NO118748B

NO118748B -

Info

Publication number: NO118748B
Application number: NO170507A
Authority: NO
Inventors: A Thoern
Original assignee: Alfa Laval Ab
Priority date: 1966-11-28
Filing date: 1967-11-13
Publication date: 1970-02-09
Also published as: CH454193A; BE706956A; DE1960733U; GB1178588A; DE1551354B2; NL6716109A; AT284887B; FI43887B; DK123793B; DE1551354A1; ES347383A1; SE324578B

Description

Fremgangsmåte ved overflateherding av titan- og zirkonmetall og deres legeringer. Procedure for surface hardening of titanium and zirconium metal and their alloys.

Foreliggende oppfinnelse angår en The present invention relates to a

fremgangsmåte for å overflateherde titan-og zirkonmetall eller legeringer av disse method for surface hardening titanium and zirconium metal or their alloys

metaller. metals.

Blant de nyere fremskritt på hårdme-tallområdet er en fremstilling av titan og Among the more recent advances in the hard metal area is a production of titanium and

titanlegeringer i industriell målestokk. Titan har mange egenskaper som gjør det titanium alloys on an industrial scale. Titanium has many properties that make it so

anvendbart ikke bare på spesielle områder, applicable not only to special areas,

men også til mer alminnelig konstruktive but also to more generally constructive ones

formål. Det har imidlertid vist seg at titan purpose. However, it has been shown that titanium

har en utpreget tendens til, under visse has a distinct tendency to, under certain

betingelser, å sveise seg på andre metaller conditions, to weld on other metals

og skjære seg fast, hvilket medfører en al-vorlig begrensning av dets anvendelsesmu-ligheter. Skjønt titanmetall viser bemerkel-sesverdig motstand mot slitasje og erosjon, and get stuck, which entails a serious limitation of its application possibilities. Although titanium metal exhibits remarkable resistance to wear and erosion,

er det fordelaktig å forbedre disse egenskaper såvel som dets motstand mot forskjel-lige slags korrosjonsangrep ved høyere it is advantageous to improve these properties as well as its resistance to various types of corrosion attack at higher

temperaturer. temperatures.

Et formål ved foreliggende oppfinnelse An object of the present invention

er å angi en relativt billig, enkel og effektiv is to specify a relatively cheap, simple and effective

fremgangsmåte for å overflateherde metallene titan og zirkonium eller legeringer av method for surface hardening the metals titanium and zirconium or alloys thereof

disse metaller, og spesielt titanmetall og these metals, and especially titanium metal and

dets legeringer, slik at de får en øket mot-standsevne mot slitasje, erosjon og korro-sjon ved høyere temperatur og at samtidig its alloys, so that they have an increased resistance to wear, erosion and corrosion at higher temperatures and that at the same time

titanmetallets tendens til å skjære seg fast, titanium metal's tendency to cut itself,

nedsettes. be decreased.

Det er tidligere kjent å overflateherde It is previously known to surface harden

jrnholdige metaller ved å øke kullstoffinn. ferrous metals by increasing the carbon content.

holdet og eventuelt også kvelstoffinnholdet the holding and possibly also the nitrogen content

i overflaten av metallet og deretter opphete in the surface of the metal and then heated

overflaten så den blir hård. Ved en slik the surface so that it hardens. By such a one

fremgangsmåte får man et metall med en method, you get a metal with a

relativt bløt, men sterk og seig, indre del relatively soft, but strong and tough, inner part

eller kjerne og en meget hård overflate. Teknisk utføres oppkullingen av jernholdige metaller på flere måter f. eks. ved å be-handle de med kullstoff i fast form, med en gass som inneholder en kullstoffforbin-delse, ved behandling med et karbonitrid, etc. Av disse fremgangsmåter er behandlin-gen med kullstoff i fast form en av de eldste og mest anvendte, og ved denne fremgangsmåte anvendes en blanding av karbonater, trekull og et bindemiddel. or core and a very hard surface. Technically, the carburizing of ferrous metals is carried out in several ways, e.g. by treating them with carbon in solid form, with a gas containing a carbon compound, by treating with a carbonitride, etc. Of these methods, treatment with carbon in solid form is one of the oldest and most used, and in this method a mixture of carbonates, charcoal and a binder is used.

