EP0758410A1 - Process for incorporating material into the surface of a solid body and altering it, in particular the surface of a material - Google Patents

Process for incorporating material into the surface of a solid body and altering it, in particular the surface of a material

Info

Publication number
EP0758410A1
EP0758410A1 EP95919345A EP95919345A EP0758410A1 EP 0758410 A1 EP0758410 A1 EP 0758410A1 EP 95919345 A EP95919345 A EP 95919345A EP 95919345 A EP95919345 A EP 95919345A EP 0758410 A1 EP0758410 A1 EP 0758410A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plasma
plasma pulse
treatment
layer
pulse
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP95919345A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Eduard Igenbergs
Josef SPÖRER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Igenwert GmbH
Original Assignee
Igenwert GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19944436163 external-priority patent/DE4436163A1/en
Priority claimed from DE19944444297 external-priority patent/DE4444297A1/en
Application filed by Igenwert GmbH filed Critical Igenwert GmbH
Publication of EP0758410A1 publication Critical patent/EP0758410A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING 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
    • C23C8/00Solid 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
    • C23C8/06Solid 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 gases
    • C23C8/36Solid 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 gases using ionised gases, e.g. ionitriding
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING 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
    • C23C26/00Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
    • C23C26/02Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00 applying molten material to the substrate

Definitions

  • a briefly acting flow of a high-energy plasma is directed onto the surface layer to be influenced.
  • this plasma pulse must be such that the following processes take place:
  • the surface layer is melted. There is a brief high temperature in this melting or melted layer. When plasma hits this melted surface layer, a total pressure is briefly generated, which generates a shock wave that runs into this material. In the wake of this shock wave, components of the plasma pulse are transported into this boundary layer. At the same time, the gases forming the plasma are diffused into the boundary layer.
  • the duration of the action of the plasma pulse on the surface layer to be treated, as well as the energy supplied in the process, are set up in such a way that, on the one hand, the processes listed can take place, but on the other hand, short-term solidification can also take place.
  • the duration of action of such a pulse is determined by the desired layer density, which determines the duration of action and the total energy supplied, and by the desired final state after the treatment. This depends on the cooling rate, which decreases with increasing duration of action and energy supply.
  • a certain combination of composition and duration of action as well as temperature and density of the plasma pulse on the one hand and composition, configuration and physical-chemical initial state of the material on the other hand is required.
  • a surge discharge of an electrical or electromagnetic energy in the storage device such as, for example, a capacitor bank
  • a high-energy, high-pressure plasma is generated in an electrothermal accelerator.
  • the plasma pulse hits the surface of the material.
  • a layer close to the surface of about 25 ⁇ m thick and more is converted into the molten state, its chemical composition is changed by additions which are carried in the plasma pulse and by energy dissipation the cold base material immediately solidifies again.
  • the influencing of the surface is dependent on the plasma pulse.
  • the temperature is 10 4 K, the short-term pressure 1 to 5 kbar, the density 0.1 kg / m 3 , the speed approx.
  • the heat dissipation into the base material at room temperature takes place at about 10 6 K / s, the power density at the active site is 10 6 to 10 7 W / cm 2 at a plasma pulse duration of approx. 50 ⁇ s.
  • the surface layer modified in this way contains metastable phases, such as the ⁇ phase or austenite (see figures from 1st additional application dated 3.3.94), and has a very fine-crystalline or fine-grained layer structure in the nanometer range.
  • the alloying of carbon together with the rapid solidification results in a significant increase in microhardness in the surface layer.
  • the surface should be influenced as soon as possible after the heating and acceleration process.
  • the composition and structure can be changed in a targeted manner by varying the energy supplied in the accelerator. As shown in Fig. 1 and Fig. 2, it results from a change in the energy supplied.
  • the structure visible in Fig. 2 is created, which is a martensitic structure and only has about 50% of the hardness in Fig. 1.
  • crystalline structures in the nanometer range are formed, within which chromium carbides and iron carbides are formed.
  • TEM transmission electron microscope
  • Fig. 3b a TEM picture of the treated edge layer as chromium-nickel steel. Even finer structures are found between the individual structures shown in this photograph and examined with an X-ray diffractometer. The result is shown in Fig. 4, from which references to chromium carbide and iron carbide can be found.
  • TEM investigations of the non-heat-treated layer show various structures, such as cell structures, stripe-like areas, carbide inclusions and areas without recognizable structures.
  • the heat treatment at 1170 K increased the microhardness to 750 HV 0 r, and homogenized the layer.
  • soft and hard areas are present in the layer, so that hardnesses of 250 to 1700 HV 0 0 ⁇ resulted.
  • the various layer areas were dissolved, but the hardness in the layer only ranged between 250 and 400 HV 0 .O ⁇ . Only when annealed at 1170 K did a homogeneous layer with increased hardness result , of around 750 HV 0 . ⁇ ⁇ •
  • _ 3.5 km / s, in experiments with an electrothermal accelerator system, the rate of expansion of the carbon carried in the plasma flow in the melting phase of the boundary layer is from about 500 ⁇ m / s to 1 m / s.
  • the plasma flow in this process lasts about 50 ⁇ s. It follows from this that additives which are co-accelerated by the plasma jet can be embedded in the entire melt layer, which is up to 30 ⁇ m deep, due to the tracking speed of the shock waves.
  • the surface layer can be influenced in the molten state.
  • the additives that are introduced into the accelerator during or after plasma formation are divided into two areas:
  • the surface layer to be treated is melted with each plasma pulse treatment.
  • the "depth" of this melting process can be varied via the parameters of the plasma pulse. In any case, a melting process occurs in which the material carried in the plasma pulse is partially melted into the surface layer. If there is sufficient material carried in the plasma pulse, material with the same plasma pulse that is not melted into the surface to be treated is additionally supplied. A coating can thus be carried out in which the coating produced is fused to the surface to be treated. In this case, the desired technical properties, such as hardness, corrosion resistance, etc., are also produced in the layer considered as coating, as in the modified layer.
  • a multiple treatment of the same area of the surface can be produced with this method, a combined surface treatment and coating with a desired coating thickness.
  • a thickness of 200 ⁇ m has already been reached experimentally.
  • the material carried in the plasma pulse can consist of the same material as the surface layer to be modified or of other materials.
  • the composition of the material carried in the plasma pulse, as well as the parameters determining the plasma pulse are changed from pulse to pulse, so that particularly structured surface coatings are produced.
  • the surfaces to be influenced can be divided into
  • the plasma generation, exposure to additional material, as well as the alignment and acceleration can take place electrothermally or electromagnetically as well as in any combination of these processes.
  • a race is formed by two rings with the inner radius ⁇ and the outer radius r a , which are arranged at a distance d from one another.
  • a high-pressure ring adjoins the upper race and the electrode ring, which consists of only one part. This can be seen in Fig. 6. If necessary, the arrangement can be separated into two half rings which are put together before the treatment.
  • the linear arrangement as shown in Fig. 8 is intended for the treatment of "stripes".
  • treatment areas can be connected to one another without interruption of the layer by sequential treatment.
  • Annular surface layers that lie in one plane or are also inclined can be treated with a single plasma pulse.
  • Fig. 9 shows an electrothermal arrangement for generating ring-shaped plasma pulses.
  • the annular space between two concentric cylinders made of non-conductive material is closed on one side by one of the two electrodes.
  • On the other side there is an annulus, which is formed by two coaxial cylinders made of electrically conductive material. These represent the second electrode.
  • the plasma with or without additives, is generated in the space between the non-conductive cylinder and then flows out through the annular space between the conductive cylinder and then strikes the surface to be influenced.
  • Fig. 10 shows an arrangement in which the same surface influence is achieved by a coaxial accelerator arrangement.
  • a coaxial cylinder made of an electrically non-conductive material is sometimes also attached.
  • the material that forms the plasma with or without additives when the capacitor battery is discharged is introduced into the space not occupied by this insulator between the two coaxial electrodes. This is accelerated by electromagnetic forces towards the open end of the annular cavity between the two electrodes and applies to them there treating surface.
  • a ring-shaped influencing of a surface layer can also be achieved by partially covering the area which is treated in accordance with laid-open specification DE 42 26 229 A1 "method and device for impulse application to a solid surface, in particular a material surface".
  • the same procedure can also be used if the surface to be treated is conical.
  • An oblique impact of the plasma pulse improves the surface quality, but generally reduces the depth of the affected layer.
  • Both arrangements according to FIGS. 9 and 10 can also be designed to be convergent or divergent in order to adapt to the angle of the surface to be treated.
  • coaxial cavities can be arranged within the inner electrode or within the inner combustion chamber wall, by means of which the valve tappets can be lifted, for example when treating the underside and valve plate of valves in automobile engines.
  • Fe, W, W, P and SiC, Al 2 0 3 , NiCr such as carbides, Bori ⁇ their combinations, their combinations and their combinations, silicides, nitrides; nen; nations; Oxides, silicates; Graphite;
  • Ceramics AI.Mg Ti - metals for nitrides; Formation of cermets;
  • Table 3 Additives that are mixed with the melted surface layer of the material.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

A process is disclosed for incorporating material into the surface of a solid body by means of a short-duration pulse of a mass of high energy and density. Additional treatment can be carried out to further improve the characteristics of the surface layers thus created.

