DE10038447C1

DE10038447C1 - Abdeckmassen für das partielle Aufkohlen von metallischen Bauteilen

Info

Publication number: DE10038447C1
Application number: DE10038447A
Authority: DE
Inventors: Stefan Wigger; Ulrich Baudis
Original assignee: Durferrit GmbH Thermotechnik
Current assignee: Durferrit GmbH Thermotechnik
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2020-08-08
Also published as: CA2354675A1; JP4938186B2; US6964712B2; EP1180551A3; PL349061A1; DE50115294D1; ATE454482T1; CA2354675C; BR0103204A; US20020020471A1; ES2338094T3; JP2002115041A; BR0103204B1; PL198128B1; EP1180551B1; EP1180551A2

Abstract

Die Erfindung betrifft Härteschutzmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen für das partielle Aufkohlen von metallischen Bauteilen, die als Zusatz Magnesium-Silicium-Verbindungen enthalten. DOLLAR A Diese Härteschutzmassen können sehr vorteilhaft in Verfahren zum partiellen Aufkohlen von metallischen Bauteilen verwendet werden und eignen sich insbesondere vorzüglich für die Vakuumaufkohlung.

Description

Die Erfindung betrifft Abdeckmassen für das partielle Auf kohlen von metallischen Bauteilen.

In der Wärmebehandlung zur Oberflächenhärtung von Metallen ist es oftmals erforderlich, Bauteile partiell vor dem Be handlungsprozeß wie Aufkohlen, Nitrocarburieren oder Ni trieren zu schützen, um später an ausgewählten Oberflächen bereichen noch bestimmte mechanische Bearbeitungsschritte durchführen zu können oder um dort ursprüngliche Werkstof feigenschaften wie etwa die Duktilität zu erhalten. Neben dem galvanischen Beschichten mit Kupfer oder Nickel gibt es bereits seit langem ein breites Angebot an lackähnlichen Abdeckmassen, die vor der Härtebehandlung auf die ausge wählten Oberflächenbereiche aufgetragen werden. Beim parti ellen Aufkohlen haben sich für den Schutz gegen das Eindif fundieren von Kohlenstoff Abdeckmassen auf Wasserglasbasis oder auf Basis von Borglas bildenden Substanzen durchge setzt.

In EP 0 867 524 A1 wird eine Methode zum Abdecken von Me talloberflächenbereichen beim Aufkohlen oder Nitrieren of fenbart, bei der als Abdeckmasse eine Mischung aus einer Borverbindung und Siliciumoxid, also Borglas bildende Sub stanzen, verwendet wird.

In der österreichischen Patentschrift Nr. 170 617 wird eine Abdeckpaste zum Verhindern einer Aufkohlung von stählernen Werkstücken beim Einsatzhärten beschrieben, die auf Wasser glas basiert und unter anderem Bentonit enthält.

Aus der deutschen Patentschrift Nr. 969 995 geht eine Ab deckpaste für den gleichen Zweck hervor, die Kupfer- und Bleiverbindungen sowie Bentonit enthält. Die Toxizität der Bleiverbindungen verbieten den Einsatz einer solchen Paste heute.

Während die Massen auf Basis von Wasserglas nach dem Härte vorgang nur mechanisch durch Abstrahlen der Bauteile mit Sand oder Glasperlen etc. gereinigt werden können, weisen Abdeckmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen den großen Vorteil der Wasserabwaschbarkeit auf. Allerdings be steht bei den bekannten Abdeckmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen die Gefahr des Ablaufens im Ofen wäh rend des Härtevorgangs, insbesondere nach nicht vollständi ger 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 Borverbin dung bis zum Einstellen des Dampfdruckgleichgewichtes ver dampfen. Dies hat zum einen eine Abnahme der Schutzwirkung durch die dünner werdende Schutzschicht zur Folge, anderer seits kann auch eine Ofenausmauerung aus SiO₂-haltigen Steinen angegriffen werden. Insbesondere können solche Mas sen aufgrund des relativ hohen Dampfdruckes nur bedingt in der Unterdruckkohlung eingesetzt werden, da mit einer Schä digung der Unterdruckkohlungsanlage durch verdampfende Bor verbindungen gerechnet werden muß.

