EP1180551A2 - Bulk compound for protection against hardening for the selective carburizing of metallic workpieces - Google Patents

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EP1180551A2 EP01117998A EP01117998A EP1180551A2 EP 1180551 A2 EP1180551 A2 EP 1180551A2 EP 01117998 A EP01117998 A EP 01117998A EP 01117998 A EP01117998 A EP 01117998A EP 1180551 A2 EP1180551 A2 EP 1180551A2
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Abstract

Hardening protective mass based on materials forming boron glass contains magnesium-silicon compounds as additive. Preferred Features: The materials forming boron glass and the magnesium-silicon compounds are present in the ratio of 2-100: 1, preferably 10: 1. The magnesium-silicon compounds are magnesium silicates such as magnesium orthosilicate, magnesium metasilicate, magnesium trisilicate or talc. The materials forming boron glass are selected from boric acid, boron oxide, alkali borate and alkaline earth borate.

Description

Die Erfindung betrifft Härteschutzmassen für das partielle Aufkohlen von metallischen Bauteilen.The invention relates to protective hardnesses for the partial Carburizing metallic components.

In der Wärmebehandlung zur Oberflächenhärtung von Metallen ist es oftmals erforderlich, Bauteile partiell vor dem Behandlungsprozeß wie Aufkohlen, Nitrocarburieren oder Nitrieren zu schützen, um später an ausgewählten Oberflächenbereichen noch bestimmte mechanische Bearbeitungsschritte durchführen zu können oder um dort ursprüngliche Werkstoffeigenschaften wie etwa die Duktilität zu erhalten. Neben dem galvanischen Beschichten mit Kupfer oder Nickel gibt es bereits seit langem ein breites Angebot an lackähnlichen Schutzmassen, die vor der Härtebehandlung auf die ausgewählten Oberflächenbereiche aufgetragen werden. Beim partiellen Aufkohlen haben sich für den Schutz gegen das Eindiffundieren von Kohlenstoff Schutzmassen auf Wasserglasbasis oder auf Basis von Borglas bildenden Substanzen durchgesetzt. Während die Massen auf Basis von Wasserglas nach dem Härtevorgang nur mechanisch durch Abstrahlen der Bauteile mit Sand oder Glasperlen etc. gereinigt werden können, weisen Schutzmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen den großen Vorteil der Wasserabwaschbarkeit auf. Allerdings besteht bei den bekannten Härteschutzmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen die Gefahr des Ablaufens im Ofen während des Härtevorgangs, insbesondere nach nicht vollständiger Trocknung oder durch Binden von Luftfeuchtigkeit durch die Masse, da die Viskosität der Borkomponenten bei hoher Temperatur durch Wasser stark erniedrigt wird. Außerdem kann bei Kohlungstemperaturen von 900-980 °C die Borverbindung bis zum Einstellen des Dampfdruckgleichgewichtes verdampfen. Dies hat zum einen eine Abnahme der Schutzwirkung durch die dünner werdende Schutzschicht zur Folge, andererseits kann auch eine Ofenausmauerung aus SiO2-haltigen Steinen angegriffen werden. Insbesondere können solche Massen aufgrund des relativ hohen Dampfdruckes nur bedingt in der Unterdruckkohlung eingesetzt werden, da mit einer Schädigung der Unterdruckkohlungsanlage durch verdampfende Borverbindungen gerechnet werden muß.In heat treatment for surface hardening of metals, it is often necessary to partially protect components from the treatment process such as carburizing, nitrocarburizing or nitriding, in order to be able to carry out certain mechanical processing steps later on selected surface areas or to maintain original material properties such as ductility. In addition to electroplating with copper or nickel, there has long been a wide range of lacquer-like protective materials that are applied to the selected surface areas before the hardening treatment. In the case of partial carburization, protective compositions based on water glass or on substances based on boron glass have become established for protection against the diffusion of carbon. While the masses based on water glass can only be cleaned mechanically by blasting the components with sand or glass beads etc. after the hardening process, protective masses based on substances that form boron glass have the great advantage of being washable. However, with the known hardness protection compositions based on substances that form boron glass, there is a risk of running out in the oven during the hardening process, in particular after incomplete drying or due to binding of air humidity by the composition, since the viscosity of the boron components is greatly reduced by water at high temperature. In addition, at carbon temperatures of 900-980 ° C, the boron compound can evaporate until the vapor pressure equilibrium is reached. On the one hand, this results in a decrease in the protective effect due to the thinning protective layer, on the other hand, an oven lining made of stones containing SiO 2 can also be attacked. In particular, because of the relatively high vapor pressure, such masses can only be used to a limited extent in the vacuum coal, since damage to the vacuum coal plant by evaporating boron compounds must be expected.

