DE736129C - Verfahren zur Oberflaechenveredelung von Werkstuecken - Google Patents

Description

• Verfahren zur Oberflächenveredelung von Werkstücken - Für die Oberflächenveredelung von metallischen Werkstücken durch Eindiffundieren eines anderen Metalls. wird im allgemeinen so vorgegangen" daß das Werkstück in dem. in -fester, beispielsweise in Pulverform- vorliegenden einzudiffundierenden Metall oder einer Legierung dieses Metalls mit dem Grundmetall des Werkstückes eingebettet erlützt wird: Nur in besonders :gelagerten Fällen 'hat man das zu veredelnde Werkstück mit dein einzudiffundierenden Bestandteil in Gasform, behandelt. - Im allgemeinen erhält man jedoch,. wie Versuche gezeigt haben, bei der Behandlung von Werkstücken mit dem Dampf eines einzudiffundierenden Metalls spröde Schichten, die zum Abblättern neigen und leicht verletzlich sind.
• Es ist bekannt, daß Oberflächenschichten nur dann mit dem Grundmetall innig verbunden sind und. fest auf demselben haften, wenn das Grundmetall imstande ist; mit dem einzudiäuindierenden Metall Mischkristalle zu bilden; und es ist nun weiterhin erkannt worden, daß die Oberflächenschichten bei der Diffusionstemperatur nur aus: solchen Mischkristallen bestehen dürfen. Wird aber bei :der Diffusionstemperatur :auf der Oberfläche des zu veredelnden Werkstückes nicht. ausschließlich die Mischkristallphase, sondern auch noch eine weitere, die einer intermetallischen Verbindung zukommt, bzw. nur :eine solche gebildet, so findet ein-- feste Verbin Jung der Oberfläche mit dem Grundmetall nicht statt, sie ist also spröde und leicht verletzlich und neigt zum Abblättern. Vor` aussetzung für die Erzeugung von innig mit dem Grundmetall des Werkstücks verbundenen Oberflächenschichten durch Eindiffundieren von gasförmigen Legierungsmetallen ist, wie weiter gefunden wurde, die Einhaltung eines bestimmten Dampfdruckes des einzudiffundierenden Metalls in der das Werkstück umgebenden Atmosphäre. Überschreitet nämlich der Dampfdruck in der -umgebenden Atmosphäre einen zogleich zu definierenden Wert, so werden auf der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes Schichten gebildet,.deren. Zusammensetzung nicht, mehr der Phase des Grundmetalls entspricht.
• Erfindungsgemäß soll der Dampfdruck der einzudiffundierenden. Komponente in der das Werkstück umgebenden Atmosphäre nicht größer sein als derjenige Dampfdruck, den diejenige. Phase, der die die zu erzeugende Oberflächenschicht bildende Legierung ,angehört, in bezug auf die eindiffundierende Komponente bei der Behandlungstemperatur höchstens erreichen kann: Eine nachträgliche etwa beim Erkalten in einer bei der Diffusionstemperatur homogen entstandenen Schicht eintretende Ausscheidung einer neuen Phase (Ausscheidungshärtung) führt nicht zum Abspringen -der :erfindungsgemäß erzeugten Schicht.
• Von Bedeutung ist diese Erkenntnis für die Herstellung von Oberflächenschichten, die aus zwei oder mehreren Metallen bestehen, die nach dem Zustandsdiagramm der entsprechenden binären bzw. komplexen Systeme in mehreren Phasen verbunden auftreten können. Ist das Metall A, das das Grundmetall des Werkstücks bildet, imstande, mit dem einzudiffundierenden Metall B Legierungen zu bilden, die verschiedenen Phasengebieten angehören, beispielsweise Legierungen, bestehend aus der Phase a (feste Lösungen von B in A), und auch solche, bestehend aus ",der Phase ß (beispielsweise einer .festen Lösung des Grundmetalls A, in einer Verbindung Ax, By) ... und endlich auch solche, bestehend aus einer Phase ¢ (feste Lösungen von A in B), so ist der Dampfdruck bei einer vorgegebenen Temperatur für die verschiedenen Phasen verschieden, und zwar steigt er innerhalb des Existenzgebietes der einzelnen Phasen allein mit zunehmender Konzentration derselben an ,ß und bleibt ohne Rücksicht auf die Konzentration von B korstallt innerhalb derjenigen Gebiete, in denen zwei verschiedene Phasen (beispielsweise a+ß, -oder ß+γ... oder s-; ¢) koexistieren.
• -Äuf den vorstehend geschilderten Erkennt Bieren .eines anderen- räumlich vom Werkstück getrennten Metalls in Gasform, bei dem der Dampfdruck der einzudiffundierenden Komponente in der das Werkstück umgebenden Atmosphäre ebenso groß ist wie derjenige Dampfdruck, den die Phase, der die die zu erzeugende Oberflächenschicht bildende Legierung angehört, in bezug auf die eindiffundierende Komponente bei der Y Behandlungstemperatur höchstens erreichen kann.
• Die Durchführung dieses Verfahrens kann auf verschiedene Weise erfolgen: Man kann beispielsweise den gewünschten Dampfdruck -der einzudiffundierenden Komponente B dadurch erzeugen, daß man eine Legierung, die die durch Diffusion auf dem Werkstück herzustellende Phase als Gefügebestandteil enthält;. auf die gleiche Temperatur erhitzt; :auf die auch das Werkstück gebracht wird. Man kann aber 'auch als Spendenmetall eine beliebige .an der einzudiffundierenden Komponente reichere Legierung oder sogar die reine Komponente selbst wählen; wenn man dafür sorgt, daß das Spendenmetall auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der der Dampfdruck des Spendermetalls in bezug auf die einzudiffundierende Komponente der Bedingung gemäß Erfindung entspricht. Diese Temperatur wird naturgemäß niedriger sein müssen als diejenige, auf die Blas zu behandelnde Werkstück gebracht wird.
