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Verfahren zur Oberflächenhärtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von metallischen Körpern oder Gegen- ständen, die aus Titan oder Zirkon bestehen oder diese Metalle enthalten, bzw. derartigen oberflächen- gehärteten metallischen Körpern oder Gegenständen.
Die zur Titangruppe des periodischen Systems gehörenden Metalle, insbesondere Titan, Zirkon und Legierungen, die diese Metalle enthalten, besitzen verhältnismässig geringes spezifisches Gewicht, aus- gezeichnete Zugfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, und werden daher in zunehmendem Ausmass als
Materialien für die verschiedensten Gegenstände, Artikel, Apparate usw., einschliesslich chemischer
Geräte und Apparate, herangezogen. Titan und Zirkon besitzen jedoch nur geringe Härte und Verschleiss- festigkeit, was mit dem Nachteil verbunden ist, dass die entsprechenden Materialien insbesondere bei Anwendungen, wo sie Reibungskräften ausgesetzt sind, stark abgenutzt oder beschädigt werden. Aus die- sen Gründen ist die Verwendung der genannten Stoffe trotz ihrer mannigfaltigen ausgezeichneten Eigen- schaften nicht voll befriedigend.
Ziel der Erfindung ist es nun, oberflächengehärtete metallische Körper oder Gegenstände, die aus
Titan oder Zirkon bestehen oder diese Metalle zu mindestens 50% enthalten, mit ausgezeichnetem Ver- schleisswiderstand und Abriebfestigkeit auf Grund der gehärteten Oberflächenschicht zu schaffen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung liegt daher in derentwicklung eines Verfahrens zuroberflächen- härtung der oben genannten Körper oder Gegenstände, um sie verschleiss-und abriebfestund damit verwen- dungsfähiger zu machen. Gemäss der Erfindung besteht der verbesserte metallische Körper aus einem Grund- metall aus Titan oder Zirkon oder einer mindestens 500/0 Titan oder Zirkon enthaltenden Legierung und einem gehärteten Oberflächenüberzug oder einer Schicht, die aus dem Nitrid und bzw. oder Oxyd des Ti oder Zr oder einer Dispersion des Nitrides bzw. Oxyds im Grundmetall besteht.
Der gehärtete Oberflächenüberzug oder die Schicht wird durch Reaktion der Oberflächenschicht des
Grundmetalles oder der Legierung mit Sauerstoff und bzw. oder Stickstoff gebildet. Vorzugsweise wird gasförmiger Sauerstoff und gasförmiger Stickstoff als Oxydations- bzw. Nitriermittel verwendet. Insbe- sondere wird gemäss der Erfindung das Nitrid und bzw. oder das Oxyd durch Anwendung einer sogenann- ten durch ein Inertgas geschützten Lichtbogenschmelzung mit oder ohne Zusatzmetallstab aus dem glei- chen Material wie das Grundmetall oder die Legierung gebildet. Sauerstoff- und bzw. oder Stickstoffgas werden mit dem Inertgas vermischt, so dass die Nitrierung und bzw. oder Oxydation stattfindet, während die Oberfläche mit dem Inertgas bedeckt ist.
Wird kein Zusatzmetall verwendet, so reagiert die Oberflä- che des Grundmetalles mit Sauerstoff und bzw. oder Stickstoff unter vollständiger Bildung des Oxyds und bzw. oder Nitrids. Wird hingegen ein Zusatzmetall verwendet, so bildet das geschmolzene Zusatzmetall selbst die Oxyd- und bzw. oder Nitridschicht auf dem Grundmetall.
Titan ist unterhalb 5000C chemisch stabil, wird aber bei höheren Temperaturen sehr reaktionsfähig und reagiert mit Sauerstoff bei Temperaturen oberhalb Rotglut (5000C) unter Bildung von Titanoxyd als eine feste Lösung oder Dispersionsschicht, die hauptsächlich aus Titandioxyd besteht, und mit Stickstoff bei Temperaturen oberhalb 8000C unter Bildung einer festen Lösung oder Dispersionsschicht von Titan- nitrid. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Löslichkeit von Sauerstoff und Stick- stoff in Titan merklich höher ist als in andern in der Praxis zu verwendenden Metallen. Auf ähnliche Art und Weise reagiert Zirkon mit Sauerstoff und Stickstoff bei erhöhten Temperaturen (500 C). Dasselbe gilt in Hinsicht auf Legierungen, die Titan oder Zirkon als Grundstoff enthalten.
In allen Fällen bildet das Oxyd und bzw. oder Nitrid sehr harte Oberflächenschichten oder Überzüge auf dem Grundmetall oder der Legierung.
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B.Nitrid, die auf diese Weise auf dem Grundmetallkörper oder Gegenstand gebildet wird, ist sehr gleichmä- ssig und besitzt im allgemeinen eine Härte von 250-550, gemessen mit Vickers Härteprüfgerät (Last 30 kg).
