DE3025033A1

DE3025033A1 - Verfahren zur herstellung von vanadincarbidschichten auf eisen

Info

Publication number: DE3025033A1
Application number: DE19803025033
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Chem. Dr. 6450 Hanau Baudis; Peter Ing.(grad.) 6458 Rodenbach Biberbach; Wolfgang 8757 Karlstein Weber
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1980-07-02
Filing date: 1980-07-02
Publication date: 1982-01-21
Also published as: EP0043506A3; EP0043506A2; CA1128378A; EP0043506B1; US4440581A; DE3169526D1

Description

Degussa AG 6^50 Hanau 1

Verfahren zur Herstellung von VanadincarTDidschichten auf Eisen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vanadincarbidschichten auf Eisen und Eisenlegierungen mit einem Gehalt von mindestens 0,1 Gew$ Kohlenstoff durch Behandlung der Werkstücke bei 800 bis 1100°C in einem Salzbad, das 1 bis 30 Gewfb Vanadium- oder Ferrovanadinpulver enthält.

Vanadincarbidschichten zeichnen sich durch eine große Härte, Verschleißfestigkeit, gute Oxidations- und Korrosionsfestigkeit aus. Man ist daher bestrebt, solche

^O Schichten auf Werkstücke aus Eisen und Eisenlegierungen aufzubringen, insbesondere auf hochbeanspruchte Werkzeug- und Maschinenteile, wie z.B. Zieh- und Stanzwerkzeuge, Schneidwerkzeuge oder Düsen.

Es sind bereits zahlreiche Verfahren zur Erzeugung verschleißfester Vanadincarbidschichten bekannt. So be-

„_n schreibt z.B. die DE-OS 20 53 063 ein Verfahren zur Bildung einer Carbidschicht eines Elements der fünften Nebengruppe des periodischen Systems der Elemente auf der Oberfläche von Metallgegenständen. Dazu verwendet man ein geschmolzenes Salzbad, das Borsäure oder ein Borat und ein Metallpulver eines Elements der fünften Nebengruppe enthält. Das schichtbildende Metall wird hierbei teilweise

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in der sehr aggressiven Boratsclraelze gelöst und auf diese ¥eise an die Werkstoffoberfläche transportiert.

Eine Abwandlung diesesVerfahrens beschreibt die DE-OS 32 22 159, wobei das die Carbidschicht bildende Metall anodisch in der Schmelze gelöst wird.

In der DE-OS 23 22 157 wird zur Herstellung verschleißfester Carbidschichten das carbidbildende Metall aus einer Boratschmelze kathodisch am Werkstück abgeschieden,

Weiter wird in der DE-OS Z8 19 856 ein Verfahren beschrieben, bei dem das die Schicht bildende Metall durch eine Reduktion der entsprechenden Metalloxide mittels eines

2Q borhaltigen Stoffes, wie Ferrobor oder Borcarbid, erzeugt wird.

Alle diese bekannten Verfahren weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Ein gemeinsames Merkmal der bekannten Verfahren ist die Verwendung von Boroxid oder Boraten als wesentlicher Bestandteil der Schmelzen. Borat oder boroxidhaltige Schmelzen sind .jedoch bei der zur Behandlung erforderlichen hohen Temperatur von 800 - 1100 C außerordentlich aggressiv. Dies führt häufig zu merklichen Angriffen auf das Tiegelmaterial oder auf die zu behandelnden Werkstücke, was sich bisweilen in beträchtlicher Oj

Oberflächenrauhigkeit äußert. Ferner sind diese Schmelzen auch bei hohen Temperaturen überaus zähflüssig. Wegen der

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honen Viskosität der borhaltigen Schmelzen kann eine ungleiche Temperaturverteilung im Bad auftreten. Durch Zusatz von Alkalihalogeniden läßt sich die Viskosität dieser Schmelzen allerdings etwas erniedrigen, doch ist die dadurch erzielbare Viskosität immer noch sehr hoch. Dadurch wird auch eine beträchtliche Menge des Bades mit den behandelten Teilen ausgetragen, wobei hohe Salzverluste entstehen. Ferner läßt sich die den erkalteten Teilen anhaftende Schmelze aufgrund ihrer glasartigen Beschaffenheit nur äußerst schwer entfernen.