Description

VERFAHREN ZUR BEAUFSCHLAGUNG UND BEEINFLUSSUNG EINER FESTKÖRPEROBERFLÄCHE, INSBESONDERE EINER WERKSTOFFOBERFLÄCHE METHOD FOR IMPACTING AND INFLUENCING A SOLID SURFACE, IN PARTICULAR A MATERIAL SURFACE
1. BESCHREIBUNG DESVERFAHRENS1. DESCRIPTION OF THE PROCEDURE
Eine kurzzeitig wirkende Strömung eines hochenergetischen Plasmas wird auf die zu beeinflussende Oberflächenschicht gerichtet. Dieser Plasmapuls muß hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, Temperatur, Dichte und Geschwindigkeit so geartet sein, daß folgende Vorgänge erfolgen:A briefly acting flow of a high-energy plasma is directed onto the surface layer to be influenced. With regard to chemical composition, temperature, density and speed, this plasma pulse must be such that the following processes take place:
Die Oberflächenschicht wird aufgeschmolzen. In dieser aufschmelzenden bzw. auf¬ geschmolzenen Schicht herrscht kurzzeitig eine hohe Temperatur. Beim Auftreffen von Plasma auf diese aufgeschmolzene Oberflächenschicht entsteht kurzzeitig ein Gesamtdruck, der eine in dieses Material hineinlaufende Schockwelle erzeugt. Im Nachlauf dieser Stoßwelle werden Bestandteile des Plasmapulses in diese Rand¬ schicht transportiert. Zugleich erfolgt eine Diffusion der das Plasma bildenden Gase in die Randschicht.The surface layer is melted. There is a brief high temperature in this melting or melted layer. When plasma hits this melted surface layer, a total pressure is briefly generated, which generates a shock wave that runs into this material. In the wake of this shock wave, components of the plasma pulse are transported into this boundary layer. At the same time, the gases forming the plasma are diffused into the boundary layer.
Die Dauer der Einwirkung des Plasmapulses auf die zu behandelnde Oberflächen¬ schicht, wie auch die dabei zugeführte Energie, sind so eingerichtet, daß zum einen die aufgeführten Vorgänge stattfinden können, daß aber zum anderen auch eine Kurzzeiterstarrung erfolgen kann.The duration of the action of the plasma pulse on the surface layer to be treated, as well as the energy supplied in the process, are set up in such a way that, on the one hand, the processes listed can take place, but on the other hand, short-term solidification can also take place.
Bei geeigneter Ausbildung und Zusammensetzung der zu behandelnden Oberflä¬ chenschicht kann, wenn die aufgeführten Voraussetzungen geeignet ausgewählt werden, eine Rascherstarrung eintreten. Dabei entstehen Nichtgleichgewichtspha- sen und nanokristalline Strukturen.With a suitable design and composition of the surface layer to be treated, rapid solidification can occur if the listed conditions are selected appropriately. This creates non-equilibrium phases and nanocrystalline structures.
Die Wirkdauer eines solchen Pulses ist durch die gewünschte Schichtdichte, die die Wirkdauer und die gesamte zugeführte Energie bestimmt, sowie durch den ge¬ wünschten Endzustand nach der Behandlung bestimmt. Diese hängt von der Ab¬ kühlgeschwindigkeit ab, die mit zunehmender Wirkdauer und Energiezufuhr ab¬ nimmt. So ist für einen Endzustand eine bestimmte Kombination von Zusammenset¬ zung und Wirkdauer sowie Temperatur und Dichte des Plasmapulses einerseits und Zusammensetzung, Konfiguration und physikalisch-chemischer Ausgangszustand des Werkstoffs andererseits erforderlich.The duration of action of such a pulse is determined by the desired layer density, which determines the duration of action and the total energy supplied, and by the desired final state after the treatment. This depends on the cooling rate, which decreases with increasing duration of action and energy supply. For a final state, a certain combination of composition and duration of action as well as temperature and density of the plasma pulse on the one hand and composition, configuration and physical-chemical initial state of the material on the other hand is required.
Eine bestimmte, optimale Konfiguration der genannten Parameter ist stets Teil der hier beschriebenen Erfindung und ergibt sich zwangsläufig aus den hier aufgeführten Regeln.A certain, optimal configuration of the parameters mentioned is always part of the invention described here and inevitably results from the rules listed here.
Durch eine Stoßstromentladung eines elektrischen oder elektromagnetischen Ener- giespeichers wie zum Beispiel einer Kondensatorbank wird in einem elektrother- mischen Beschleuniger ein hochenergetisches, unter hohem Druck stehendes Plas¬ ma erzeugt. Der Plasmapuls trifft auf die Werkstoffoberfläche. Durch die Wechsel¬ wirkung zwischen Plasma und Werkstoff, also durch Energiezufuhr, wird eine ober¬ flächennahe Schicht von ca. 25 μm Dicke und mehr in den schmelzflüssigen Zustand übergeführt, durch mitgeführte Zusätze im Plasmapuls in ihrer chemischen Zusam¬ mensetzung verändert und durch Energieabfuhr in das kalte Grundmaterial sofort wieder erstarrt. Die Beeinflussung der Oberfläche ist dabei abhängig vom Plasma¬ puls. Die Temperatur beträgt dabei 104 K, der kurzzeitige Druck 1 bis 5 kbar, die Dichte 0,1 kg/m3, die Geschwindigkeit ca. 3,5 km/s und die Einwirkdauer 10 bis 100 μs. Die Wärmeabfuhr in das Grundmaterial bei Raumtemperatur erfolgt dabei mit et¬ wa 106 K/s, die Leistungsdichte beträgt an der Wirkstelle bei einer Plasmapulsdauer von ca, 50 μs 106 bis 107 W/cm2.A surge discharge of an electrical or electromagnetic energy In the storage device such as, for example, a capacitor bank, a high-energy, high-pressure plasma is generated in an electrothermal accelerator. The plasma pulse hits the surface of the material. As a result of the interaction between plasma and material, that is to say through the supply of energy, a layer close to the surface of about 25 μm thick and more is converted into the molten state, its chemical composition is changed by additions which are carried in the plasma pulse and by energy dissipation the cold base material immediately solidifies again. The influencing of the surface is dependent on the plasma pulse. The temperature is 10 4 K, the short-term pressure 1 to 5 kbar, the density 0.1 kg / m 3 , the speed approx. 3.5 km / s and the exposure time 10 to 100 μs. The heat dissipation into the base material at room temperature takes place at about 10 6 K / s, the power density at the active site is 10 6 to 10 7 W / cm 2 at a plasma pulse duration of approx. 50 μs.
Aus einer so schnellen Erstarrung ergeben sich Nichtgleichgewichtszustände. Die so modifizierte Randschicht enthält metastabile Phasen, wie die ε-Phase oder Austenit (siehe Abbildungen aus 1. Zusatzanmeldung vom 3.3.94), und besitzt einen sehr feinkristallinen bzw. feinkörnigen Schichtaufbau im Nanometerbereich. Durch das zusammen mit der Rascherstarrung erfolgende Einlegieren von Kohlenstoff wird in der Randschicht eine deutliche Steigerung der Mikrohärte erreicht.Such a rapid solidification results in non-equilibrium states. The surface layer modified in this way contains metastable phases, such as the ε phase or austenite (see figures from 1st additional application dated 3.3.94), and has a very fine-crystalline or fine-grained layer structure in the nanometer range. The alloying of carbon together with the rapid solidification results in a significant increase in microhardness in the surface layer.
2. SPEZIELLE BEAUFSCHLAGUNGSFORMEN2. SPECIAL FORMS OF PRESENTATION
Einbringung von Zusatzstoffen, insbesondere von Kohlenstoff muß so erfolgen, daß dieser Kohlenstoff in einen solchen Zustand auf der zu behandelnden Oberfläche auftrifft, der für diese Behandlung besonders geeignet wird. Hierbei erweist es sich als vorteilhaft, die Verweildauer der Zusatzstoffe im Plasma während dessen Auf¬ bringung möglichst so zu gestalten, daß der zunächst in Pulverform (Graphit) vorlie¬ gende Kohlenstoff in ein molekulares und/oder sogar atomares Gas umgewandelt wird. Die Oberflächenbeeinflussung soll möglichst gleich anschließend an den Auf¬ heiz- und Beschleunigungsvorgang erfolgen. Durch eine Variation der in dem Be¬ schleuniger zugeführten Energie kann die Zusammensetzung und die Struktur ge¬ zielt verändert werden. Sie ergibt sich, wie in Abb. 1 und Abb. 2 gezeigt, durch eine Veränderung der zugeführten Energie. Im Vergleich zu Abb. 1 entsteht die in Abb. 2 sichtbare Struktur, die ein martensitisches Gefüge ist und nur etwa 50 % der Härte bei Abb. 1 aufweist.Additives, in particular carbon, must be introduced in such a way that this carbon hits the surface to be treated in a state which is particularly suitable for this treatment. In this case, it proves to be advantageous to design the residence time of the additives in the plasma as far as possible so that the carbon, which is initially in powder form (graphite), is converted into a molecular and / or even atomic gas. The surface should be influenced as soon as possible after the heating and acceleration process. The composition and structure can be changed in a targeted manner by varying the energy supplied in the accelerator. As shown in Fig. 1 and Fig. 2, it results from a change in the energy supplied. In comparison to Fig. 1, the structure visible in Fig. 2 is created, which is a martensitic structure and only has about 50% of the hardness in Fig. 1.