Die bisher alternativ in Vakuumkohlungsanlagen eingesetzten Abdeckmassen 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.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabenstellung zugrunde, Abdeckmassen für das partielle Aufkohlen von me tallischen Bauteilen aufzufinden und zu entwickeln, die die Nachteile der bekannten Produkte nicht aufweisen.

Überraschend wurde nun gefunden, daß durch Zusatz von Ma gnesium-Silicium-Verbindungen zu ansonsten in bekannter Weise zusammengesetzten Abdeckmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen sowohl die Gefahr des Ablaufens als auch der Dampfdruck drastisch reduziert werden kann.

Gegenstand der Erfindung sind daher Abdeckmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen für das partielle Aufkoh len von metallischen Bauteilen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie als Zusatz Magnesium-Silicium-Verbindungen enthalten.

Durch den erfindungsgemäßen Zusatz von Magnesium-Silicium- Verbindungen wird eine erhöhte Sicherheit bei der Gasauf kohlung gegen fehlisolierte Stellen durch ablaufende Ab deckmasse erzielt.

Weiterhin wird eine erhöhte Standzeit der Ofenausmauerung erreicht und der Einsatz von Abdeckmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen in der Vakuumkohlung ermög licht.

Als erfindungsgemäßer Zusatz zu den Abdeckmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen eignen sich grundsätzlich alle anorganischen Magnesium-Silicium-Verbindungen. Typi sche für diesen Einsatz geeignete Verbindungen sind Magne siumsilikate, wie zum Beispiel Magnesiumorthosilikat (Mg₂SiO₄), Magnesiummetasilikat (MgSiO₃), Magnesiumtrisili kat (Mg₂Si₃O₈) und Talkum. Besonders bevorzugt ist Magnesi umtrisilikat.

Die erfindungsgemäßen Abdeckmassen enthalten Borglas bil dende Substanzen und Magnesium-Silicium-Verbindungen typi scherweise 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 insbe sondere von ungefähr 10 : 1.

Als Borglas bildende Substanzen enthalten die erfindungsge mäßen Abdeckmassen Borsäure, Boroxid, Alkali- und/oder Er dalkaliborate.

Die erfindungsgemäßen Abdeckmassen können, bezogen auf die Gesamtmenge, 35-70 Gew.-% eines organischen Bindemittelsy stems enthalten und in flüssiger, halbflüssiger oder pastö ser Konsistenz formuliert sind. Geeignete Bindemittelsyste me sind an sich bekannt und dem Fachmann geläufig und ent sprechen jenen, wie sie bei bislang in der Praxis einge setzten Abdeckmassen verwendet werden.

Typische erfindungsgemäßen Abdeckmassen enthalten bei spielsweise 40-55 Gew.-% Boroxid, 3-6 Gew.-% Magnesiumtrisi likat und 39-57 Gew.-% eines organischen Bindemittelsystems, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge.

Die erfindungsgemäßen Abdeckmassen können sehr vorteilhaft in Verfahren zum partiellen Aufkohlen von metallischen Bau teilen verwendet werden und eignen sich insbesondere vor züglich für die Vakuumaufkohlung. Ihr Einsatz erfolgt völ lig entsprechend den bekannten Abdeckmassen. 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.

Beispiel 1 (erfindungsgemäß)

Eine Abdeckmasse aus 50 Gew.-% Boroxid, 5 Gew.-% Magnesium trisilikat und 45 Gew.-% eines organischen Bindemittelsy stems 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 ei ner Industriewaschmaschine gereinigt.

Behandlungsergebnis

Es wurde exakt der zu isolierende Bereich geschützt, es gab keinerlei Verlauf der Abdeckmasse. 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.

Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)

Eine Abdeckmasse aus 55 Gew.-% Boroxid und 45 Gew.-% eines organischen Bindemittelsystems wurde bei Raumtemperatur auf ein Bauteil aufgetragen und 10 Tage bei erhöhter Luftfeuch tigkeit 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.

Behandlungsergebnis

Es gab mehrere Verlaufsspuren, die auf ein Fließen der Ab deckmasse während der Behandlung zurückzuführen sind. Die Härte im abgedeckten Bereich betrug meist 32-36 HRC, im Be reich der Verlaufsspuren 49-55 HRC, im ungeschützten Be reich außerhalb der Verlaufsspuren 61-63 HRC. Die Isolie rung war fehlerhaft und das Bauteil war deshalb unbrauch bar.