Det er også tidligere kjent å tilføre overflaten av titan kullstoff ved settherding ved fremgangsmåter som svarer til settherding av jern eller stål eller ved gass-herding ved bruk av propan. Det er videre kjent å overflateherde titan med oksygen-, hydrogen-, nitrogen, og ammoniakkgass og ved «borisering», dvs. cementering av bor på en titan metall overflate ved elektro-lyse av smeltet boraks. Ingen av disse fremgangsmåter har vist seg å kunne gi brukbare resultater da de fører til dannelse av løstsittende, sprø og porøse overflatesjikt eller skall av metalloidforbindelser av det metallet som overflateherdes. It is also previously known to add titanium carbon to the surface by setting hardening using methods that correspond to setting hardening of iron or steel or by gas hardening using propane. It is also known to surface harden titanium with oxygen, hydrogen, nitrogen and ammonia gas and by "boration", i.e. cementation of boron on a titanium metal surface by electrolysis of molten borax. None of these methods have proven to be able to give usable results as they lead to the formation of loose, brittle and porous surface layers or shells of metalloid compounds of the metal that is surface hardened.

I det etterfølgende er uttrykket overflateherding anvendt for å betegne at et av metalloidene kullstoff, kvelstoff eller bor i atomform avspaltes fra en metalloidforbindelse av titan, zirkon eller silisium og i fast tilstand diffunderer inn i titan og zirkonium eller legeringer av disse metaller. In what follows, the term surface hardening is used to denote that one of the metalloids carbon, nitrogen or boron in atomic form splits off from a metalloid compound of titanium, zircon or silicon and diffuses in the solid state into titanium and zirconium or alloys of these metals.

Skjønt det ikke med sikkerhet vites nøyaktig hva som finner sted ved foreliggende fremgangsmåte, antas det at, i mot-setning til ved de kjente fremgangsmåter ved overflateherding av jernholdige metaller hvor kulloksyd i gassform diffunderer inn i metallet og danner et jernkarbid som derpå ved en påfølgende varmebehandling overføres til en hårdere forbindelse som martensitt er rnealloidfortoindelsen som brukes ved foreliggende fremgangsmåte, selv et meget hårdt materiale, og under varmebehandlingen diffunderer metalloid-atomene av dette hårde materiale inn i gitterstrukturen av det metall som behandles, hvorved det går i fast oppløsning. Den del av metallet, fra overflaten og ned til en viss dybde, som inneholder metalloid-atomene i fast oppløsning, er herdet. En påfølgende varmebehandling er overflødig og ikke ønskelig. Although it is not known with certainty exactly what takes place in the present method, it is assumed that, in contrast to the known methods for surface hardening of ferrous metals where carbon oxide in gaseous form diffuses into the metal and forms an iron carbide which then in a subsequent heat treatment is transferred to a harder compound such as martensite is the rnealloid alloy used in the present process, itself a very hard material, and during the heat treatment the metalloid atoms of this hard material diffuse into the lattice structure of the metal being treated, whereby it goes into solid solution. The part of the metal, from the surface down to a certain depth, which contains the metalloid atoms in solid solution, is hardened. A subsequent heat treatment is redundant and not desirable.

Skjønt dette kanskje ikke er den helt riktige forklaring på reaksjonen som finner sted, har det i alle fall vist seg at når man pakker det metall som skal behandles, fast ned i en pulverformig metalloidforbindelse av fin partikkelstørrelse og opp-heter det, får man en herdning av det be-handlete metall slik at dette blir hårdest på overflaten, men herdingen trenger dypt inn i den relativt bløte kjerne av metallet. Man unngår derved å få et hårdere overflatesjikt som lett skaller av. Although this may not be the correct explanation for the reaction that takes place, it has in any case been shown that when you pack the metal to be treated firmly into a powdery metalloid compound of fine particle size and heat it, you get a hardening of the treated metal so that it is hardest on the surface, but the hardening penetrates deep into the relatively soft core of the metal. You thereby avoid getting a harder surface layer that easily peels off.