Die bisher alternativ in Vakuumkohlungsanlagen eingesetzten Schutzmassen auf Wasserglasbasis neigen zum Verspröden und Abplatzen bei der Hochdruckgasabschreckung. Dabei werden die Anlagen verunreinigt. So können die Wärmetauscher mit Partikeln belegt oder Lager der Gebläse beschädigt werden, was zu Anlagenstillstand führen kann.The previously used alternatively in vacuum coal plants Protective compositions based on water glass tend to become brittle and Chipping with high pressure gas quenching. In doing so the systems are contaminated. So the heat exchangers can Particles are occupied or the bearings of the blowers are damaged, which can lead to plant downtime.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabenstellung zugrunde, Härteschutzmassen für das partielle Aufkohlen von metallischen Bauteilen aufzufinden und zu entwickeln, die die Nachteile der bekannten Produkte nicht aufweisen.The task of the present invention was therefore based on hardness protection compounds for partial carburizing to find and develop metallic components, which do not have the disadvantages of the known products.

Überraschend wurde nun gefunden, daß durch Zusatz von Magnesium-Silicium-Verbindungen zu ansonsten in bekannter Weise zusammengesetzten Härteschutzmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen sowohl die Gefahr des Ablaufens als auch der Dampfdruck drastisch reduziert werden kann.Surprisingly, it has now been found that by adding magnesium-silicon compounds otherwise known in Composite hardness protection compounds based on Substances forming boron glass both run the risk of draining as well as the steam pressure can be drastically reduced can.

Gegenstand der Erfindung sind daher Härteschutzmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen für das partielle Aufkohlen von metallischen Bauteilen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie als Zusatz Magnesium-Silicium-Verbindungen enthalten.The invention therefore relates to hardness protection compositions Base of boron glass forming substances for the partial Carburizing metallic components, which are characterized are that they add magnesium-silicon compounds contain.

Durch den erfindungsgemäßen Zusatz von Magnesium-Silicium-Verbindungen wird eine erhöhte Sicherheit bei der Gasaufkohlung gegen fehlisolierte Stellen durch ablaufende Schutzmasse erzielt. By adding magnesium-silicon compounds according to the invention becomes an increased security in gas carburizing against incorrectly insulated areas by draining Protective mass achieved.

Weiterhin wird eine erhöhte Standzeit der Ofenausmauerung erreicht und der Einsatz von Schutzmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen in der Vakuumkohlung ermöglicht.Furthermore, there is an increased service life of the brick lining achieved and the use of protective materials based on Boron glass-forming substances in vacuum carbonization.

Als erfindungsgemäßer Zusatz zu den Härteschutzmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen eignen sich grundsätzlich alle anorganischen Magnesium-Silicium-Verbindungen. Typische für diesen Einsatz geeignete Verbindungen sind Magnesiumsilikate, wie zum Beispiel Magnesiumorthosilikat (Mg2SiO4), Magnesiummetasilikat (MgSiO3), Magnesiumtrisilikat (Mg2Si3O8) und Talkum. Besonders bevorzugt ist Magnesiumtrisilikat.In principle, all inorganic magnesium-silicon compounds are suitable as an addition to the hardness protection compositions based on boron glass-forming substances. Typical compounds suitable for this use are magnesium silicates, such as, for example, magnesium orthosilicate (Mg 2 SiO 4 ), magnesium metasilicate (MgSiO 3 ), magnesium trisilicate (Mg 2 Si 3 O 8 ) and talc. Magnesium trisilicate is particularly preferred.