Beispiel 3 (erfindungsgemäß)

Eine Abdeckmasse aus 50 Gew.-% Boroxid, 5 Gew.-% Magnesium trisilikat und 45 Gew.-% eines organischen Bindemittelsy stems 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.

Behandlungsergebnis

Es wurde exakt der zu isolierende Bereich geschützt, es gab keinerlei Verlauf der Abdeckmasse. Die Abdeckmasse 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.

Beispiel 4 (Vergleichsbeispiel)

Eine Abdeckmasse 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 Unterdruck kohlungsanlage auf eine Eht von 0,6 mm aufgekohlt, in einer kalten Kammer abgeschreckt und in einer Industriewaschma schine gereinigt.

Behandlungsergebnis

Es gab mehrere Verlaufsspuren, die auf ein Fließen der Ab deckmasse während der Behandlung zurückzuführen sind. Die Härte im abgedeckten Bereich betrug meist 31-34 HRC, im Be reich der Verlaufsspuren 47-54 HRC, im ungeschützten Be reich außerhalb der Verlaufsspuren 61-63 HRC. Die Isolie rung war fehlerhaft und das Bauteil war deshalb unbrauch bar.

Beispiel 5 (Vergleichsbeispiel)

Eine Abdeckmasse auf Wasserglasbasis wurde bei Raumtempera tur auf ein Bauteil aufgetragen und 10 Stunden bei Raumtem peratur getrocknet. Danach wurde das Bauteil in einer Un terdruckkohlungsanlage auf eine Eht von 0,6 mm aufgekohlt, in einer kalten Kammer abgeschreckt und in einer Industrie waschmaschine gereinigt.

Behandlungsergebnis

Es gab keine Verlaufsspuren, die Härte im abgedeckten Be reich betrug 29-32 HRC, im ungeschützten Bereich 61-63 HRC. Es war ein teilweises Abplatzen der Abdeckmasse von etwa 20% der aufgetragenen Masse während des Abschreckens fest zustellen. Die abgeplatzten Rückstände der Abdeckmasse wa ren hart und nur mit sehr großem Aufwand aus der Abschreck kammer, 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 Abdeckmasse ließen sich nicht in der Industriewaschmaschine abwaschen. Das Bauteil konnte nur durch Strahlen mit Sand oder Glas perlen gereinigt werden.

Claims

1. Abdeckmassen auf Basis von Borglas bildenden Substanzen für das partielle Aufkohlen von metallischen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Zusatz Magnesium-Silicium-Verbindungen ent halten.

2. Abdeckmassen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Borglas bildende Substanzen und Magnesium- Silicium-Verbindungen im Massenverhältnis 2 : 1 bis 100 : 1 enthalten.

3. Abdeckmassen 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 ent halten.

4. Abdeckmassen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Magnesium-Silicium-Verbindungen Magnesiumsi likate, wie insbesondere Magnesiumorthosilikat (Mg₂SiO₄), Magnesiummetasilikat (MgSiO₃), Magnesiumtrisilikat (Mg₂Si₃O₈) und Talkum, enthalten.

5. Abdeckmassen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Magnesium-Silicium-Verbindung Magnesiumtri silikat enthalten.

6. Abdeckmassen nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß sie als Borglas bildende Substanzen Borsäure, Boro xid, Alkali- und/oder Erdalkaliborate, enthalten.

7. Abdeckmassen nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie, bezogen auf die Gesamtmenge, 35-70 Gew.-% eines organischen Bindemittelsystems enthalten und in flüssi ger, halbflüssiger oder pastöser Konsistenz formuliert sind.

8. Abdeckmassen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie, bezogen auf die Gesamtmenge, 40-55 Gew.-% Boro xid, 3-6 Gew.-% Magnesiumtrisilikat und 39-57 Gew.-% eines organischen Bindemittelsystems enthalten.

9. Abdeckmasse nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie, bezogen auf die Gesamtmenge, 45 Gew.-% Boroxid, 5 Gew.-% Magnesiumtrisilikat und 50 Gew.-% eines organi schen Bindemittelsystems enthält.

10. Verwendung der Abdeckmassen gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 in Verfahren zum partiellen Aufkohlen von metalli schen Bauteilen.