Hva angår kravene til de metalloidforbindelser som anvendes ved fremgangsmåten, har det vist seg at man har oppnådd brukbare resultater ved anvendelse av de kvaliteter av metalloidforbindelser som er i handelen. Slike metalloidforbindelser er imidlertid i alminnelighet fremstilt ved å male produktet til den ønskete kornstør-relse, vanligvis på mekanisk vis, og forbin-delsene er derfor relativt urene og av uens-artet partikkelstørrelse. Usedvanlig ensar-tete og gode resultater er på den annen side oppnådd ved å anvende metalloidforbindelser hvor partiklene er av jevn stør-relse og renhet, f. eks. en partikkelstør-relse fra 0,5 til 10 \ i, og som er fremstilt ved å gløde en blanding av et hydrat av titan, zirkon eller silisium og kullstoff, med eller uten tilsetninger som borsyre eller kvelstoff, alt etter hvilken metalloidforbindelse som ønskes. Egnete metalloidforbindelser kan f. eks. fremstilles ifølge fremgangsmåten i norsk patent nr. 86.062, hvorved fåes forbindelser med en usedvanlig jevn partikkelstørrelse og høy renhet og som er fri for fritt kullstoff eller andre uønskete materialer. Disse produkter er for enkelthets skyld i det etterfølgende beteg-net som «metalloidforbindelser fremstilt av hydrat». With regard to the requirements for the metalloid compounds used in the method, it has been shown that usable results have been obtained by using the qualities of metalloid compounds that are available in the trade. However, such metalloid compounds are generally produced by grinding the product to the desired grain size, usually mechanically, and the compounds are therefore relatively impure and of uneven particle size. On the other hand, exceptionally uniform and good results have been obtained by using metalloid compounds where the particles are of uniform size and purity, e.g. a particle size from 0.5 to 10 µm, and which is produced by annealing a mixture of a hydrate of titanium, zircon or silicon and carbon, with or without additives such as boric acid or nitrogen, depending on which metalloid compound is desired. Suitable metalloid compounds can e.g. is produced according to the method in Norwegian patent no. 86,062, whereby compounds are obtained with an exceptionally uniform particle size and high purity and which are free of free carbon or other unwanted materials. For the sake of simplicity, these products are referred to in the following as "metalloid compounds produced from hydrate".

Ved foreliggende fremgangsmåte pakkes det metall som skal overflateherdes fast ned i et pulverformig karbid, nitrid eller borid av titan, zirkon eller silisium, eller blandinger av disse, hvorpå det nedpakkete metall opphetes i fra 1 til 18 timer ved 700—1200° C, dvs. ved en temperatur og i en tid som er tilstrekkelig til å bevirke en diffusjon i fast fase av en oppløst form av den anvendte metalloidforbindelse inn i metallet. In the present method, the metal to be surface-hardened is firmly packed in a powdered carbide, nitride or boride of titanium, zircon or silicon, or mixtures of these, after which the packed metal is heated for from 1 to 18 hours at 700-1200° C, i.e. .at a temperature and for a time sufficient to effect a solid phase diffusion of a dissolved form of the metalloid compound used into the metal.

Når opphetningen er avsluttet, tas metallet ut av metalloidforbindelsen. Metallet har da fått en jevn hård overflate hvor herdingen går ned til en dybde av 0,025 til 0,125 mm og mikrohårdheten er 400—1200 kg/mm<2> (Vickers). When the heating is finished, the metal is taken out of the metalloid compound. The metal then has a uniform hard surface where the hardening goes down to a depth of 0.025 to 0.125 mm and the microhardness is 400-1200 kg/mm<2> (Vickers).