Die bekannten elektrolytischen Verfahren bedingen einen größeren Verfahrensaufwand, wie z.B- genaue Badkontrolle und Konstanthaltung der Stromdichte, und verursachen

on zusätzliche Kosten. Beim Verfahren nach der DE-OS 28 19 856 ist es z.B. erforderlich, ein ganz bestimmtes Verhältnis von Metalloxid zu Bor einzuhalten, da bei einem Überschuß an Bor keine Carbid-, sondern eine Boridschicht gebildet wird. Bei einem Unterschuß an Bor wird ebenfalls keine Carbidschicht gebildet, da die Reduktionswirkung nicht ausreicht.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Vanadiumcarbidschichten auf Eisen und Eisenlegierungen mit einem Gehalt von mindestens 0,1 Gew$ Kohlenstoff zu finden, durch Behandlung der Werkstücke bei 800 bis 1100°C in einem Salzbad, das 1-30 Gew# Vanadium- oder Ferrovanadinpulver enthält, ohne Anwendung, von Strom und mit einer niederviskosen, wenig aggressiven

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!Salzschmelze.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß 5das Salzbad aus Erdalkali- und/oder Alkalihalogenxden besteht. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß man auch ohne Verwendung bor- bzw. boroxidhaltiger Schmelzen Vanadincarbidsch.ich.ten ausgezeichneter Qualität erhält, wenn geschmolzene Erdalkali- und/oder Alkalihalogenide, insbesondere in Form ihrer Chloride und/oder Fluoride, zur Aktivierung des festen Vanadierungsmittels ^Ferrovanadin- oder Vanadiumpulver) eingesetzt werden. Die aktivierende ¥irkung besteht darin, daß eine direkte Festkörperreaktion zwischen dem Vanadierungsmittel und der zu beschichtenden Werkstoffoberfläche ermöglicht wird.

«η Das mit der Werkstoffoberfläche in Kontakt tretende Vanadium reagiert mit dem Kohlenstoff des Substratmaterials unter Ausbildung einer geschlossenen, gleichmäßigen, festhaftenden Vanadincarbid-Schicht.

Vorzugsweise verwendet man als Salzschmelze Bariumchlorid, dem man vorteilhafterweise noch 1-50 Gew$ Natriumchlorid zugeben kann. Zur Erzielung eines gleichmäßigen Vana-

dinangebotes hat es sich als vorteilhaft erwiesen, ein möglichst feinkörniges Ferrovanadinpulver zu verwenden und dieses möglichst homogen in der Schmelze zu verteilen.

Dies kann z.B. auf mechanische Weise durch einen lei-35

stungsfähigen Rührer erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, zur Verteilung einen Inertgasstrom

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durch die Schmelze zu leiten. Durch Verwendung einer Ringdüse, die entsprechend der Größe des Tiegels und der Menge an Schmelze mit speziell angeordneten Gasaus- ^ trittsöffnungen versehen ist, vird eine sehr gleichmäßige Verteilung des Vanadierungsmittels erzielt.

Diese bevorzugte Verfahrensweise hat den weiteren Vorteil,

daß an der Badoberfläche ein Schutzgasschleier entsteht,

der den Zutritt von Luftsauerstoff zu dem oxidationsempfindlichen Vanadierungsmittel vermindert. Dadurch ._ wird die Lebensdauer des Bades beträchtlich erhöht.

Die:, erfindungsgemäße Schmelze weist gegenüber den bekannten Schmelzen eine Reihe von Vorteilen auf. Sie ist auch bei niedrigen Bestrahlungstemperatüren dünnflüssig, wodurch die Salzausschleppverluste gering sind. Die anhaftenden Salzreste lassen sich durch Abwaschen leicht entfernen. Da Korrosionsangriffe wegen des neu-

tralen Verhaltens der Salze nicht auftreten , können zur Aufnahme der Schmelzen Tiegel aus relativ billigem Flußstahl verwendet werden.

In der Praxis können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren

innerhalb von 2-k Stunden je nach Temperatur und Kohlenstoffgehalt des Grundwerkstoffs Schichtdicken von 2-16 um oc erzielt werden.