Die erfindungsgemäßen Härteschutzmassen enthalten Borglas bildende Substanzen und Magnesium-Silicium-Verbindungen typischerweise im Massenverhältnis 2:1 bis 100:1. Bevorzugt ist ein Massenverhältnis von Borglas bildenden Substanzen zu Magnesium-Silicium-Verbindungen von 5:1 bis 15:1 und insbesondere von ungefähr 10:1.The hardness protection compositions according to the invention contain boron glass forming substances and magnesium-silicon compounds typically in a mass ratio of 2: 1 to 100: 1. Prefers is a mass ratio of substances that form boron glass to magnesium-silicon compounds from 5: 1 to 15: 1 and especially about 10: 1.

Als Borglas bildende Substanzen enthalten die erfindungsgemäßen Härteschutzmassen Borsäure, Boroxid, Alkali- und/oder Erdalkaliborate.The substances according to the invention contain as boron glass forming substances Hardness protection compounds boric acid, boron oxide, alkali and / or Alkaline earth metal borates.

Die erfindungsgemäßen Härteschutzmassen können, bezogen auf die Gesamtmenge, 35-70 Gew.% eines organischen Bindemittelsystems enthalten und in flüssiger, halbflüssiger oder pastöser Konsistenz formuliert sind. Geeignete Bindemittelsysteme sind an sich bekannt und dem Fachmann geläufig und entsprechen jenen, wie sie bei bislang in der Praxis eingesetzten Härteschutzmassen verwendet werden.The hardness protection compositions according to the invention can, based on the total amount, 35-70% by weight of an organic binder system contained and in liquid, semi-liquid or pasty Consistency is formulated. Suitable binder systems are known per se and familiar to the expert and correspond to those used in practice so far Hardness protection compounds can be used.

Typische erfindungsgemäßen Härteschutzmassen enthalten beispielsweise 40-55 Gew.% Boroxid, 3-6 Gew.% Magnesiumtrisilikat und 39-57 Gew.% eines organischen Bindemittelsystems, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge. Typical hardness protection compositions according to the invention contain, for example 40-55% by weight boron oxide, 3-6% by weight magnesium trisilicate and 39-57% by weight of an organic binder system, each based on the total amount.

Die erfindungsgemäßen Härteschutzmassen können sehr vorteilhaft in Verfahren zum partiellen Aufkohlen von metallischen Bauteilen verwendet werden und eignen sich insbesondere vorzüglich für die Vakuumaufkohlung. Ihr Einsatz erfolgt völlig entsprechend den bekannten Härteschutzmassen. Im Gegensatz zu jenen erfolgt jedoch kein Ablaufen von den Bauteilen, so daß eine einwandfreie und sichere Behandlung gewährleistet ist. Auch bewirken sie keine Verunreinigung der Anlagen.The hardness protection compositions according to the invention can be very advantageous in processes for the partial carburization of metallic Components are used and are particularly suitable excellent for vacuum carburizing. They are used completely in accordance with the known hardness protection compounds. In contrast to those, however, there is no expiration of the Components, so that a flawless and safe treatment is guaranteed. They also do not cause contamination of the plants.

Beispiel 1 (erfindungsgemäß):Example 1

Eine Schutzmasse aus 50 Gew.% Boroxid, 5 Gew.% Magnesiumtrisilikat und 45 Gew.% eines organischen Bindemittelsystems wurde bei Raumtemperatur auf ein Bauteil aufgetragen und 10 Tage bei erhöhter Luftfeuchtigkeit gelagert. Danach wurde das Bauteil bei 930°C 5 h auf eine Einsatzhärtetiefe (Eht) von 1,2 mm aufgekohlt, in Öl abgeschreckt und in einer Industriewaschmaschine gereinigt.A protective composition made of 50% by weight boron oxide, 5% by weight magnesium trisilicate and 45% by weight of an organic binder system was applied to a component at room temperature and stored for 10 days with increased humidity. After that the component was hardened to a case depth at 930 ° C for 5 h (Eh) of 1.2 mm carburized, quenched in oil and in one Industrial washing machine cleaned.

