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Schützen von Metallen und Legierungen gegen Oxydation, Verzunderung
oder eine andere ähnliche Beschädigung der Oberfläche während der Wärmebehandlung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallen
und deren Legierungen und bezweckt insbesondere die Verhütung von Oxydschichten
oder Zunder oder anderen ähnlichen Beschädigungen auf der Legierungs- bzw. Metalloberfläche,
welche ansonst infolge der höheren Temperaturen, z. B. während einer Lösungs-oder
Wä rtnebehandlung für das Härten oder eitles :lusglühens, auftreten können.
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Eine Methode zur Behebung dieser Schwierigkeit besteht in der Schaffung
einer inerten Atmosphäre rings um das Werkstück im Ofen, aber die Aufrechterhaltung
einer solchen Atmosphäre, insbesondere während längerer Erwärmungsperioden, ist
etwas umständlich und bedingt die Benutzung einer speziellen und kostspieligen Ausrüstung.
Es ist außerdem vorgeschlagen worden, zur Verhütung der Oxydation, Aufkohlung oder
Entkohlung von 2-Zetallen bei der Wärmebehandlung die Erwärmung in einer Ofenatmosphäre
durchzuführen, welche genügend Lithium oder eine Verbindung desselben enthält, um
eine oxydierende Einwirkung der Ofenatmosphäre auf das zu erwärmende Metall zu vermeiden.
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Es sind schon eine große Anzahl weiterer Methoden zur Verhütung der
Oxydation u. dgl. beim Ausglühen von Stahldraht oder -band oder anderen Materialien
vorgeschlagen worden, welche darauf beruhen, daß zwecks Verhütung von Luftzutritt
zur Oberfläche des zu behandelnden Materials während des Ausglühens oder nachfolgenden
Abkühlens das Material in eilte :fasse aus inertenl oder desoxydierendem
Material
eingebettet oder hindurchgeführt wird, z. B. Sand, Holzkohle, Kalk, Feuerton, Asche,
Eisenspäne, Schlackenwolle, Hammerschlag bzw. Walzensinter oder Mischungen gewisser
dieser Materialien.
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Man hat auch schon eine Wärmebehandlungsmethode für Metalle vorgeschlagen,
nach welcher eine rasche Erwärmung des Metalles erzielt wird, indem man dasselbe
durch eine erwärmte Masse einer körnigen oder feinverteilten, wärmeleitenden Substanz
hindurchfährt, z. B. feinverteilter Graphit, Metallpulver oder feiner Metallschrot.
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Es hat sich nun in gewissen Fällen herausgestellt, z. B. wenn eine
längere Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen, beispielsweise im Bereich von
35o bis 6oo° C, auf eine Zeitdauer von mehreren Tagen erforderlich ist, oder wenn
eine Wärmebehandlung bei sehr hohen Temperaturen im Bereich von iooo° C erforderlich
ist, daß die bisher vorgeschlagenen Materialien keine befriedigende Schutzwirkung
ergeben. Die vorliegende Erfindung bezweckt nun eine Verbesserung des Verfahrens,
welches einen guten Oberflächenschutz bei höheren Temperaturen und` insbesondere
einen befriedigenden Oberflächenschutz unter den obenerwähnten Bedingungen ermöglicht.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin, daß man während der
Wärmebehandlung in Berührung mit dem Metall oder der Legierung oder in der Nähe
davon ein Schutzmittel vorsieht, welches mindestenseinErdalkalimetall,Magnesium,
oder mindestens ein Alkalimetall enthält.
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Unter dem Begriff Erdalkalimetalle sollen Calcium, Strontium und Barium
verstanden sein. Die Bezeichnung Alkalimetalle soll die in der Gruppe IA des periodischen
Systems enthaltenen Metalle mit Ausnahme von Lithium umfassen.
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Wenn mehrere dieser Schutzmetalle gleichzeitig verwendet werden, können
dieselben in Form eines Gemisches oder miteinander legiert vorhanden sein. Außerdem
können die Metalle in Form einer Legierung mit einem billigeren Metall, z. B. Kupfer
oder Zink,, verwendet werden. So kann man z. B. eine 6o/40-Kupfer-Calcium-, 6o/4o-Magnesium-Calcium-
oder 85/i5-Magnesium-Calcium-Legierung verwenden. Diese besitzen die, Vorteile verhältnismäßig
geringer Kosten, einer leichten Granulierung und einer passenden Stabilität für
die Behandlung bei der Produktion. Auch können die Legierungen von Natrium mit Blei,
Zink, Zinn oder Quecksilber verwendet werden.
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Zweckmäßigerweise wird das Schutzmittel in Form einer körnigen oder
feinverteilten Masse verwendet, obgleich dieselbe unter gewissen Umständen im Laufe
der Wärmebehandlung auch in den geschmolzenen oder gasförmigen Zustand übergehen
kann, je nach der Temperatur der Wärmebehandlung und dem Schmelzpunkt des verwendeten
Schutzmittels. Gewünschtenfalls kann auch ein inerter Füllstoff, wie Aluminiumoxyd
oder Kalk, der Masse einverleibt werden, um die Partikel des aktiven Bestandteiles
voneinander zu trennen. Zweckmäßigerweise wird zur Durchführung der Wärmebehandlung
das Metall oder die Legierung zusammen mit dem Schutzmittel in einen Behälter eingeschlossen
und dann der Behälter in einem Ofen während der erforderlichen Zeit erwärmt. Das
Schutzmittel kann rings um das Metall oder die Legierung eingefüllt oder in einem
besonderen Behälter enthalten sein, welcher an der Innenwand des Behälters oder
in anderer Weise in dem Behälter untergebracht ist, indem z. B. das Schutzmittel
von dem zu behandelnden Metall oder der Legierung durch eine Zwischenlage von Drahtgewebe
oder einem anderen durchlässigen Material, wie Asbest oder Metallblech mit ausgestanzten
Löchern oder ein poröser Stopfen aus feuerfestem Material, getrennt wird. In den
meisten Fällen ist es vorteilhaft, wenn das Metall oder die Legierung nicht in direkter
Berührung mit dem in fester Form eingefüllten Schutzmittel steht, da die erforderliche
Menge des letzteren gewöhnlich verhältnismäßig klein ist und hierdurch jede Möglichkeit
einer Verbrennung des Metalls oder der Legierung durch Berührung .mit dem Schutzmittel
verhütet wird.