Die Erfindung ermöglicht, da das Reaktionsgas (Sauerstoff und bzw. oder Stickstoff) in das die Schutzhülle bildende Inertgas eingeführt wird und dadurch gleichmässiger und konstanter Verlauf der Reaktion gewährleistet wird, eine leichte Steuerung der Reaktion, so dass eine gleichmässig harte Schicht oder ein gleichmässig harter Überzug erhalten wird. Durch Verwendung eines Zusatzmetallstabes zur Aufbringung der Schicht kann-falls erwünscht-ein starker Überzug aufgebracht werden. In diesem Fall kann durch entsprechende Dosierung der aufgebrachten Menge des Metalles die Dicke des harten Überzuges nach Wunsch variiert werden.
Weiters ist die gebildete Schicht oder der Überzug im wesentlichen gleichmässig in bezug auf Härte, Struktur und Zusammensetzung, da die definierte oder berechnete Menge an Sauerstoff und bzw. oder Stickstoff zugeführt werden kann und ungewünschte Eindringen atmosphärischer Luft (welche Ungleichmässigkeiten der gebildeten Schicht oder des Überzuges verursachen würde) durch die inerte Gasschicht verhindert wird.
Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beispiele näher erläutert :
Die Beispiele dienen nur zur Illustration der Erfindung, sollen diese jedoch in keiner Weise einschränken.
Beispiel l : Ein Titanstab mit rundem Querschnitt und 17 mm Durchmesser wurde durch Aufbringen einer Titanoxydschicht auf seiner Oberfläche gehärtet. Ein üblicher Schutzgas-Lichtbogenschweissapparat mit Wolfram-Elektrode wurde zusammen mit einem Titan-Zusatzmetallstab für die Aufbringung verwendet. Zunächst wurde die Materialaufbringung durch Auftragsschweissung unter Einsatz von gewöhnlichem bzw. handelsüblichem Argongas (Sauerstoffgehalt 00/0) durchgeführt.
Hierauf wurde der gleiche Vorgang unter Verwendung eines zur Schutzgasschweissung bestimmten Argongases (sigma grade argon gas; Sauerstoffgehalt 5%) wiederholt und schliesslich mit einem Gemisch von gleichen Teilen Argongas und "sigma grade Gas" durchgeführt, wobei der Sauerstoffgehalt im genannten Gemisch entsprechend der Gasanalyse 3, 4% betrug.
In allen Fällen waren die Schweissbedingungen wie folgt :
EMI3.1
<tb>
<tb> Schweissstrom <SEP> 75 <SEP> - <SEP> 95 <SEP> A
<tb> Lichtbogenspannung <SEP> 8 <SEP> - <SEP> 9V <SEP>
<tb> Lichtbogenlänge <SEP> 3-4 <SEP> mm <SEP>
<tb> zugeführte <SEP> Gasmenge <SEP> etwa <SEP> 0,45 <SEP> mS/h
<tb> Schweissgeschwind <SEP> igkei <SEP> t <SEP> 100 <SEP> - <SEP> 130 <SEP> mm/min
<tb>
In jedem dieser drei Versuche betrug die Stärke des aufgebrachten Überzuges oder der Schicht etwa 5 mm und seine Härte war beträchtlich höher als die des Grundmetalles oder Titans.
Beispiel a: Gemäss diesem Beispiel werden verschiedene Titan-, Titanlegierungs- und Zirkôn- gegenstände, wie weiter unten angeführt, unter Anwendung von Sauerstoff und bzw. oder Stickstoff, gemischt mit Inertgas als Schutzgas, ohne Verwendung eines Zusatzmetalles unter verschiedenen Bedingungen durch Lichtbogenschweissung oberflächengehärtet.
Die Bedingungen und die erhaltenen Ergebnisse sind folgende :
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<tb>
<tb> Exp. <SEP> Körper <SEP> Zusatzmetall <SEP> Schutzgas <SEP> Reaktionsgas <SEP> (%) <SEP> Strom <SEP> zugefuhrte <SEP> Schweissge- <SEP> Länge <SEP> des
<tb> O2 <SEP> N2 <SEP> (A) <SEP> Gasmenge <SEP> schwindigkeit <SEP> Lichtbogens
<tb> (1/min) <SEP> (mm/min) <SEP> (mm)
<tb> 1 <SEP> Ti <SEP> Ti <SEP> Ar <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 100-130 <SEP> 5-10 <SEP> 100-130 <SEP> 3-4
<tb> 2 <SEP> Ti <SEP> Ti <SEP> Ar <SEP> 3 <SEP> 0 <SEP> 100-130 <SEP> 5-10 <SEP> 100-130 <SEP> 3-4
<tb> 3 <SEP> Ti <SEP> Ti <SEP> Ar <SEP> 6 <SEP> 0 <SEP> 100-130 <SEP> 5-10 <SEP> 100-130 <SEP> 3-4
<tb> 4 <SEP> Ti <SEP> Ti <SEP> Ar <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 100-130 <SEP> 5-10 <SEP> 100-130 <SEP> 3-4
<tb> 5 <SEP> Ti <SEP> Ti <SEP> Ar <SEP> 0 <SEP> 3 <SEP> 100-130 <SEP> 5-10 <SEP> 100-130 <SEP> 3-4
<tb> 6 <SEP> Ti <SEP> Ti <SEP> Ar <SEP> 0 <SEP> 6 <SEP> 100-130 <SEP> 5-10 <SEP> 100-130 <SEP> 3-4
<tb> 7 <SEP> Ti <SEP> Ti <SEP> Ar <SEP> 0 <SEP> 10 <SEP> 100-130 <SEP> 5-10 <SEP> 100-130 <SEP> 3-4
<tb> 8 <SEP> Ti-Leg. <SEP> Ti-Leg. <SEP> Ar <SEP> 2 <SEP> 0 <SEP> 100-130 <SEP> 5-10 <SEP> 100-130 <SEP> 5-8
<tb> 9 <SEP> Ti-Leg. <SEP> Ti-Leg.