Damit ergeben sich Variationen der Oberflächenmodifikation wie zum Beispiel die folgenden, schon ausgeführten Varianten: 1. unlegierter Baustahl St37 mit Kohlenstoffzusatz im PlasmapulsThis results in variations in the surface modification, such as the following variants already carried out: 1. unalloyed structural steel St37 with added carbon in the plasma pulse
2. austenitischer Chrom-Nickel Stahl X12CrNi18.8 mit Kohlenstoffzusatz im Plas¬ mapuls2. Austenitic chromium-nickel steel X12CrNi18.8 with added carbon in the plasma pulse
3. austenitischer Chrom-Nickel Stahl X12CrNi18.8 mit Chrom-Kohlenstoffzusatz im Plasmapuls3. Austenitic chrome-nickel steel X12CrNi18.8 with chrome-carbon addition in the plasma pulse
4. Einlegierung von Materialien, die in den bisher verwendeten Standardverfahren nicht einlegiert werden konnten, wie zum Beispiel Zirkonoxid4. Alloying of materials that could not be alloyed in the standard processes used up to now, such as zirconium oxide
5. Einlegierung von Wolframkarbid5. Alloy of tungsten carbide
Bei allen Variationen war die Durchführung der Experimente im Hinblick auf den Versuchsablauf identisch.The experiments were carried out identically for all variations with regard to the experimental procedure.
Bei der erfindungsgemäßen Behandlung der Oberflächenschicht von austenitischem Stahl und insbesondere von Chrom-Nickel-Stahl werden kristalline Strukturen im Nanometerbereich gebildet, innerhalb derer Chromkarbide und Eisenkarbide entste¬ hen. In Abb. 3a ist eine Transmissionselektronenmikroskop (TEM) Aufnahme des unbehandelten Ausgangsmaterials gezeigt, in Abb. 3b eine TEM-Aufnahme der be¬ handelten Randschicht als Chrom-Nickel-Stahl. Zwischen den aus dieser Aufnahme ersichtlichen Einzelstrukturen werden noch feinere Strukturen gefunden und mit ei¬ nem Röntgendiffraktometer untersucht. Das Ergebnis ist in Abb. 4 gezeigt, aus der Hinweise auf Chromkarbide und Eisenkarbide entnommen werden können.In the treatment according to the invention of the surface layer of austenitic steel and in particular of chromium-nickel steel, crystalline structures in the nanometer range are formed, within which chromium carbides and iron carbides are formed. In Fig. 3a a transmission electron microscope (TEM) picture of the untreated starting material is shown, in Fig. 3b a TEM picture of the treated edge layer as chromium-nickel steel. Even finer structures are found between the individual structures shown in this photograph and examined with an X-ray diffractometer. The result is shown in Fig. 4, from which references to chromium carbide and iron carbide can be found.
Bei den Versuchen mit St37 wurde eine Randschicht von ca. 25 μm Dicke erreicht, die Mikrohärte in dieser Schicht auf rund 1200 HV0.oι gesteigert. Diese Schichtpro¬ ben wurden dann bei 570 K , 870 K und 1170 K im Ofen unter Luftatmosphäre je¬ weils 30 Minuten geglüht. Ein Abfallen der Schichtmikrohärte auf ca. 500 bis 1000 HV0 01 konnte ab der Wärmebehandlung bei 870 K beobachtet werden. Nach Glü¬ hen bei 1170 K ist die Randschicht nicht mehr vorhanden, stattdessen tritt eine dicke Zunderschicht um den ganzen Werkstoff herum auf.In the tests with St37, an edge layer of approx. 25 μm thickness was achieved, the microhardness in this layer increased to around 1200 HV 0 .oι. These layer samples were then annealed at 570 K, 870 K and 1170 K in an oven in an air atmosphere for 30 minutes each. A drop in the layer microhardness to approx. 500 to 1000 HV 0 01 could be observed from the heat treatment at 870 K. After annealing at 1170 K, the surface layer is no longer present, instead a thick scale layer appears around the entire material.
TEM Untersuchungen der nicht wärmebehandelten Schicht zeigen verschiedene Strukturen, wie Zellstrukturen, streifenartige Bereiche, Karbideinschlüsse und Ge¬ biete ohne erkennbare Strukturen.TEM investigations of the non-heat-treated layer show various structures, such as cell structures, stripe-like areas, carbide inclusions and areas without recognizable structures.
Bei den Versuchen nach X12CrNi18.8 mit Kohlenstoffzusatz wurden ähnliche Er¬ gebnisse festgestellt. Bei einer durchschnittlichen Schichtdicke von 25 μm wurde die Mikrohärte auf ca. 1600 HV0 0ι gesteigert. Auch hier ergeben sich nach der Wärme¬ behandlung bei 870 K niedrigere Mikrohärten von ca. 850 bis 1500 HV0.oι> und nach Glühen bei 1170 K ein Verschwinden der Schicht und eine Verzunderung des Werkstückes.Similar results were found in the tests according to X12CrNi18.8 with added carbon. With an average layer thickness of 25 μm, the microhardness was increased to approximately 1600 HV 0 0 . Here too, after the heat treatment at 870 K, lower microhardnesses of approx. 850 to 1500 HV 0 .oι > result gradually Annealing at 1170 K, the layer disappears and the workpiece becomes scaled.
Bei den Versuchen mit Plasmapulsen, die neben dem Kohlenstoff noch Chrom im Plasmapuls enthielten, konnte durch die Wärmebehandlung bei 1170 K eine Steige¬ rung der Mikrohärte auf 750 HV0 r_ι , sowie eine Homogenisierung der Schicht er¬ reicht werden. Nach der Modifizierung der Randschicht liegen in der Schicht weiche und harte Bereiche vor, so daß sich Härten von 250 bis 1700 HV0 0ι ergaben. Nach dem Glühen bei 870 K waren die verschiedenen Schichtbereiche zwar aufge¬ löst, aber die Härte in der Schicht bewegte sich nur zwischen 250 und 400 HV0.oι ■ Erst durch das Glühen bei 1170 K ergab sich eine homogene Schicht mit gesteiger¬ ter Härte, von rund 750 HV0.υι •In the experiments with plasma pulses, which in addition to the carbon also contained chromium in the plasma pulse, the heat treatment at 1170 K increased the microhardness to 750 HV 0 r, and homogenized the layer. After the modification of the surface layer, soft and hard areas are present in the layer, so that hardnesses of 250 to 1700 HV 0 0 ι resulted. After annealing at 870 K, the various layer areas were dissolved, but the hardness in the layer only ranged between 250 and 400 HV 0 .Oι. Only when annealed at 1170 K did a homogeneous layer with increased hardness result , of around 750 HV 0 . υ ι •
Bei den Untersuchungen unter dem Elektronenmikroskop wurden häufig Bereiche mit Zellen und Streifen gefunden, aber auch strukturlose Bereiche. Nach der Wär¬ mebehandlung bei 870 K wurden noch keine auffälligen Unterschiede festgestellt. Erst nach der Wärmebehandlung bei 1170 K kann ein Auflösen der Zellwände und ein Zusammenwachsen der Zellen erkannt werden.During the investigations under the electron microscope, areas with cells and strips were often found, but also areas without structure. After the heat treatment at 870 K, no noticeable differences were found. Only after the heat treatment at 1170 K can the cell walls dissolve and the cells grow together.
Das unterschiedliche Verhalten der Schichthärte bei der Wärmebehandlung läßt sich dadurch erklären, daß in den ersten beiden Versuchsreihen in der Randschicht fast kein bzw. nur wenig Chrom enthalten war, wodurch sich eine Wärmebeständigkeit nur bis zu jeweils 870 K ergeben hat. Bei der 3. Versuchsreihe dagegen waren in der Randschicht durch die Zugabe von Chrom in den Plasmapuls Karbidbildner enthal¬ ten, die für die Steigerung der Härte nach dem Glühen bei den hohen Temperaturen verantwortlich waren.The different behavior of the layer hardness during heat treatment can be explained by the fact that in the first two test series almost no or only little chromium was contained in the surface layer, which resulted in heat resistance of up to 870 K each. In the third series of tests, on the other hand, the addition of chromium to the plasma pulse contained carbide formers in the surface layer, which were responsible for increasing the hardness after annealing at the high temperatures.