Behandlungsergebnis:Treatment outcome:

Es wurde exakt der zu isolierende Bereich geschützt, es gab keinerlei Verlauf der Schutzmasse. Die Härte im abgedeckten Bereich betrug 32-36 HRC, im ungeschützten Bereich 61-63 HRC. Die Isolierung war einwandfrei. Das Bauteil ließ sich problemlos in der Industriewaschmaschine reinigen.Exactly the area to be isolated was protected, there was no course of the protective mass. The hardness in the covered The area was 32-36 HRC, in the unprotected area 61-63 HRC. The insulation was perfect. The component could be easy to clean in the industrial washing machine.

Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel):Example 2 (comparative example):

Eine Schutzmasse aus 55 Gew.% Boroxid und 45 Gew.% eines organischen Bindemittelsystems wurde bei Raumtemperatur auf ein Bauteil aufgetragen und 10 Tage bei erhöhter Luftfeuchtigkeit gelagert. Danach wurde das Bauteil bei 930°C 5 h auf eine Eht von 1,2 mm aufgekohlt, in Öl abgeschreckt und in einer Industriewaschmaschine gereinigt.A protective composition composed of 55% by weight of boron oxide and 45% by weight of one organic binder system was at room temperature one component is applied and 10 days with increased humidity stored. The component was then at 930 ° C for 5 h carburized to a marriage of 1.2 mm, quenched in oil and cleaned in an industrial washing machine.

Behandlungsergebnis:Treatment outcome:

Es gab mehrere Verlaufsspuren, die auf ein Fließen der Schutzmasse während der Behandlung zurückzuführen sind. Die Härte im abgedeckten Bereich betrug meist 32-36 HRC, im Bereich der Verlaufsspuren 49-55 HRC, im ungeschützten Bereich außerhalb der Verlaufsspuren 61-63 HRC. Die Isolierung war fehlerhaft und das Bauteil war deshalb unbrauchbar.There were several traces of history that indicate a flow of the Protective mass during treatment. The Hardness in the covered area was mostly 32-36 HRC, in the area the traces 49-55 HRC, in the unprotected area outside the trace 61-63 HRC. The insulation was faulty and the component was therefore unusable.

Beispiel 3 (erfindungsgemäß):Example 3

Eine Schutzmasse aus 50 Gew.% Boroxid, 5 Gew.% Magnesiumtrisilikat und 45 Gew.% eines organischen Bindemittelsystems wurde bei Raumtemperatur auf ein Bauteil aufgetragen und 10 Stunden bei Raumtemperatur getrocknet. Danach wurde das Bauteil in einer Unterdruckkohlungsanlage auf eine Eht von 0,6 mm aufgekohlt, in einer kalten Kammer abgeschreckt und in einer Industriewaschmaschine gereinigt.A protective composition made of 50% by weight boron oxide, 5% by weight magnesium trisilicate and 45% by weight of an organic binder system was applied to a component at room temperature and dried for 10 hours at room temperature. After that was the component in a vacuum coaling plant on a marriage carburized by 0.6 mm, quenched in a cold chamber and cleaned in an industrial washing machine.

Behandlungsergebnis:Treatment outcome:

Es wurde exakt der zu isolierende Bereich geschützt, es gab keinerlei Verlauf der Schutzmasse. Die Schutzmasse platzte während der Abschreckung nicht ab. Die Härte im abgedeckten Bereich betrug 31-33 HRC, im ungeschützten Bereich 61-63 HRC. Die Isolierung war einwandfrei. Das Bauteil ließ sich problemlos in der Industriewaschmaschine reinigen.Exactly the area to be isolated was protected, there was no course of the protective mass. The protective compound burst not abate during deterrence. The hardness in the covered Area was 31-33 HRC, in the unprotected area 61-63 HRC. The insulation was perfect. The component could be easy to clean in the industrial washing machine.

