EP0133646A1 - Tiegel zur Aufnahme von Salzbädern für das Borieren von Stählen - Google Patents

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EP0133646A1 EP84107595A EP84107595A EP0133646A1 EP 0133646 A1 EP0133646 A1 EP 0133646A1 EP 84107595 A EP84107595 A EP 84107595A EP 84107595 A EP84107595 A EP 84107595A EP 0133646 A1 EP0133646 A1 EP 0133646A1
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/40—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel

Definitions

  • the invention relates to a crucible for holding salt baths for the boronization of steels.
  • Boring steel is a relatively new process, the importance of which has grown considerably in recent years.
  • the steel parts are immersed, for example, in boron-releasing molten salts and annealed at 850 -950 ° C for a few hours.
  • a hard, wear-resistant layer of iron boride (Fe 2 B) is formed by the diffusion of boron into the steel surface.
  • the borating salt melts generally consist of a mixture of alkali and alkaline earth chlorides, alkali and alkaline earth fluorides, boron oxide and borates and a borating agent, usually boron carbide or boron powder. These melts are operated at 850 - 950 ° C.
  • the fluorides and the borates in particular have a very destructive effect on crucibles made from normal steels.
  • High-alloy corrosion-resistant steels such as the well-known VA steels, are also unusable as crucible materials. They are destroyed both by the attack of the borating agent and by the attack of the oxide-dissolving borates and fluorides.
  • the titanium crucibles occasionally used in technology are not resistant to fluorides, other materials which are suitable in principle, such as noble metals, tantalum or graphite, cannot be used for reasons of cost and technical reasons.
  • a steel with the composition 0.15% by weight of carbon, 2.0% by weight of silicon, 1.5% by weight of manganese, 20% by weight of chromium, 12% by weight of nickel, the rest of iron has proven particularly useful in practice .
  • the materials according to the invention which have been selected from a large number of known steels, have excellent resistance to molten fluoride and borate-containing borating salts.
  • the weight loss of a 350 g sheet made of steel with 0.15 carbon, 2% silicon, 1.5% manganese, 20% chromium and 12% nickel after 520 hours of treatment in a boron salt melt of 900 ° C is only 7 grams or 2% of the weight, while a similar mild steel sheet is completely destroyed by the melt with the same contact time.
  • a boriding salt bath made of 52% by weight BaCl is placed 2 , 18% NaCl, 20% NaF and 10% B 4 C melted at 900 ° C and operated continuously over a period of 2500 hours. After this time, the molten salt is exhausted, the inside of the crucible is cleaned and inspected.
  • the crucible wall is slightly roughened due to a relatively low, even corrosion attack without pitting and furrowing of the material.

