einem oder mehreren Bestandteilen des zu härtenden Metalls entstehen Nitride, und
es wird eine Härtung herbeigeführt. Eine solche Nitrierhärtung wird zur Erzielung
einer gehärteten Oberflächenschicht bei Metallen, wie Eisen, verwendet.
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In der belgischen Patentschrift 454 567 ist eine Legierung, insbesondere
von Silber, Kupfer oder Nickel beschrieben, die dadurch gehärtet werden kann, daß
bei erhöhter Temperatur Sauerstoff in sie diffundiert wird. Es entstehen submikroskopische
Oxyde in der Legierung, die eine Härtung herbeiführen. Diese sog. Oxydationshärtung
kann sowohl für eine oberflächliche Härtung als auch für eine Härtung durch die
ganze Legierung hindurch dienen.
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Die durch das Eindiffundieren eines Metalloids gehärteten Legierungen
sind oft spröde, was ihrer Anwendung in manchen Fällen im Wege steht.
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Nach der Erfindung wird zur Herabsetzung der Sprödigkeit die Legierung
im monokristallinischen Zustand gehärtet.
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Die Erfindung ist besonders wichtig für Legierungen, wie Kupfer- und
Silberlegierungen, die durch das Eindiffundieren von Sauerstoff gehärtet werden.
Die Sprödigkeit wird dabei so stark unterdrückt, daß die
monokristallinische
Legierung nach ihrer Härtung sehr gut durch Walzen, Ziehen oder eine ähnliche Bearbeitung
zu Stäben, Trägern, Bändern usw. verformt werden kann, auch bei Zimmertemperatur.
Es können auf diese Weise Erzeugnisse erzielt werden, die hart und biegsam sind
und eine gute elektrische Leitfähigkeit haben und die sich z. B. besonders zur Anfertigung
von Einzelteilen in Elektronenröhren, wie Gitterstegen und Drähten, eignen. Auch
beim Eindiffundieren von Stickstoff ergeben sich bei Anwendung der Erfindung Legierungen
mit einer wesentlich geringeren Sprödigkeit.
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Wenn bei Anwendung der Erfindung die Legierung nach erfolgter Härtung
nicht gewalzt oder auf andere Weise verformt wird, bleibt sie in monokristallinischem
Zustand, ohne daß man aber sagen kann, daß bei der obenerwähnten Ausführungsform
der Erfindung, bei der auf die Härtung eine Verformung folgt, die Legierung polykristallinisch
im üblichen Sinne des Wortes wird.
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Im letzteren Fall ist die monokristallinische Struktur aber durch
gegenseitige Abscherungen von Kristallteilen, wobei Gleitlinien entstehen, unterbrochen.
Die nach der Härtung verformte monokristallinische Legierung hat eine besondere
Struktur, was darin zum Ausdruck kommt, daß die Verformung keine weitere wesentliche
Härtezunahme herbeiführt und daß beim Glühen der verformten Legierung weder eine
Rekristallisation noch die damit einhergehende Härteabnahme auftritt. Es wird hier
ein Glühen gemeint unter Bedingungen, bei denen die gleiche verformte Legierung,
in der nur kein Metalloid eindiffundiert ist, wohl rekristallisiert. Für die praktische
Anwendung ist es von größter Wichtigkeit, daß die Härte nach dem Glühen beibehalten
bleibt.
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Die Legierung kommt beim Glühen auch nicht in den sehr weichen Zustand,
den rekristallisierende Legierungen im Augenblick ihrer Rekristallisation gewöhnlich
durchlaufen und der bewirkt, daß bei Ausglühen verformter Legierungen Formänderungen
auftreten, sobald diese Legierungen während des Glühens einer Belastung ausgesetzt
werden.
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Die nach der Erfindung erzielte Verbesserung hinsichtlich der Sprödigkeit
steht wahrscheinlich damit im Zusammenhang, daß bei der Härtung erzeugte Nitride
und Oxyde sich auch an den Korngrenzen abscheiden. Wenn solche Korngrenzen in der
Legierung nicht vorhanden sind wie bei einem Monokristall, ergibt sich eine wesentlich
geringere Sprödigkeit. Kleine Einschlüsse und Poren in einem Monokristall schaden
der Härte natürlich nicht, und der Ausdruck monokristallinische Zustand umfaßt daher
Monokristalle mit solchen Einschlüssen und Poren.
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Bei der Anfertigung eines Gegenstands oder Bauteils nach der Erfindung
wird es manchmal nicht erforderlich sein, daß der ganze Gegenstand oder Bauteil
eine solche möglichst geringe Sprödigkeit hat. In einem solchen Falle genügt es,
wenn der Teil des Gegenstands der einer mechanischen Belastung ausgesetzt ist und
dessen Sprödigkeit herabgesetzt werden soll, sich während der Härtung im monokristallinischen
Zustand befindet.
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Ausführungsbeispiele I. Ein Monokristall in Form eines runden Stabs
von 3,5 mm Durchmesser und 6o mm Länge, der aus Silber mit 0,3 Gewichtsprozent
Magnesium besteht, wurde dadurch völlig gehärtet, daß er während 27 Stunden auf
8oo ° C an Luft geglüht wurde.
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Die Härte betrug 122 kg,'mm2, gemessen gemäß dem Verfahren nach Vickers.
Darauf wurde der Monokristall bis zu einer Platte von o,5 mm Stärke kalt gewalzt,
wobei sich die Härte bis 126ikg mm' steigerte. Die Platte war völlig frei von Rissen.
Nach erfolgtem Glühen in Stickstoff während '/_, Stunde betrug die Härte wieder
122 kg/mm'. Eine kekristallisation trat dabei nicht auf; die beim Walzen entstandenen
Gleitlinien waren deutlich erkennbar.
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IL Ein Monokristall von Kupfer mit 0,2 Gewichtsprozent Beryllium von
gleichen Abmessungen wie im Beispiel I wurde dadurch völlig gehärtet, daß er während
26 Stunden auf 95o' C an Luft geglüht wurde. Nach Entfernung der Oxydhaut war der
Durchmesser des Monokristalls 1,6 mm. Die Vickershärte betrug 12o kg"mm2. Darauf
wurde der Monokristall zu einer Platte von o,5 mm Stärke kalt gewalzt, wobei die
Härte unverändert blieb. Durch Glühen während '/1 Stunde auf 8oo ° C in Stickstoff
änderte sich die Härte nicht. Rekristallisation trat dabei nicht auf.
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Wurde der Monokristall nur während 17'/2 Stunden an Luft geglüht,
so blieb ein Kern von etwa 0,5 mm Durchmesser ungehärtet. Dieser Kern rekristallisierte
wohl beim Ausglühen in Stickstoff; die dabei entstandenen Kristalle wuchsen nicht
durch die Abgrenzung des ungehärteten Kerns und durch die gehärtete Oberflächenschicht
hindurch.
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III. Ein stabförmiger Monokristall von 3 mm im Durchmesser aus Eisen
mit 2 Gewichtsprozent Aluminium wurde während 120 Stunden auf 525' C in Ammoniak
erhitzt. Während ein auf diese Weise behandelter polykristallinischer Stab sehr
spröde ist und bereits beim Abkühlen an verschiedenen Stellen an den Kristallgrenzen
reißt und abbricht, war der gehärtete Monokristall sehr widerstandsfähig.