Verfahren zur Erzeugung harter, verschleissfester Randschichten auf einem metallischen Werkstoff

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Kurzzeitdiffusionsverfahren zur Erzeugung harter, verschleißfester Oberflächen auf einem metallischen Werkstoff, wobei der Grundwerkstoff keine Wärmebeeinflussung erfährt und deshalb in seinen mechanischen und physikalischen Eigenschaften nicht verändert wird. Bei diesem Verfahren wird auf die zu härtende Oberfläche ein pulver-, pastenförmiger oder flüssiger Stoff aufgebracht, der durch einen Energiestoß zersetzt wird, wobei das freiwerdende Element in die Randschicht eindiffundiert.

Beschreibung

[0001] Zur Verbesserung des Verschleißverhaltens, z. B. von Werkzeugen, Bauteilen und Funktionsteilen, werden in zunehmendem Maße Verschleißschutzschichten eingesetzt. Hierfür stehen eine Vielzahl von Schichten zur Verfügung, die industriell aufgebracht werden können und je nach Herstellungsbedingungen unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

[0002] Harte verschleißfeste Randschichten können mit herkömmlichen thermischen und thermochemischen Verfahren (z. B. Borieren, Aufkohlen, Nitrieren) erzeugt werden. Unter thermischen Verfahren versteht man das Erhitzen von Stahl auf Temperaturen im Austenit-Gebiet und ein anschließendes rasches Abschrecken. Unter thermochemischen Verfahren werden Verfahren verstanden, bei denen an der Oberfläche des zu härtenden Teiles Verbindungen aus Bor, Stickstoff oder Kohlenstoff zersetzt werden, wobei dann die genannten Elemente in die Oberfläche eindiffundieren.

[0003] Der Nachteil bei den thermischen Verfahren ist, daß ein härtbarer Werkstoff benötigt wird bzw. daß bei den thermochemischen Verfahren hohe Temperaturen und lange Prozeßzeiten zu einer negativen Beeinflussung des Grundwerkstoffes führen können, so daß für das Gesamtsystem keine zufriedenstellenden Gebrauchseigenschaften erhalten werden. Ein partielles Härten ist mit diesen bekannten Verfahren nicht möglich.

[0004] Wed 1 Plr/3.5.1982 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu konzipieren, das die Erzeugung einer harten, verschleißfesten Oberfläche in kurzer Zeit ermöglicht. Dabei soll der Grundwerkstoff keine Wärmebeeinflussung erfahren und deshalb in seinen mechanischen und physikalischen Eigenschaften nicht verändert werden.

[0005] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf die zu härtende Oberfläche eine Verbindung aufgebracht und durch einen Energiestoß zersetzt wird, wobei ein Element frei wird, das in die zu härtende Oberfläche eindiffundiert. Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Werkststücke in eng begrenzten ßereichen randschichtgehärtet werden können. Das Eindiffundieren geschieht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in kurzer Zeit, da eine beschleunigte Oberflächendiffusion abläuft. Die Abkühlung erfolgt durch Wärmeableitung in das Werkstück. Auf diese Weise entsteht eine Randschicht, die von den bekannten Diffusionsschichten in ihrer Struktur und Ausbildung (Form der Verbindung) abweicht.

[0006] Als diffundierende Elemente finden z. 3. Bor oder Stickstoff Verwendung. Es ist zwar bereits bekannt, Bor, Kohlenstoff und Stickstoff im Zusammenhang mit bekannten thermochemischen Verfahren in die Oberfläche von Werkstücken eindiffundieren zu lassen. Bei diesen bekannten Verfahren handelt es sich aber um einen längeren Prozeß, da die Grenzflächenreaktion aufgrund der Energiezufuhr langsamer abläuft. Außerdem bilden sich bei den bekannten Verfahren Gleichgewichtszustände aus. Das neue Verfahren beruht aber darauf, daß ein Ungleichgewichtszustand an der Oberfläche erzeugt wird.

[0007] Als Energiequelle eignen sich Laser- und Elektronenstrahlen oder eine Kurzzeiterwärmung über elektrischen Strom. Mit Hilfe dieser Energiequellen ist überhaupt erst ein partielles Härten in kurzen Zeiten mit thermochemischen Verfahren möglich.

[0008] Die Figur zeigt den Härteverlauf in der Randschicht einer laserborierten Probe aus Dynamoblech.

[0009] In dem Diagramm ist auf der Abszisse der Randabstand in um und auf der Ordinate der Härteverlauf in Vickers-Härte bei einer Prüflast von 25 p (HV 0,025) aufgetragen. Aus der'durch fünf Meßpunkte verlaufenden Kurve ist deutlich zu erkennen, daß die Härtung im vorliegenden Fall nach einem Randabstand von ca. 20 um rasch abnimmt. Diese Stärke ist in der Praxis aber für die Verbesserung des Verschleißverhaltens, z. B. von Funktionsteilen und Werkzeugen, durchaus ausreichend. An der Oberfläche entstehen Gefüge und Phasen hoher Härte. Nach dem Diagramm liegt in der Randschicht bei dem Ausführungsbeispiel eine Härte von ca. 2.000 HV 0,025 vor. Röntgenographisch wurde hier das Eisenborid Fe₂ B nachgewiesen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung narter, verschleißfester Randschichten auf einem metallischen Werkstoff, z. B. Eisenwerkstoff, nach einer Kurzzeit-thermochemischen Behandlung, dadurch gekennzeichnet , daß auf die zu härtende Oberfläche eine Verbindung aufgebracht und durch einen Energiestoß zersetzt wird, wobei ein Element frei wird, das in die zu härtende Oberfläche eindiffundiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als diffundierende Elemente z. B. Bor oder Stickstoff Verwendung finden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Energiequelle für einen Energiestoß z. B. Laser- und Elektronenstrahlen dienen oder eine Kurzzeiterwärmung über elektrischen Strom erzielt wird.

Zeichnung