Folgende Beispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern:

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Beispiel

In einem Flußstahltiegel von 18 cm Durchmesser und 30 cm Tiefe wird ein Gemisch, aus 19 kg Bariumchlorid, 1 kg Natriumchlorid" und 1 kg Ferrovanadin mit einer Korngröße

kleiner als 15Oyüm aufgeschmolzen und auf eine Temperatur 10

von 95O°C erwärmt. Das Ferrovanadinpulver wird mit Hilfe

eines Rührers homogen in der Schmelze verteilt. Ein ¥erkstück aus Stahl Ck 6O wird in diesem Bad k Stunden behandelt und an Luft abgekühlt. Die metallographische _ις Untersuchung zeigt, daß sich eine ca. 10 pm dicke, homo-

IJ i

gene und glatte Schicht an der Oberfläche gebildet hat. Diese kann röntgenographisch als Vanadincarbid (VC) identifiziert werden. 20

Beispiel 2

In gleicher Weise wie in Beispiel 1 werden 20 kg BaCl₂

aufgeschmolzen und mit 3 kg Ferrovanadinpulver versetzt,

Die Temperatur wird auf 1050°C eingestellt. Bei Behandlung einer Probe aus X155CrV.Mot2 ib. dieser Schmelze wird 30

nach 2 Stunden an der Oberfläche eine ca. 8 um dicke, gleichmäßige und homogene Vanadincarbidschicht erhalten.

Beispiel 3

In einem Flußstahltiegel von 18 cm Durchmesser und 30 cm Tiefe wird ein Geraisch aus 18 kg BaCl₂, 2 kg NaCl und 1 ,5 kg Ferrovanadin mit einer K_orngräße unter 50 um auf-

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geschmolzen und auf 93O°C erwärmt. Durch die Schmelze wird ein Stickstoffstrom von 80 Ltr./h geleitet. Eine 3 Stunden lang darin behandelte Probe aus Ck 60 zeigt eine Vanadincarbidschicht von 6 tun Dicke.

Beispiel k

Vie in Beispiel 3 vird ein Gemisch aus 10 kg BaCl-, 5 kg üF, 3,6 kg NaF und 2,k kg Ferrovanadinpulver aufgeschmolzen und auf 85O⁰C erwärmt. Durch die Schmelze wird ein Argonstrom von 60 Ltr./h geleitet. Proben aus 100 Cr 6 weisen nach 6 Stunden Behandlungsdauer Vanadincarbidschichten von k-5 Aim Dicke auf.

^ Beispiel 5

Bei analoger Arbeitsweise wie in Beispiel 3» wobei anstelle von Ferrovanadin reines Vanadinpulver verwendet 25

wird, erzielt man auf Stahl 3k CrMo^ nach k Stunden Behandlungsdauer eine Vanadincarbidschicht von k um Dicke, auf Stahl Ck^ eine Schicht von 6 yum Dicke.

Die erzeugten Schichten sind stets dicht, gleichmäßig

und glatt. Sie zeigen eine hohe närte I₁Ca.300OnV) und eine außerordentlich gute Abriebfestigkeit. 35

Reine Alkalihalogenidschmelzen sind für das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls verwendbar, doch sind die

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Bäder sehr dünnflüssig und dampfen bei Hoben Temperaturen ab, so daß ein Einsatz nur bei relativ niedrigen Temperaturen möglich ist.

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Claims

Degussa AG
6^50 Hanau 1

SO 195 DF

Patentansprüche

1/. Verfahren zur herstellung von Vanadincarbidschichten auf Eisen und Eisenlegierungen mit einem Gehalt von

mindestens 0,1 Gew$ Kohlenstoff durch Behandlung der 10

Yerkstücke bei 800 bis 1100°C in einem Salzbad, das 1-30Gew$> Vanadium- oder Ferrovanadinpulver enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Salzbad aus Erdalkali- und/oder Alkalihalogeniden besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als halogenide Chloride und/oder Fluoride verwendet

werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Salzbad- Bariumchlorid verwendet wird.
. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich* net, daß dem Salzbad 1-50 Gev$ Natriumchlorid zugesetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis h_t dadurch gekennzeichnet, daß das Vanadium- bzw. Ferrovanadinpulver homogen in der Salzschmelze verteilt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeich-

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net, daß ein Inertgasstrom in die Salzschmelze eingeleitet wird.

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