Beispiel 4 (Vergleichsbeispiel):Example 4 (comparative example):

Eine Schutzmasse aus 55 Gew.% Boroxid und 45 Gew.% eines organischen Bindemittelsystems wurde bei Raumtemperatur auf ein Bauteil aufgetragen und 10 Stunden bei Raumtemperatur getrocknet. Danach wurde das Bauteil in einer Unterdruckkohlungsanlage auf eine Eht von 0,6 mm aufgekohlt, in einer kalten Kammer abgeschreckt und in einer Industriewaschmaschine gereinigt.A protective composition composed of 55% by weight of boron oxide and 45% by weight of one organic binder system was at room temperature a component is applied and 10 hours at room temperature dried. The component was then placed in a vacuum coaling plant carburized to a marriage of 0.6 mm, in one cold chamber and quenched in an industrial washing machine cleaned.

Behandlungsergebnis:Treatment outcome:

Es gab mehrere Verlaufsspuren, die auf ein Fließen der Schutzmasse während der Behandlung zurückzuführen sind. Die Härte im abgedeckten Bereich betrug meist 31-34 HRC, im Bereich der Verlaufsspuren 47-54 HRC, im ungeschützten Bereich außerhalb der Verlaufsspuren 61-63 HRC. Die Isolierung war fehlerhaft und das Bauteil war deshalb unbrauchbar.There were several traces of history that indicate a flow of the Protective mass during treatment. The Hardness in the covered area was mostly 31-34 HRC, in the area the traces 47-54 HRC, in the unprotected area outside the trace 61-63 HRC. The insulation was faulty and the component was therefore unusable.

Beispiel 5 (Vergleichsbeispiel) :Example 5 (comparative example):

Eine Schutzmasse auf Wasserglasbasis wurde bei Raumtemperatur auf ein Bauteil aufgetragen und 10 Stunden bei Raumtemperatur getrocknet. Danach wurde das Bauteil in einer Unterdruckkohlungsanlage auf eine Eht von 0,6 mm aufgekohlt, in einer kalten Kammer abgeschreckt und in einer Industriewaschmaschine gereinigt.A protective composition based on water glass was used at room temperature applied to a component and 10 hours at room temperature dried. The component was then placed in a vacuum coaling plant carburized to a marriage of 0.6 mm, quenched in a cold chamber and in an industrial washing machine cleaned.

Behandlungsergebnis:Treatment outcome:

Es gab keine Verlaufsspuren, die Härte im abgedeckten Bereich betrug 29-32 HRC, im ungeschützten Bereich 61-63 HRC. Es war ein teilweises Abplatzen der Schutzmasse von etwa 20% der aufgetragenen Masse während des Abschreckens festzustellen. Die abgeplatzten Rückstände der Schutzmasse waren hart und nur mit sehr großem Aufwand aus der Abschreckkammer, insbesondere aus den Wärmetauschern zu entfernen. Durch den Verbleib dieser Partikel in der Anlage ist mit eine Verkürzung der Anlagenlaufzeit und Verschlechterung der Funktion zu rechnen. Die Rückstände der Schutzmasse ließen sich nicht in der Industriewaschmaschine abwaschen. Das Bauteil konnte nur durch Strahlen mit Sand oder Glasperlen gereinigt werden.There were no signs of progress, the hardness in the covered area was 29-32 HRC, in the unprotected area 61-63 HRC. It was a partial chipping of the protective compound of about To determine 20% of the applied mass during quenching. The chipped residues of the protective composition were hard and only with great effort from the quenching chamber, to remove in particular from the heat exchangers. Because these particles remain in the system, a reduction in plant runtime and deterioration the function. The residues of the protective mass could not be washed off in the industrial washing machine. The component could only be blasted with sand or glass beads getting cleaned.