<SEP> Ar <SEP> 2 <SEP> 0 <SEP> 100-130 <SEP> 5-10 <SEP> 100-130 <SEP> 5-8
<tb> 10 <SEP> Zr <SEP> Zr <SEP> Ar <SEP> 5 <SEP> 0 <SEP> 100-120 <SEP> 5-10 <SEP> 100-130 <SEP> 3-4
<tb> 11 <SEP> Zr <SEP> Zr <SEP> Ar <SEP> 0 <SEP> 5 <SEP> 100-120 <SEP> 5-10 <SEP> 100-130 <SEP> 3-4
<tb> 12 <SEP> Ti <SEP> Ti <SEP> He <SEP> 5 <SEP> 0 <SEP> 100-120 <SEP> 7 <SEP> 110-130 <SEP> 3-4 <SEP>
<tb> 13 <SEP> Ti <SEP> - <SEP> Ar <SEP> 3 <SEP> 0 <SEP> 90 <SEP> - <SEP> 130 <SEP> 7 <SEP> 100 <SEP> - <SEP> 120 <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 4 <SEP>
<tb> 14 <SEP> Ti-Ar <SEP> 6 <SEP> 0 <SEP> 90 <SEP> - <SEP> 130 <SEP> 7 <SEP> 100 <SEP> - <SEP> 120 <SEP> 3-4 <SEP>
<tb> 15 <SEP> Ti <SEP> O <SEP> 1 <SEP> 90-130 <SEP> 7 <SEP> 100-120 <SEP> 3-4
<tb> 16 <SEP> Ti-Ar <SEP> 0 <SEP> 6 <SEP> 90 <SEP> - <SEP> 130 <SEP> 7 <SEP> 100 <SEP> - <SEP> 120 <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 4 <SEP>
<tb> 17 <SEP> Ti-Ar <SEP> 0 <SEP> 10 <SEP>
90-130 <SEP> 7 <SEP> 100-120 <SEP> 3-4 <SEP>
<tb> 18 <SEP> Zr <SEP> - <SEP> Ar <SEP> 5 <SEP> 0 <SEP> 90-120 <SEP> 7 <SEP> 100-mi <SEP> 3-4 <SEP>
<tb> 19 <SEP> Ti <SEP> Ti <SEP> Ar <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 80-120 <SEP> 7 <SEP> 100-120 <SEP> 3-5
<tb>
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<tb>
<tb> 0, <SEP> 2%Exp. <SEP> Nr. <SEP> Härte <SEP> Exp. <SEP> Nr.
<SEP> Härte
<tb> 1 <SEP> 300-350 <SEP> 11 <SEP> 450 <SEP> - <SEP> 550 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 350 <SEP> - <SEP> 460 <SEP> 12 <SEP> 400 <SEP> - <SEP> 550 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 400 <SEP> - <SEP> 550 <SEP> 13 <SEP> 350 <SEP> - <SEP> 400 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 320 <SEP> - <SEP> 350 <SEP> 14 <SEP> 350 <SEP> - <SEP> 450 <SEP>
<tb> 5 <SEP> 300 <SEP> - <SEP> 400 <SEP> 15 <SEP> 250 <SEP> - <SEP> 300 <SEP>
<tb> 6 <SEP> 350 <SEP> - <SEP> 480 <SEP> 16 <SEP> 300 <SEP> - <SEP> 420 <SEP>
<tb> 7 <SEP> 470 <SEP> - <SEP> 550 <SEP> 17 <SEP> 350 <SEP> - <SEP> 500 <SEP>
<tb> 8 <SEP> 370 <SEP> - <SEP> 450 <SEP> 18 <SEP> 350 <SEP> - <SEP> 400 <SEP>
<tb> 9 <SEP> 390 <SEP> - <SEP> 510 <SEP> 19 <SEP> 200 <SEP> - <SEP> 250 <SEP>
<tb> 10 <SEP> 400 <SEP> - <SEP> 550 <SEP>
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