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Die anzuwendende Menge von Schutzmittel wird auf Grund des Rauminhalts
des Behälters, in welchem der Werkstoff der Wärmebehandlung unterworfen wird, d.
h. des obenerwähnten geschlossenen Behälters oder des Ofens selbst, wenn der Werkstoff
unmittelbar in diesen gestellt wird, und der bekannten Menge von Sauerstoff und/oder
Stickstoff, welche durch das Einheitsgewicht des Schutzmittels absorbiert werden
kann, . berechnet. Zum Beispiel wird ein Verhältnis von 2,4 kg Calcium pro ms des
- Behälterraumes angewendet, also werden 68o g 60/40-Kupfer-Calcium-Legierung für
einen o, i i m3 fassenden Behälter gebraucht.
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Auch die Entkohlung von Stahl kann als eine oxydierende Einwirkung
auf die Oberfläche eines Metallischen Werkstoffes betrachtet werden. Beispiel i
Kupfer-Nickel-Mangan-Stangen, welche durch Ausscheidungshärtung bei 40o bis 5oo°
C während einer Zeitdauer von ungefähr 8 Tagen gehärtet werden sollen, werden in
Stahlbehälter mit einer Menge von 6o/4o-Kupfer-Calcium in einer durch ein 3-mm-Sieb
hindurchgehenden Körnung eingepackt, wobei die Kupfer-Calcium-Füllung so abgesondert
ist, daß sie nicht in direkte Berührung mit den Stangen kommen kann. Die Behälter
werden verschlossen und dann in einem Heißluftofen während der geeigneten Zeit erwärmt.
Nach der Wärmebehandlung haben die Stangen beim Herausnehmen einen leichten, blauen
Überzug, welcher durch rasches Eintauchen in ioo/oige Schwefelsäure leicht entfernt
werden kann. Vergleichsweise sind Stangen aus der gleichen Legierung in einem Falle
in Graphitpulver anstatt in Kupfer-Calcium und in einem anderen Falle ohne jedes
Schutzmittel verpackt und einer gleichen Wärmebehandlung unterzogen worden. Die
in Graphit eingepackten Stangen hatten einen matten Zunderbeschlag, dessen Entfernung
ziemlich kräftiges Beizen erforderte,
woraus sich ein A ufrauhen
der Oberfläche und etwas Metallverlust ergab, während die ungeschützten Stangen
noch einen viel schwereren Zunderbeschlag aufwiesen, zu dessen Entfernung eine weit
drastischere Behandlung erforderlich war.
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Beispiel e Ein Stahlwerkzeug mit ungefähr i % Kohlenstoff wurde einer
Wärmebehandlung von ungefähr 6 Stunden in dem unteren kritischen Umwandlungspunkt
in einem geeigneten Behälter zusammen mit einer kleinen Menge 6o/.4o-Kupfer-Calcium-Legierung
unterworfen. Nach der Abkühlung wurde das Stahlstück dem Behälter entnommen und
erwies sich als leicht mattiert, ohne indessen Anzeichen einer Entkohlung zu zeigen.
Beispiel 3 Ein Band aus einer Kupfer-Chroin-Legierung wurde einer Lösungswärmebehandlung
unterzogen durch Einschließen des aufgewundenen Bandes in einem geschlossenen zylindrischen
Behälter zusammen mit einer passenden Menge von 85/i5-Magnesium-Calcium-Legierung
und in einem Heißluftofen unter den erforderlichen Temperatur- und Zeitverhältnissen
erwärmt. Bei dieser Behandlung erlitt die Kupfer-Chrom-Legierung keinerlei Beschädigung.
Es ergibt dies einen wichtigen Vorteil gegenüber dem gewöhnten Ausglühen dieser
Legierung, wobei sich außer einer Verzunderung ein Eindringen des Sauerstoffes in
die Legierung ergibt, wodurch eine Oberflächenzerstörung bewirkt wird, welche die
Härtungseigenschaften der Legierung beeinträchtigt und nicht durch Beizen entfernt
werden kann.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ergibt gegenüber anderen
oder früher benutzten Methoden eine Anzahl Vorteile. So ermöglicht es den Schutz
der Oberfläche der wärmebehandelten Legierung in weit größerem Maße als die früher
vorgeschlagenen Einhüllungsmaterialien, und die zusätzlichen Gestehungskosten werden
durch die bessere Qualität des Produktes und die Ausschaltung nachträglicher Behandlung
wettgemacht. Außerdem werden die Betriebskosten während einer längeren Wärmebehandlung
verringert, da die einmal verschlossenen Behälter im Gegensatz zu einem mit einer
bestimmten Atmosphäre arbeitenden und stets zu kontrollierenden Ofen keinerlei weitere
Aufsicht benötigen.
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Natürlich ergeben sich die verbesserten Resultate bei jeder längeren
Wärmebehandlung, obwohl dieselben bei sehr langer Behandlung oder bei sehr hohen
Temperaturen besonders markant sind.