Bei dem in dieser Arbeit verwendeten Verfahren können zur Erweiterung der be¬ kannten Möglichkeiten zur Randschichtmodifikation zwei Oberflächenbehandlungs¬ formen (Einlegieren und Umschmelzen) in einem Arbeitsschritt durchgeführt werden.In the process used in this work, two surface treatment forms (alloying and remelting) can be carried out in one work step to expand the known possibilities for surface layer modification.
Das gleichzeitig stattfindende Einlegieren der in der Plasmaströmung mitgeführten Zusatzstoffe erfolgt im wesentlichen durch 2 Prozesse:The simultaneous alloying of the additives carried in the plasma flow takes place essentially by two processes:
• Diffusion von Plasmakomponenten• Diffusion of plasma components
• Materialtransport (im Target) der durch den Plasmapuls induzierten Stoßwellen• Material transport (in the target) of the shock waves induced by the plasma pulse
Zur Abschätzung, inwieweit sich das in der Plasmaströmung mitgeführte Zusatzma¬ terial während der Schmelzphase der Randschicht im Werkstoff einlagern kann, werden die über die Stoßfront hinaus geltenden Erhaltungssätze von Rankine-Hu- goniot verwendet.Mit der Stoßwellengeschwindigkeit für Eisen (Up = 6 km/s) und der physikalischen Gesetzmäßigkeit des Impacts läßt sich die Materialgeschwindig¬ keit Up im Target für die experimentell ermittelte Plasmageschwindigkeit von Up(rojektii) = Up|_= 3,5 km/s, bei Versuchen mit einer elektrothermischen Beschleunige¬ ranlage ergibt sich eine Ausbreitungsgeschwindigkeit des in der Plasmaströmung mitgeführten Kohlenstoffs in der Schmelzphase der Randschicht von etwa 500 μm/s bis 1 m/s.To estimate the extent to which the additional material carried in the plasma flow can be stored in the material during the melting phase of the surface layer, the conservation laws by Rankine-Hu goniot. With the shock wave speed for iron (Up = 6 km / s) and the physical law of the impact, the material speed Up in the target for the experimentally determined plasma speed of Up (ro j e kt ii) = Up | _ = 3.5 km / s, in experiments with an electrothermal accelerator system, the rate of expansion of the carbon carried in the plasma flow in the melting phase of the boundary layer is from about 500 μm / s to 1 m / s.
Die Plasmaströmung bei diesem Verfahren dauert etwa 50 μs an. Daraus ergibt sich, daß sich vom Plasmastrahl mitbeschleunigte Zusatzstoffe durch die Nachlaufge¬ schwindigkeit der Stoßwellen in der gesamten, bis zu 30 μm tiefen Schmelzschicht einlagern können.The plasma flow in this process lasts about 50 μs. It follows from this that additives which are co-accelerated by the plasma jet can be embedded in the entire melt layer, which is up to 30 μm deep, due to the tracking speed of the shock waves.
Im Gegensatz zu der sogenannten Schockhärtung kann hier eine Beeinflussung der Randschicht im geschmolzenen Zustand erfolgen.In contrast to the so-called shock hardening, the surface layer can be influenced in the molten state.
3. AUSWAHL DER SUBSTRATMATERIALIEN UND ZUSATZSTOFFE FÜR DAS KURZZEITPLASMAPULSVERFAHREN3. SELECTION OF SUBSTRATE MATERIALS AND ADDITIVES FOR THE SHORT-TERM PLASMA PROCESS
Die wesentlichen Ziele der Erzeugung von neuartigen Oberflächenschichten von zu¬ nächst beliebigen Werkstoffen mittels der Plasmakurzzeitbehandlung sind:The main goals of the generation of new types of surface layers of any materials by means of short-term plasma treatment are:
1. Erhöhung der Korrosions- und Zunderbeständigkeit1. Increase in corrosion and scale resistance
2. Erhöhung der Verschleißfestigkeit2. Increase in wear resistance
3. Erzeugung von Randschichten zur Wärmedämmung3. Generation of boundary layers for thermal insulation
4. Verbesserung der Gleiteigenschaften4. Improve the sliding properties
Die Werkstoffe werden in den folgenden Gruppen zusammengefaßt:The materials are summarized in the following groups:
1. Eisenwerkstoffe1. Iron materials
1.1. Gußeisen1.1. Cast iron
1.2. Stahl1.2. steel
2. Kupferwerkstoffe2. Copper materials
2.1. Leitkupfer2.1. Lead copper
2.2. Kupferlegierungen2.2. Copper alloys
3. Hochtemperaturwerkstoffe3. High temperature materials
3.1. hochschmelzende Metalle3.1. refractory metals
3.2. hochschmelzende Legierungen 4. Leichtmetalle und Leichtmetall-Legierungen3.2. high-melting alloys 4. Light metals and light metal alloys
4.1. Leichtmetalle4.1. Light metals
4.2. Leichtmetall-Legierungen4.2. Alloy alloys
5. Keramik5. Ceramics
6. Gläser6. Glasses
7. Sinterwerkstoffe7. Sintered materials
Die Zusatzstoffe, die während bzw. nach der Plasmabildung in den Beschleuniger eingebracht werden, gliedern sich in zwei Bereiche:The additives that are introduced into the accelerator during or after plasma formation are divided into two areas:
1. Zusatzstoffe, die zum Hauptbestandteil der Oberflächenschicht werden (Zugabe großer Mengen).1. Additives that become the main component of the surface layer (addition of large amounts).
2. Zusatzstoffe, die mit der aufgeschmolzenen Randschicht des Werkstoffs vermengt werden (Zugabe kleiner Mengen).2. Additives that are mixed with the melted surface layer of the material (addition of small amounts).
4. EINSCHMELZAUFTRAG VON ZUSATZMATERIAL4. MELTING ORDER OF ADDITIONAL MATERIAL
Durch eine mehrfache Behandlung der gleichen Oberflächenschicht erreicht man einen Einschmelzauftrag von Zusatzmaterial. Aufgrund der erfindungsgemäßen Vor¬ gehensweise findet bei jeder Plasmapulsbehandlung ein Aufschmelzen der zu be¬ handelnden Oberflächenschicht statt. Die "Tiefe" dieses Aufschmelzvorganges kann über die Parameter des Plasmapulses variiert werden. In jedem Fall tritt ein Ein¬ schmelzvorgang ein, bei dem das im Plasmapuls mitgeführte Material zum Teil in die Oberflächenschicht eingeschmolzen wird. Bei hinreichend viel im Plasmapuls mitge¬ führtem Material wird zusätzlich Material mit dem gleichen Plasmapuls zugeführt, das nicht in die zu behandelnde Oberfläche eingeschmolzen wird. Damit kann eine Beschichtung durchgeführt werden, bei der die erzeugte Beschichtung mit der zu behandelnden Oberfläche verschmolzen ist. Hierbei werden auch bei der als Be¬ schichtung betrachteten Schicht wie bei der modifizierten Schicht die geschwünsch- ten technischen Eigenschaften, wie Härte, Korrosionsfestigkeit usw. erzeugt.By treating the same surface layer several times, additional material is melted down. Because of the procedure according to the invention, the surface layer to be treated is melted with each plasma pulse treatment. The "depth" of this melting process can be varied via the parameters of the plasma pulse. In any case, a melting process occurs in which the material carried in the plasma pulse is partially melted into the surface layer. If there is sufficient material carried in the plasma pulse, material with the same plasma pulse that is not melted into the surface to be treated is additionally supplied. A coating can thus be carried out in which the coating produced is fused to the surface to be treated. In this case, the desired technical properties, such as hardness, corrosion resistance, etc., are also produced in the layer considered as coating, as in the modified layer.
Di -ch eine mehrfache Behandlung des gleichen Bereiches der Oberfläche kann mit diesem Verfahren eine kombinierte Oberflächenbehandlung und Beschichtung mit einer gewünschten Beschichtungsdicke erzeugt werden. Experimentell wurde bereits eine Dicke von 200 μm erreicht. Weiterhin kann das im Plasmapuls mitgeführte Ma¬ terial aus dem gleichen Material, wie die zu modifizierende Oberflächenschicht oder aber aus anderen Materialien bestehen. Zudem können bei einer mehrfachen Be- handlung die Zusammensetzung des im Plasmapuls mitgeführten Materials, wie auch die den Plasmapuls bestimmenden Parameter von Puls zu Puls verändert wer¬ den, so daß besonders strukturierte Oberflächenbeschichtungen erzeugt werden.A multiple treatment of the same area of the surface can be produced with this method, a combined surface treatment and coating with a desired coating thickness. A thickness of 200 μm has already been reached experimentally. Furthermore, the material carried in the plasma pulse can consist of the same material as the surface layer to be modified or of other materials. In addition, with multiple The composition of the material carried in the plasma pulse, as well as the parameters determining the plasma pulse, are changed from pulse to pulse, so that particularly structured surface coatings are produced.