Claims (10)

Härteschutzmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen für das partielle Aufkohlen von metallischen Bauteilen,
dadurch gekennzeichnet, daß sie als Zusatz Magnesium-Silicium-Verbindungen enthalten.
Hardness protection compounds based on substances that form boron glass for the partial carburization of metallic components,
characterized in that they contain magnesium-silicon compounds as additives.
Härteschutzmassen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß sie Borglas bildende Substanzen und Magnesium-Silicium-Verbindungen im Massenverhältnis 2:1 bis 100:1 enthalten.
Hardness protection compositions according to claim 1,
characterized in that they contain boron glass-forming substances and magnesium-silicon compounds in a mass ratio of 2: 1 to 100: 1.
Härteschutzmassen nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß sie Borglas bildende Substanzen und Magnesium-Silicium-Verbindungen im Massenverhältnis 5:1 bis 15:1, vorzugsweise im Massenverhältnis von ungefähr 10:1 enthalten.
Hardness protection compositions according to claim 1 or 2,
characterized in that they contain boron glass-forming substances and magnesium-silicon compounds in a mass ratio of 5: 1 to 15: 1, preferably in a mass ratio of approximately 10: 1.
Härteschutzmassen nach den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß sie als Magnesium-Silicium-Verbindungen Magnesiumsilikate, wie insbesondere Magnesiumorthosilikat (Mg2SiO4), Magnesiummetasilikat (MgSiO3), Magnesiumtrisilikat (Mg2Si3O8) und Talkum, enthalten.
Hardness protection compositions according to claims 1 to 3,
characterized in that they contain magnesium silicates as magnesium-silicon compounds, such as, in particular, magnesium orthosilicate (Mg 2 SiO 4 ), magnesium metasilicate (MgSiO 3 ), magnesium trisilicate (Mg 2 Si 3 O 8 ) and talc.
Härteschutzmassen nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß sie als Magnesium-Silicium-Verbindung Magnesiumtrisilikat enthalten.
Hardness protection compositions according to claims 1 to 4,
characterized in that they contain magnesium trisilicate as the magnesium-silicon compound.
Härteschutzmassen nach den Ansprüchen 1 bis 5
dadurch gekennzeichnet, daß sie als Borglas bildende Substanzen Borsäure, Boroxid, Alkali- und/oder Erdalkaliborate, enthalten.
Hardness protection compositions according to claims 1 to 5
characterized in that they contain boric acid, boron oxide, alkali and / or alkaline earth borate as substances forming boron glass.
Härteschutzmassen nach den Ansprüchen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß sie, bezogen auf die Gesamtmenge, 35-70 Gew.% eines organischen Bindemittelsystems enthalten und in flüssiger, halbflüssiger oder pastöser Konsistenz formuliert sind.
Hardness protection compositions according to claims 1 to 6,
characterized in that , based on the total amount, they contain 35-70% by weight of an organic binder system and are formulated in liquid, semi-liquid or pasty consistency.
Härteschutzmassen nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß sie, bezogen auf die Gesamtmenge, 40-55 Gew.% Boroxid, 3-6 Gew.% Magnesiumtrisilikat und 39-57 Gew.% eines organischen Bindemittelsystems enthalten.
Hardness protection compositions according to claim 7,
characterized in that , based on the total amount, they contain 40-55% by weight of boron oxide, 3-6% by weight of magnesium trisilicate and 39-57% by weight of an organic binder system.
Härteschutzmasse nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß sie, bezogen auf die Gesamtmenge, 45 Gew.% Boroxid, 5 Gew.% Magnesiumtrisilikat und 50 Gew.% eines organischen Bindemittelsystems enthält.
Hardness protection composition according to claim 7 or 8,
characterized in that it contains, based on the total amount, 45% by weight boron oxide, 5% by weight magnesium trisilicate and 50% by weight of an organic binder system.
Verwendung der Härteschutzmassen gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 in Verfahren zum partiellen Aufkohlen von metallischen Bauteilen.Use of the hardness protection compositions according to claims 1 to 9 in processes for the partial carburization of metallic Components.
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