Skjønt fremgangsmåten ved behand-lingen, dvs. metoden som anvendes ved nedpakkingen av det metall som skal behandles i den pulverformige metalloidforbindelse og opphetningen av det nedpakkete metall, er viktig for å oppnå gode resultater, er arten av den anvendte metalloidforbindelse av større betydning da det har vist seg at herdingen blir best når metallet pakkes ned i en metalloidforbindelse av høy renhet og med relativt jevn og fin partikkelstørrelse, hvilket er karakte-ristisk for metalloidforbindelser fremstilt av hydrat som nevnt ovenfor. Da det dess-uten er viktig at metalloidforbindelsen pakkes rundt det metall som skal behandles, er den fine partikkelstørrelse av metalloidforbindelser fremstilt av hydrat en avgjort fordel. Temperaturen og lengden av opp-hetningstiden kan varieres i noen grad av-hengig av naturen av den overflate som ønskes, og typen av det metall som behandles, hvilket vil sees av de nedenstående tabeller. I alminnelighet vil lave temperaturer gi en herdet overflate som er dobbelt så hård som kjernen av det be-handlete metall, mens høye temperaturer omtrent firedobler hårdheten i forhold til kjernen. Variasjoner i lengden av opphet-ningstiden ved en og samme temperatur gir varierende dybde på herdingen med hardhet av samme størrelsesorden. Det er også betegnende at det ikke er nødvendig å opprettholde noen bestemt atmosfære over eller rundt det metall som behandles. Skjønt der ble anvendt en argonatmosfære ved forsøkene i nedenstående tabeller, har det vist seg at tilsvarende resultater fåes i en hvilken som helst vanlig ovnsatmosfæ-re sålenge som den pulverformige metalloidforbindelse pakkes fast rundt den gjen_ stand som skal behandles. Although the method of treatment, i.e. the method used when packing the metal to be treated in the powdered metalloid compound and heating the packed metal, is important to achieve good results, the nature of the metalloid compound used is of greater importance as it it has been shown that the hardening is best when the metal is packaged in a metalloid compound of high purity and with a relatively uniform and fine particle size, which is characteristic of metalloid compounds made from hydrate as mentioned above. As it is also important that the metalloid compound is wrapped around the metal to be treated, the fine particle size of metalloid compounds produced from hydrate is a definite advantage. The temperature and the length of the heating time can be varied to some extent depending on the nature of the desired surface and the type of metal being treated, which will be seen from the tables below. In general, low temperatures will produce a hardened surface that is twice as hard as the core of the treated metal, while high temperatures roughly quadruple the hardness in relation to the core. Variations in the length of the heating time at one and the same temperature give varying depth of hardening with hardness of the same order of magnitude. It is also significant that it is not necessary to maintain any particular atmosphere above or around the metal being treated. Although an argon atmosphere was used in the experiments in the tables below, it has been shown that similar results are obtained in any ordinary furnace atmosphere as long as the powdered metalloid compound is tightly packed around the object to be treated.

For å belyse oppfinnelsen nærmere er der nedenfor angitt resultatene av en serie forsøk, som ble gjort med titan og zirkon metall, idet disse ble pakket ned i visse metalloidforbindelser og opphetet. In order to explain the invention in more detail, the results of a series of experiments, which were carried out with titanium and zirconium metal, are given below, as these were wrapped in certain metalloid compounds and heated.

Ved forsøkene gjengitt i tabellene ble anvendt titan- og zirkonmetall av vanlig handelskvalitet. In the experiments reproduced in the tables, titanium and zirconium metal of ordinary commercial quality were used.

Fremgangsmåten kan anvendes ved behandling av titan og zirkon og deres legeringer. Det er å vente at de romtemperatu-rer sorri må anvendes ved behandling av legeringer av titan og zirkon vil være noe forskjellig fra dem som anvendes ved behandling av selve metallene som er prak-tisk talt rene eller av handelsmessig kva-litet. Det er ikke nødvendig å anvende bare en enkelt-metalloidforbindelse som ned-pakkingsmateriale, da blandete metalloidforbindelser bestående av to ellér flere av de ovenfor nevnte metalloidforbindelser også kan brukes. The method can be used when treating titanium and zirconium and their alloys. It is to be expected that the room temperatures that must be used when treating alloys of titanium and zircon will be somewhat different from those used when treating the metals themselves which are practically pure or of commercial quality. It is not necessary to use only a single metalloid compound as packing material, as mixed metalloid compounds consisting of two or more of the above-mentioned metalloid compounds can also be used.

Claims

1. Process for surface hardening of titanium and zirconium metal or their alloys, characterized in that the metal or alloy is firmly packed into a finely divided carbide, nitride or boride of titanium, zirconium or silicon, or mixtures of these compounds, and that thus packed metal is heated at a temperature and for a time sufficient to effect a solid phase diffusion of the carbon, nitrogen or boron atoms into the metal.

2. Method according to claim 1, characterized in that a carbide, nitride or boride of titanium, zircon or silicon is used, with a particle size of from 0.5 to 10 u, produced from hydrate.

3. Method according to claim 1-2, characterized in that heating takes place at 700-1200° for 1 to 18 hours.