Weiterhin kann man eine Aufhärtung der Randschicht von Nichteisenmetallen wie z.B. im System Cu/B oder Al/B erreichen.It is also possible to harden the surface layer of non-ferrous metals, e.g. achieve Cu / B or Al / B in the system.
Außerdem kann man bei der Verwendung von Stählen mit genügend hohem Koh¬ lenstoffgehalt eine Umwandlungsverhalten unmittelbar unterhalb der nicht mehr auf¬ geschmolzenen Randschicht erzeugen, um auch hier gewünschte Eigenschaftsän¬ derungen im Material einzustellen.In addition, when using steels with a sufficiently high carbon content, a conversion behavior can be generated immediately below the edge layer that is no longer melted, in order to set the desired property changes in the material.
5. AUSGESTALTUNG DER BEEINFLUBTEN OBERFLÄCHENSCHICHT5. DESIGN OF THE INFLUENCED SURFACE LAYER
Die zu beeinflussenden Oberflächen können eingeteilt werden inThe surfaces to be influenced can be divided into
1. Aussenflächen1. Outside surfaces
2. Innenflächen2. Inner surfaces
Diese können symmetrisch sein, wie zum Beispiel Kreis, Würfel, Kugel, Zylinder, auch können streifenförmige Oberflächen wie auch Schneiden, Spitzen behandelt werden. Schließlich sind beliebige Formen denkbar.These can be symmetrical, such as a circle, cube, ball, cylinder, and strip-shaped surfaces as well as cutting, tips can be treated. Finally, any shape is conceivable.
Die Plasmaerzeugung, Beaufschlagung mit Zusatzmaterial, sowie die Ausrichtung und Beschleunigung kann elektrothermisch oder elektromagnetisch sowie in einer beliebigen Kombination dieser Verfahren erfolgen.The plasma generation, exposure to additional material, as well as the alignment and acceleration can take place electrothermally or electromagnetically as well as in any combination of these processes.
Anordnung zur Behandlung zylindrischer Flächen von außenArrangement for the treatment of cylindrical surfaces from the outside
Ein Laufring wird - wie dies in Abb. 5 schematisch gezeigt ist - durch zwei im Ab¬ stand d voneinander getrennt angebrachte Ringe mit dem Innenradius η und dem Außenradius ra gebildet. An den oberen Laufring schließt sich nach außen ein Hochdruckring an und an diesen der Elektrodenring, der nur aus einem Teil besteht. Dies ist der Abb. 6 zu entnehmen. Wenn nötig, kann die Anordnung in zwei Halb¬ ringe getrennt werden, die vor der Behandlung zusammengesetzt werden.As shown schematically in FIG. 5, a race is formed by two rings with the inner radius η and the outer radius r a , which are arranged at a distance d from one another. A high-pressure ring adjoins the upper race and the electrode ring, which consists of only one part. This can be seen in Fig. 6. If necessary, the arrangement can be separated into two half rings which are put together before the treatment.
Dies ist besonders für den Fall nötig, daß die zu behandelnde Fläche nicht in den Behandlungsring eingeführt werden kann, wie dies z.B. bei einer Kurbelwelle der Fall sein könnte. Zylindrische Innenräume werden durch Plasmapulse behandelt, die radial nach au¬ ßen gelenkt werden, wie es in Abb.7 dargestellt ist. Der von dem Plasmapuls durch¬ strömte Querschnitt könnte möglichst konstant gehalten werden, um eine gleichmä¬ ßige Behandlung zu erzielen.This is particularly necessary in the event that the surface to be treated cannot be inserted into the treatment ring, as could be the case, for example, with a crankshaft. Cylindrical interior spaces are treated by plasma pulses which are directed radially outwards, as shown in Fig.7. The cross section through which the plasma pulse flows could be kept as constant as possible in order to achieve a uniform treatment.
Die lineare Anordnung, wie sie in Abb. 8 gezeigt ist, ist zur Behandlung von "Streifen" vorgesehen. Ebenso wie bei der zylinderförmigen wie auch punktuellen (kreisförmigen) Anordnung können Behandlungsbereiche ohne Unterbrechung der Schicht durch sequentielle Behandlung aneinander angeschlossen werden.The linear arrangement as shown in Fig. 8 is intended for the treatment of "stripes". Just as with the cylindrical as well as punctiform (circular) arrangement, treatment areas can be connected to one another without interruption of the layer by sequential treatment.
Die in Abb.8 gezeigte Anordnung kann außerdem sowohl in Richtung der x-Achse wie auch der z-Achse (beides auch gleichzeitig) von der rein linearen Anordnung abweichen, also eine z-dimensionale "Schlangenlinie" bilden.The arrangement shown in Fig.8 can also deviate from the purely linear arrangement both in the direction of the x-axis and the z-axis (both at the same time), ie form a z-dimensional "serpentine line".
Beeinflussung von ringförmigen OberflächenschichtenInfluencing ring-shaped surface layers
Ringförmige Oberflächenschichten, die in einer Ebene liegen oder auch geneigt sind, (z.B. Ventilsitze und/oder Auflageflächen an Ventilen), können mit einem einzigen Plasmapuls behandelt werden .Annular surface layers that lie in one plane or are also inclined (e.g. valve seats and / or contact surfaces on valves) can be treated with a single plasma pulse.
In Abb. 9 ist eine elektrothermische Anordnung zur Erzeugung von ringförmigen Plasmapulsen dargestellt. Der ringförmige Raum zwischen zwei konzentrischen Zy¬ lindern aus nicht leitendem Material wird auf der einen Seite durch eine der beiden Elektroden abgeschlossen. Auf der anderen Seite schließt sich ein Ringraum an, der durch zwei koaxiale Zylinder aus elektrisch leitfähigem Material gebildet wird. Diese stellen die zweite Elektrode dar. Das Plasma, mit oder ohne Zusatzstoffen, wird in dem Raum zwischen dem nicht leitenden Zylinder erzeugt und strömt dann durch den Ringraum zwischen dem leitfähigen Zylinder aus und trifft dann auf die zu be¬ einflussende Oberfläche.Fig. 9 shows an electrothermal arrangement for generating ring-shaped plasma pulses. The annular space between two concentric cylinders made of non-conductive material is closed on one side by one of the two electrodes. On the other side there is an annulus, which is formed by two coaxial cylinders made of electrically conductive material. These represent the second electrode. The plasma, with or without additives, is generated in the space between the non-conductive cylinder and then flows out through the annular space between the conductive cylinder and then strikes the surface to be influenced.
In Abb. 10 ist eine Anordnung gezeigt, in der die gleiche Oberflächenbeeinflussung durch eine koaxiale Beschleuniger-Anordnung erreicht wird. Zwischen zwei koaxia¬ len, leitfähigen Zylindern, die die beiden Elektroden bilden, ist z.T. ein ebenfalls koa¬ xialer Zylinder aus einem elektrisch nicht leitfähigem Material angebracht. In den nicht durch diesen Isolator eingenommenen Raum zwischen den beiden koaxialen Elektroden wird das Material eingebracht, das bei Entladung der Kondensatorbatte¬ rie über diese beiden Elektroden das Plasma mit oder ohne Zusatzstoffe bildet. Die¬ ses wird durch elektromagnetische Kräfte zum offenen Ende des ringförmigen Hohl¬ raumes zwischen den beiden Elektroden hin beschleunigt und trifft dort auf die zu behandelnde Oberfläche.Fig. 10 shows an arrangement in which the same surface influence is achieved by a coaxial accelerator arrangement. Between two coaxial, conductive cylinders, which form the two electrodes, a coaxial cylinder made of an electrically non-conductive material is sometimes also attached. The material that forms the plasma with or without additives when the capacitor battery is discharged is introduced into the space not occupied by this insulator between the two coaxial electrodes. This is accelerated by electromagnetic forces towards the open end of the annular cavity between the two electrodes and applies to them there treating surface.
Eine ringförmige Beeinflussung einer Oberflächenschicht kann auch dadurch erreicht werden, daß der Bereich, der gemäß der Offenlegungsschrift DE 42 26 229 A 1 "Verfahren und Vorrichtung zur Impulsbeaufschlagung einer Festkörperoberfläche, insbesondere einer Werkstoffoberfläche" behandelt wird, zum Teil abgedeckt wird.A ring-shaped influencing of a surface layer can also be achieved by partially covering the area which is treated in accordance with laid-open specification DE 42 26 229 A1 "method and device for impulse application to a solid surface, in particular a material surface".