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Abstract

Tiegel zur Aufnahme von Salzbädern für das Borieren von Stählen zeigen dann hohe Standzeiten, wenn als Werkstoff Stähle mit 0,05 - 0,8% Kohlenstoff, 0,8 - 2,5% Silizium, 0,1 - 2,0 % Mangan, 0 - 1,5% Aluminium, 6 - 30% Chrom, 4 - 39 % Nickel, Rest Eisen verwendet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Tiegel zur Aufnahme von Salzbädern für das Borieren von Stählen. Das Borieren von Stahl ist ein verhältnismäßig junges Verfahren, dessen Bedeutung in den letzten Jahren beträchtlich gewachsen ist. Zum Borieren werden die Stahlteile zum Beispiel in borabgebende Salzschmelzen eingetaucht und einige Stunden bei 850 -950°C geglüht. Dabei bildet sich durch Eindiffusion von Bor in die Stahloberfläche eine harte, verschleißfeste Schicht von Eisenborid (Fe2B) aus.
  • Man kann die Boriersalzschmelzen an Luft betreiben und es genügt, die an einem Chargiergestell befestigten Teile zur Behandlung in die Schmelze zu tauchen, nach beendeter Borierung herauszunehmen, in Wasser abzuschrecken und Salzreste abzuspülen.
  • Einer weiten technischen Anwendung dieses einfachen Borierverfahrens standen bislang jedoch beträchtliche Korrosionsprobleme bei den zur Aufnahme der Salzbäder verwendeten Tiegeln entgegen. Die Boriersalzschmelzen bestehen im allgemeinen aus einem Gemisch von Alkali- und Erdalkalichloriden, Alkali- und Erdalkalifluoriden, Boroxid und Boraten sowie einem Boriermittel, meist Borcarbid oder Borpulver. Diese Schmelzen werden bei 850 - 950°C betrieben. Dabei wirken besonders die Fluoride und die Borate sehr rasch zerstörend auf Tiegel aus normalen Stählen ein. So halten herkömmliche Tiegel aus Flußstahl oder niedrig legiertem Stahl, wie sie üblicherweise in der Härtereitechnik verwendet werden, dem Korrosionsangriff durch Boriersalzschmelzen nur einige Wochen stand. Die Korrosion beruht in diesem Falle in erster Linie auf einer oxidativen Zerstörung des Tiegelmaterials, welche durch die oxidlösende und beizende Wirkung der Fluoride und Borate sehr beschleunigt wird. Es ist daher schon versucht worden, als Tiegelmaterial korrosionsbeständige, hochnickelhaltige Speziallegierungen auf Nickel-Chrom Basis mit Nickelgehalten von 50 - 90 Gew.% und Chromgehalten von 13 - 23 Gew.% sowie geringen Anteilen von Aluminium, Kobalt, Eisen, Mangan, Titan, Wolfram und Molybdän, oder auch Reinnickel zu verwenden.
  • Diese Werkstoffe werden aber ebenfalls durch Boriersalzschmelzen rasch zerstört. Hochlegierte korrosionsbeständige Stähle, wie die bekannten VA-Stähle, sind ebenfalls als Tiegelwerkstoff unbrauchbar. Sie werden sowohl durch den Angriff des Boriermittels aus auch durch den Angriff der oxidlösenden Borate und Fluoride zerstört. Die in der Technik gelegentlich verwendeten Titantiegel sind gegen Fluoride nicht beständig, andere prinzipiell geeignete Materialien wie Edelmetalle, Tantal oder Graphit sind aus Kostengründen und technischen Gründen nicht verwendbar.
  • Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Tiegel zur Aufnahme von Salzbädern für das Borieren von Stählen zu schaffen, der von den Salzbädern nur wenig angegriffen wird und hohe Standzeiten besitzt.
  • Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, das als Werkstoff Stähle der Zusammensetzung 0,05 - 0,8 Gew.% Kohlenstoff, 0,8 - 2,5 Gew.% Silizium, 0,1 - 2,0 Gew.% Mangan, 6 - 30 Gew.% Chrom, 4 - 39 Gew.% Nickel, 0 - 1,5 Gew.% Aluminium, Rest Eisen, verwendet werden.
    Als Tiegelmaterial für Boriersalzschmelzen haben sich insbesondere Stähle der Zusammensetzung 0,1 - 0,2 Gew.% Kohlenstoff, 1,9 - 2,1 Gew.% Silizium, 0,1 - 2,0 Gew.% Mangan, 18 - 25 Gew.% Chrom, 10 - 20 Gew.% Nickel, Rest Eisen, ausgezeichnet bewährt.
  • In der Praxis besonders bewährt hat sich ein Stahl mit der Zusammensetzung 0,15 Gew.% Kohlenstoff, 2,0 Gew.% Silizium, 1,5 Gew.% Mangan, 20 Gew.% Chrom, 12 Gew.% Nickel, Rest Eisen. Die erfindungsgemäßen Werkstoffe, die aus einer großen Zahl bekannter Stähle ausgewählt wurden, besitzen eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegenüber geschmolzenen fluorid- und borathaltigen Boriersalzen. So beträgt der Gewichtsverlust eines 350 g schweren Bleches aus einem Stahl mit 0,15 Kohlenstoff, 2 % Silizium, 1,5 % Mangan, 20 % Chrom und 12 % Nickel bei 520 Stunden Behandlungszeit in einer Boriersalzschmelze von 900°C nur 7 Gramm bzw. 2 % des Gewichts, während ein gleichartiges Flußstahlblech bei gleicher Berührungsdauer von der Schmelze völlig zerstört wird.
  • Das folgende Beispiel soll die Vorteile des neuen Tiegelwerkstoffs näher erläutern. In einem Tiegel der Größe 18/30 (Durchmesser/Tiefe in cm) aus einem Stahl mit 0,15 % Kohlenstoff, 2 % Silizium, 1,5 Mangan, 20 % Chrom und 12 % Nickel wird ein Boriersalzbad aus 52 Gew.% BaCl2, 18 % NaCl, 20 % NaF und 10 % B4C bei 900°C eingeschmolzen und über einen Zeitraum von 2500 Stunden kontinuierlich betrieben. Nach dieser Zeit wird die Salzschmelze ausgeschöpft, das Tiegelinnere gereinigt und inspiziert. Die Tiegelwand weist eine leichte Aufrauhung durch einen relativ geringen, gleichmäßigen Korrosionsangriff ohne Lochfraßerscheinungen und Zerfurchung des Materials auf.

Claims (3)

1. Tiegel zur Aufnahme von Salzbädern für das Borieren von Stählen, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff Stähle der Zusammensetzung 0,05 - 0,8 Gew.% Kohlenstoff, 0,8 - 2,5 Gew.% Silizium, 0,1 - 2,0 Gew.% Mangan, 6 - 30 Gew.% Chrom, 0 - 1,5 Gew.% Aluminium, 4 - 39 Gew.% Nickel, Rest Eisen, verwendet werden.
2. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Stähle der Zusammensetzung 0,1 - 0,2 Gew.% Kohlenstoff, 1,9 - 2,1 Gew.% Silizium, 0,1 - 2,0 Gew.% Mangan, 18 - 25 Gew.% Chrom, 10 -20 Gew.% Nickel, Rest Eisen, verwendet werden.
3. Tiegel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stähle der Zusammensetzung 0,15 Gew.% Kohlenstoff, 2,0 Gew.% Silizium, 1,5 Gew.% Mangan, 20 Gew.% Chrom, 12 Gew.% Nickel, Rest Eisen, verwendet werden.
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