Das gleiche Verfahren kann auch bei konischer Ausbildung der zu behandelnden Fläche erfolgen. Ein schräges Auftreffen des Plasmapulses verbessert die Oberflä¬ chenqualität, verringert aber im allgemeinen die Tiefe der beeinflußten Schicht.The same procedure can also be used if the surface to be treated is conical. An oblique impact of the plasma pulse improves the surface quality, but generally reduces the depth of the affected layer.
Beide Anordnungen nach Abbildung 9 und 10 können auch konvergent oder diver¬ gent ausgebildet werden, um eine Anpassung an den Winkel der zu behandelnden Oberfläche vorzunehmen. Weiterhin können in beiden Anordnungen koaxiale Hohl¬ räume innerhalb der inneren Elektrode bzw. innerhalb der inneren Brennkammer¬ wand angeordnet werden, durch die z.B. bei einer Behandlung der Unterseite und Ventilteller von Ventilen bei Automotoren die Ventilstössel gehoben werden können. Both arrangements according to FIGS. 9 and 10 can also be designed to be convergent or divergent in order to adapt to the angle of the surface to be treated. Furthermore, in both arrangements, coaxial cavities can be arranged within the inner electrode or within the inner combustion chamber wall, by means of which the valve tappets can be lifted, for example when treating the underside and valve plate of valves in automobile engines.
Prozeßparameter Schockhärtung Plasma-Puls-HärtungProcess parameters shock hardening plasma pulse hardening
Dauer [s] 1 Q-9 . 10-8 10-6 - 10-5Duration [s] 1 Q-9. 10-8 10-6 - 10-5
Intensität [W/cm2] Q9 - 1010 106 - 107 Intensity [W / cm 2 ] Q9 - 10 10 10 6 - 10 7
Temperatur [K] ca. 104 ca. 104Temperature [K] approx. 10 4 approx. 104
Druck [kbar] ca. 1 1 - 5Pressure [kbar] approx. 1 1 - 5
Geschwindigkeit [km/s] 1 - 100 - 20Speed [km / s] 1 - 100 - 20
Richtung senkrecht zur Oberfläche senkrecht zur Oberfläche mit ~ ± 45°Direction perpendicular to the surface perpendicular to the surface with ~ ± 45 °
Tabelle 1 : Vergleich der Prozeßparameter bei Schockhärtung und PlasmapulshärtungTable 1: Comparison of the process parameters for shock hardening and plasma pulse hardening
Korrosions¬ Verschlei߬ Wärme¬ Verbesserung der beständigkeit festigkeit dämmung Gleiteigen¬ schaftenCorrosion, wear, heat, improvement in resistance, strength, insulation, sliding properties
AI, Ti, Cu, Zn, Sn, Cr, Mo und deren Keramische Mo, Cu, Co, Ag,Al, Ti, Cu, Zn, Sn, Cr, Mo and their ceramic Mo, Cu, Co, Ag,
Pb, Cr, Ta, Ni, Mo, Kombinationen; Schutzschichten Au, In, Sn, Pb undPb, Cr, Ta, Ni, Mo, combinations; Protective layers Au, In, Sn, Pb and
Fe, W, W, P und SiC, Al203, NiCr wie Karbide, Bori¬ deren Kombinatio¬ deren Kombinatio¬ und deren Kombi¬ de, Silicide, Nitride, nen; nen; nationen; Oxide, Silikate; Graphit;Fe, W, W, P and SiC, Al 2 0 3 , NiCr such as carbides, Bori¬ their combinations, their combinations and their combinations, silicides, nitrides; nen; nations; Oxides, silicates; Graphite;
TiB2, ZrB2, FeB, Ti, Zr, Hf, V, Nb, NiC, BN,HEX.- PbO,TiB 2 , ZrB 2 , FeB, Ti, Zr, Hf, V, Nb, NiC, BN, HEX . - PbO,
Fe2B, CrC, Cr3C2, Ta, Cr, Mo, W- CaF2, Fe2B, MoS2,Fe 2 B, CrC, Cr 3 C 2 , Ta, Cr, Mo, W- CaF 2 , Fe 2 B, MoS 2 ,
Cr7C3, NbC, TaC, Boride, Karbide, MoSe2, WS2,Cr 7 C 3 , NbC, TaC, borides, carbides, MoSe 2 , WS 2 ,
WC, Al203, Ti02, Nitride, Oxide, WSe2 und derenWC, Al 2 0 3 , Ti0 2 , nitrides, oxides, WSe 2 and their
Zr02, MgO, CaO, Silicide und deren KombinationenZr0 2 , MgO, CaO, silicides and their combinations
Si02, Cr203 und Kombinationen deren Kombinatio¬ nen;Si0 2 , Cr 2 0 3 and combinations of their combinations;
Au, Pt, Rh;Au, Pt, Rh;
SiN, TiN, CrN;SiN, TiN, CrN;
ZrC, Hf02, Y203,ZrC, Hf0 2 , Y 2 0 3 ,
La203, La2Hf207,La 2 0 3 , La 2 Hf 2 0 7 ,
CaZr03, Be02 und deren Kombinatio¬ nen (geringe 02-CaZr0 3 , Be0 2 and their combinations (low 0 2 -
Durchlässigkeit bei hohenPermeability at high
Temperaturen);Temperatures);
Tabelle 2: Zusatzstoffe als Hauptoestandteil der Oberflächenschicht unabhängig vom Werkstoff Werkstoff Korrosions¬ Verschlei߬ Wärme¬ Verbesserung beständigkeit festigkeit dämmung derTable 2: Additives as the main component of the surface layer regardless of the material Material Corrosion Wear Wear Improvement Resistance Strength Insulation
Gleiteigen¬ schaftenSliding properties
Gußeisen Cu, Ni, Sn, Cr, C, Ni, Cr, W, Al203, Ti02, AI, Si und Mo, Si und Si- Cr203, Zr02, deren Kombi¬ Verbindungen, MgO, CaO, nationen; Mg und Mg- Si02 und deren Verbindungen; KombinationenCast iron Cu, Ni, Sn, Cr, C, Ni, Cr, W, Al 2 0 3 , Ti0 2 , Al, Si and Mo, Si and Si-Cr 2 0 3 , Zr0 2 , their combination compounds, MgO, CaO, nations; Mg and Mg-Si0 2 and their compounds; Combinations
Stahl C, Si, Ni, Cr, C, Mn, Ni, Cr, Al203, Ti02, Zn, AI (Nitrier¬ Si, B, NH3, Mo, Cr203, Zr02, eignung), Cu, W, V, Nb, Ti MgO, CaO, Mo, S und durch Blidung Si0 und deren deren Kombi¬ von Sonder¬ Kombinationen nationen; karbidenSteel C, Si, Ni, Cr, C, Mn, Ni, Cr, Al 2 0 3 , Ti0 2 , Zn, AI (nitriding Si, B, NH 3 , Mo, Cr 2 0 3 , Zr0 2 , suitability) , Cu, W, V, Nb, Ti MgO, CaO, Mo, S and by blinding Si0 and their combination of special combinations of nations; carbides
Leitkupfer Be, Zn, B; Ag, Cd, Cr, Be; Einlagerung von Metall¬ oxiden wie AI203,Ti02 (Dispersions¬ härtung)Conductive copper Be, Zn, B; Ag, Cd, Cr, Be; Incorporation of metal oxides such as Al 2 0 3 , Ti0 2 (dispersion hardening)
Kupfer¬ AI, Be, Sn, Ni Ag, Cd, Cr, Zr, Pb, Sn legierungen und deren Be, Mn, As, Si, Kombinationen AI, Zn, Sn, Ni und deren Kombinationen; hoch¬ Zr02, Al203; Ti, Fe, Ni und Zr02, AI203; schmelzende deren Kombi¬ Metalle nationen; bei W uns Mo: K, Si und AI-Verbin¬ dungen; hoch¬ Cr; C, Zr, Hf, Ti, Re MgO, Zr02, schmelzende und deren Y203 und Legierungen Kombinationen; deren Kombi¬ nationen;Copper Al, Be, Sn, Ni Ag, Cd, Cr, Zr, Pb, Sn alloys and their Be, Mn, As, Si, combinations Al, Zn, Sn, Ni and their combinations; hoch¬ Zr0 2 , Al 2 0 3 ; Ti, Fe, Ni and Zr02, Al203; melting their Kombi¬ metals nations; for W and Mo: K, Si and Al compounds; hoch¬ Cr; C, Zr, Hf, Ti, Re MgO, Zr0 2 , melting and their Y 2 0 3 and alloy combinations; their combinations;
Leichtmetalle N, Cu, Al203, Al203, MgO; Al203; AIN, B; Leichtmetall- Mg, Mn, Ti, Be, Cu, Si, Mn, Mg, Legierungen B und deren Ni und deren Kombinationen Kombinationen;Light metals N, Cu, Al 2 0 3 , Al 2 0 3 , MgO; Al 2 0 3 ; AIN, B; Light metal Mg, Mn, Ti, Be, Cu, Si, Mn, Mg, alloys B and their Ni and combinations thereof;
Keramik AI.Mg, Ti - Metalle zur Nitride; Bildung von Cermets;Ceramics AI.Mg, Ti - metals for nitrides; Formation of cermets;
Gläser Karbide, Oxide, Karbide, Oxide, Boride, Silicide, Boride, Silicide, Nitride, Silicate; Nitride, Silicate;Glasses of carbides, oxides, carbides, oxides, borides, silicides, borides, silicides, nitrides, silicates; Nitrides, silicates;
Tabelle 3: Zusatzstoffe, die mit der aufgeschmolzenen Randschicht des Werkstoffs vermengt werden. Table 3: Additives that are mixed with the melted surface layer of the material.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e» Patent claims »
1. Verfahren zur Beaufschlagung und Beeinflussung einer Festkörperoberfläche, insbesondere einer Werkstoffober- flache, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Beaufschlagung mit einem kurzzeitigen Impuls ei¬ ner Masse hoher Energie und Dichte erfolgt, bei dem die in einem Energiespeicher gespeicherte Energie in einen Energiewandler geleitet und dort auf einen in Richtung der Festkörperoberfläche zu beschleunigenden Energieträ¬ ger in Gas-, Flüssigkeits- oder Feststofform oder eines Gemisches dieser Stoffe derart übertragen wird, daß der auf die Festkorperoberflache auftreffende Impuls mit der Randschicht des Festkörpers in Wechselwirkung tritt und in einer dünnen Randschicht Veränderungen im Gefüge und / oder in der Struktur und / oder in der Zusammen¬ setzung bewirkt, und daß nach dieser Beeinflussung der Werkstoffoberfläche eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, während derer der behandelte Werkstoff über eine vorgebbare Zeitspanne einer erhöhten Temperatur ausge¬ setzt wird.1. A method for applying and influencing a solid surface, in particular a material surface, characterized in that the application is carried out with a brief impulse of a mass of high energy and density, in which the energy stored in an energy store is conducted into an energy converter and there is transferred to an energy carrier to be accelerated in the direction of the solid surface in gas, liquid or solid form or a mixture of these substances in such a way that the impulse impinging on the surface of the solid body interacts with the surface layer of the solid body and changes in a thin surface layer Structure and / or in the structure and / or in the composition causes, and that after this influencing of the material surface, a heat treatment is carried out during which the treated material over a predefinable period of an elevated temper is set out.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der behandelte Werkstoff während einer Zeitspanne von eins bis fünf Stunden, insbesondere während einer Zeitspanne von zwei bis drei Stunden einer Temperatur im Bereich von 400°K und 1500°K bzw. zwischen 400°K und 1500°K, insbesondere einer Temperatur im Bereich von etwa 570°K und 1270°K bzw. zwischen 570°K und 1270°K ausgesetzt wird, wobei vor dieser Temperaturbehandlung die plasmadynamischen Parameter des Plasmapulses und auch die Zusammensetzung und Menge der im jeweiligen Plasmapuls enthaltenen sowie von diesem mitgeführten Stoffe vorgebbar sind. 2. The method according to claim 1, characterized in that the treated material during a period of one to five hours, in particular during a period of two to three hours, a temperature in the range of 400 ° K and 1500 ° K or between 400 ° K and 1500 ° K, in particular a temperature in the range of about 570 ° K and 1270 ° K or between 570 ° K and 1270 ° K, the plasma dynamic parameters of the plasma pulse and also the composition and amount of each in the respective temperature treatment Plasma pulse contained and carried by this substances can be specified.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als zu beeinflussende Werkstoffe austenitische Stäh¬ le, zum Beispiel X12CrNi 18 8, verwendet werden und wo¬ bei zur Steigerung der Härte der behandelten Schicht bei hinreichend großer Beigabe von Chrom Karbidbildner in der Oberfläche erzeugt werden, die eine hohe Härte bis zu einer Temperatur von 1170°K gewährleisten.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that austenitic steels, for example X12CrNi 18 8, are used as the materials to be influenced, and where to increase the hardness of the treated layer with a sufficiently large addition of chromium carbide in the Surface are created that ensure a high hardness up to a temperature of 1170 ° K.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die jeweils gewünschten Eigenschaften wie Härte, Korrosionsbeständigkeit, Wärmedämmung und / oder Gleit¬ eigenschaften durch Vorgabe und Kombinationen von Plas¬ mapulsparametern, Zusammensetzung des Plasmapulses so¬ wie der Zusatzmaterialien und Werkstoffe erreicht wer¬ den (siehe Tabelle 2) .4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the desired properties such as hardness, corrosion resistance, thermal insulation and / or sliding properties by specifying and combinations of Plas¬ mapulparameters, composition of the plasma pulse as well as the additional materials and materials who achieved ¬ den (see table 2).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Materialien wie beispielsweise Zirkonoxid oder Wolf¬ ramkarbid in Stahl einlegiert werden oder Nichteisen- Werkstoffe wie beispielsweise Kupferoberflächenschich¬ ten mit einer Härte von circa 800 HV001 durch Zufügung von Bor zum Plasmapuls erzeugt werden.5. The method according to claim 4, characterized in that materials such as zirconium oxide or Wolf¬ ram carbide are alloyed in steel or non-ferrous materials such as copper surface layers with a hardness of approximately 800 HV 001 are generated by adding boron to the plasma pulse.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß aufgrund der extremen Prozeßbedingungen (siehe Ta¬ belle 1) an der WerkstoffOberfläche Nichtgleichgewichts- zustände geschaffen werden, die ein Einlegieren nicht legierbarer Bestandteile ermöglichen.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that, due to the extreme process conditions (see Table 1), non-equilibrium conditions are created on the surface of the material, which enable non-alloyable components to be alloyed in.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß durch Kombination der Plasmapulsparameter sowie der Zusammensetzung des Plasmapulses sowie durch die Wahl der Zusatzmaterialien ein Einschmelzauftrag gebildet wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a melting order is formed by combining the plasma pulse parameters and the composition of the plasma pulse and by the choice of additional materials becomes.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß durch eine Mehrfachbehandlung des gleichen Bereichs eine Oberflächenbehandlung und Beschichtung erzeugt wird, wobei bei jeder Behandlung eine Einschmelzung und Einlegierung erfolgt und die Parameter sowie die Zusam¬ mensetzung des Plasmapulses wie auch der Zusatzstoffe von Plasmapuls zu Plasmapuls abänderbar sind, um eine Strukturierung der Schicht zu erreichen, wobei das Mate¬ rial des Plasmapulses wie auch der Zusatzstoffe dabei auch durch Erosion und / oder Ablation der Bauteile des Erzeugers des Plasmapulses bestehen kann.8. The method according to claim 6, characterized in that a surface treatment and coating is produced by a multiple treatment of the same area, with each treatment a melting and alloying and the parameters and the composition of the plasma pulse as well as the additives of plasma pulse Plasma pulse can be modified in order to achieve a structuring of the layer, wherein the material of the plasma pulse as well as the additives can also consist of erosion and / or ablation of the components of the generator of the plasma pulse.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die zur Durchführung des Verfahrens verwendeten Plasmabeschleuniger in Abhängigkeit von der Geometrie der vorgegebenen Werkstoffoberfläche gestaltet und / oder ausgerüstet sind, um eine effektive Behandlung der jeweiligen Oberfläche zu gewährleisten, wobei zylindrische Flächen von außen mit Vorrichtungen gemäß den Abbildungen 5 und 6, zylindrische Flächen von innen mit einer Anordnung gemäß Abbildung 10 behandelt werden, wobei der elektrothermisch oder plasmadynamisch erzeugte Plasmapuls radial nach außen umgelenkt und der neue plasmadurchströmte Querschnitt möglichst konstant gehalten wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the plasma accelerators used to carry out the method are designed and / or equipped depending on the geometry of the predetermined material surface in order to ensure an effective treatment of the respective surface, with cylindrical surfaces from the outside with devices according to Figures 5 and 6, cylindrical surfaces are treated from the inside with an arrangement according to Figure 10, the plasma pulse generated electrothermally or plasma dynamically being deflected radially outwards and the new cross-section through which the plasma flows is kept as constant as possible.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß lineare Anordnungen mit einer Vorrichtung nach Abbildung 8, kreisförmige Geometrien mit Anordnungen nach den Abbildungen 9 und 10 behandelt werden und auch eine Behandlung mit Kombinationen der beschriebenen Anordnungen ermöglicht wird. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that linear arrangements are treated with a device according to Figure 8, circular geometries with arrangements according to Figures 9 and 10 and also a treatment with combinations of the described arrangements is made possible.
EP95919345A 1994-04-26 1995-04-26 Process for incorporating material into the surface of a solid body and altering it, in particular the surface of a material Withdrawn EP0758410A1 (en)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4414531 1994-04-26
DE4414531 1994-04-26
DE4436163 1994-10-10
DE19944436163 DE4436163A1 (en) 1994-10-10 1994-10-10 Method of hardening the surface of a material
DE19944444297 DE4444297A1 (en) 1994-12-13 1994-12-13 Method of hardening the surface of a material
DE4444297 1994-12-13
PCT/EP1995/001594 WO1995029274A1 (en) 1994-04-26 1995-04-26 Process for incorporating material into the surface of a solid body and altering it, in particular the surface of a material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP0758410A1 true EP0758410A1 (en) 1997-02-19

Family

ID=27206313

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP95919345A Withdrawn EP0758410A1 (en) 1994-04-26 1995-04-26 Process for incorporating material into the surface of a solid body and altering it, in particular the surface of a material

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP0758410A1 (en)
JP (1) JPH09512306A (en)
WO (1) WO1995029274A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19840950A1 (en) * 1998-09-08 2000-03-09 Jagenberg Papiertech Gmbh Knife for cutting running material webs
JP5925039B2 (en) * 2011-05-02 2016-05-25 三菱レイヨン株式会社 Staining agent for electron microscope observation and staining method using the staining agent

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2435446A1 (en) * 1974-07-23 1976-06-16 Hollingsworth Gmbh High speed hardening of teeth on saw blade strip - by feeding strip through plasma jet
JPS61194166A (en) * 1985-02-20 1986-08-28 Honda Motor Co Ltd Treatment for remelting and hardening
JPS6213521A (en) * 1985-07-09 1987-01-22 Honda Motor Co Ltd Wear resistant member and its production
EP0246828B1 (en) * 1986-05-18 1991-09-25 Daido Tokushuko Kabushiki Kaisha Wear-resistant titanium or titanium alloy members
JPH0684548B2 (en) * 1986-09-19 1994-10-26 吉田工業株式会社 Coated metal body with highly corrosion-resistant amorphous surface layer and its preparation method
US4864094A (en) * 1988-01-13 1989-09-05 Metallurgical Industries, Inc. Process of fabricating a cutting edge on a tool and a cutting tool made thereby
US4878953A (en) * 1988-01-13 1989-11-07 Metallurgical Industries, Inc. Method of refurbishing cast gas turbine engine components and refurbished component
CH675260A5 (en) * 1988-07-19 1990-09-14 Sulzer Ag
GB8922629D0 (en) * 1989-10-07 1989-11-22 Univ Birmingham Method of modifying the surface of a substrate
ATE105594T1 (en) * 1990-01-22 1994-05-15 Sulzer Innotec Ag COATED METALLIC SUBSTRATE.
DE4238993C1 (en) * 1992-01-20 1993-07-01 Leybold Durferrit Gmbh, 5000 Koeln, De
JP3072537B2 (en) * 1992-03-31 2000-07-31 大同特殊鋼株式会社 Plasma carburizing method for steel surface
RU94014248A (en) * 1992-05-19 1997-05-27 Игенверт ГмбХ (DE) Method of application of mass pulse to surface and device for its embodiment

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO9529274A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
JPH09512306A (en) 1997-12-09
WO1995029274A1 (en) 1995-11-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3513014C2 (en) Process for treating the surface of workpieces
DE2829369C3 (en) Process for forming hard, wear-resistant coatings containing metallic carbides
DE2410455C3 (en) Process for improving the adhesion of a refractory coating to a shaped ferrous metal article
DE3937526C2 (en) Wear-resistant titanium alloy, process for its production and its use
DE2208070C2 (en) Composite body and process for its manufacture
DE19701170A1 (en) Method of coating a substrate by electric discharge
EP3008317A1 (en) Method for producing an oxidation protection layer for a piston for use in internal combustion engines and piston having an oxidation protection layer
DE19756580A1 (en) Highly wear resistant coated engine tappet
CH657872A5 (en) COMPOSITE PRODUCT MADE OF AT LEAST TWO SUPER ALLOYS.
GB2164060A (en) Method of applying a protective layer to oxide dispersion hardened super alloys
DE102006031043A1 (en) With bearing material coated sliding element and method for its preparation
WO1993023587A1 (en) Process and device for applying pulses on the surface of a solid body
DE19516032C2 (en) Process for the surface finishing of an ink transfer roller by ion implantation
EP0758410A1 (en) Process for incorporating material into the surface of a solid body and altering it, in particular the surface of a material
DE2418607A1 (en) COMPONENTS RESISTANT TO HIGH TEMPERATURE CORROSION, IN PARTICULAR FOR GAS TURBINES
EP0221239A1 (en) Method for applying a rotating band to a projectile wall with a reduced thickness, and projectile manufactured according to this method
DE3715327C2 (en)
DE3602104A1 (en) Slide or friction element with functional part of ceramic material and process for its production
DE621200C (en) Process for the treatment of metals and metal alloys
DE3212214C2 (en) Piston ring and process for its manufacture
DE10056842B4 (en) Process for the surface treatment of compression coil springs
DE3216025C2 (en) Process for applying ceramic coatings of increased thickness
Fredriksson et al. Influence of dielectric temperature in electrical discharge machining of hot work tool steel
WO2002081764A1 (en) Complex boride-cermet body, method for production and use of said body
EP1522610B1 (en) Method for the production of a wear-resistant layer

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 19961016

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT CH DE FR GB IT LI NL SE

17Q First examination report despatched

Effective date: 19970224

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 19970909

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): AT CH DE FR GB IT LI NL SE