• Ein Nachteil des erstgenannten Verfahrens in praktischer Beziehung ist unter Umständen darin zu erblicken, daß bei fortschreitender Verarmung des Spendermetalls an der in das Werkstück einzudiffundierenden Komponente früher oder später in ihm eine Konzentration in bezug auf die letztere erreicht wird, bei der eine weitere Verdraxnpfüng, der Komponente nicht mehr stattfindet, da das Gleichgewicht der umgebenden Atmosphäre sowohl mit dem Werkstück als auch mit dem Spendenmetall erreicht ist; es wird also dann zwecks Fortsetzung des Verfahrens eine Erneuerung bzw. Auffrischung des Spendenmetalls :erforderlich. Dieser Nachteil wird durch das zweitgenannte Verfahren vermieden: Zwar findet auch hier eine allmähliche Verarmung des Spendenmetalls in bezug auf die einzudiffundierende Komponente statt; der für Fortsetzung des Verfahrens erforderliche Dampfdruck in Bezug auf das letztere kann jedoch durch @entsprechende Steigerung der Temperatur des Spendermetalls stets wiederhergestellt werden.
• Soweit die zur . Durchführung :des beschriebenen Verfahrens in: seiner zweiten Aus-' erforderliche Kenntnis .'-der Dampfdrucke -nicht ,aus bestehenden Veröffentlichungen :entnommen werden kann, muß die Temperatur, auf die 'das Spendermetall jeweils . zu erhitzen ist, durch Probieren :ermittelt werden. Zu diesem Zwecke wird bei konstant gehaltener Temperatur des Werkstücks das Spendenmetall fortschreitend auf höhere Temperaturen erhitzt und das Werkstück von Zeit zu Zeit -zwecks: Untersuchung der gebildeten Oberflächenschicht aus der Apparatur entnommen. Beginnt sich auf Bern Werkstück eine spröde, leicht abblätternde Schicht zu bilden, so ist dies ein Zeichen dafür, daß die. für die Erhitzung des: Spendenmetalls zuletzt gewählte Temperatur bereits zu 'hoch war. Beispiele -i. Zwecks Erzeugung einer harten, festhaftenden, zinnhaltigen Oberflächenschicht aus a-Bronze ,auf einem Werkstück aus Kupfer wird das Werkstück zusammen mit -einer Cu-Sn-Legierung, die 23 Gewichtsprozent Zinn enthält, in einem luftleer gemachten Rohr aus Quarzglas während- 6o Stunden auf 745' erhitzt. Eine Berührung der Kupferprobe mit dem Spendenmetall ist dabei zu vermeiden. Die Temperatur liegt dicht unterhalb der Temperatur, bei der nach denn Zustandsdiagramm die flüssige Phase aufzutreten beginnt. Unter den Versuchsbedingungen verdampft- aus dem Spendermetall zunächst so viel Zinn, bis zwischen dem Spendermetall und- der es umgebenden Atmosphäre in Bezug -auf 'den Dampfdruck des Zinns Gleichgewicht erreicht ist. Das Zinn diffundiert nun unter Bildung des bei der Versuchstemperatur gesättigten a-Mischkristalls (i 3, 9 % Zinn) - aus der' Gasphase in das reine Kupfer 'hinein, wobei die Tiefe der ,bildeten Schicht von der Versuchsdauen abhängig ,ist. Das Kupferstück ist nach der Behandlung vollständig glatt, hat seine ursprüngliche Form beibehalten, und: nur die Farbe des Kupfers ist in das helle Rot der Bronze Übergegangen. Die Härte des Werkstücks aus Kupfer ist durch die Behandlung beträchtlich gestiegen: mach der Methode von Vickers, die sich für die Bestimmung der Härte dünner Schichten .eignet, ermittelt, ist die Härte von 43,9 kg/mm2 für reines Kupfer auf 9ö kg/mm2 ,gestiegen.
• Führt man den Versuch dagegen unter sonst gleichen Bedingungen mit reinem Zinn als Spendenmetall durch, so bildet sieh auf der Kupferprobe eine Kupfer-Zinn-Legierung, deren Zusammensetzung schwankt und jedenfalls nicht der a-Phase .entspricht. Die Form der Probe ist nach der Behandlung wesentlich verändert, -die gebildete Schicht weist eine metallisch graue Farbe auf, sie ist spröde und blättert leicht ab.
• z. In ;einem beiderseits geschlossenen und luftleer gemachten Quarzrohr . ist an einem Ende ein Werkstück aus Kupfer, _ am anderen Ende dagegen ein Stück reinen Zinks angeordnet. Das das kupferne Werkstück enthaltende Ende wird auf eine Temperatur von 85o°- erhitzt. Das das reine Zink enthaltende Ende des Rohres wird dagegen auf -eine Temperatur von 702' erhitzt, bei. der der Zinkdampfdruck etwa 62 mm Hg/abs. beträgt. Dieser Zinkdampfdruck entspricht dem Dampfdruck, bezogen auf Zink, " 'an der oberen Grenze- des -Existenzbereichs der a-Phase .im Zustandsdiagramm Cu-Zn, bei 85o° (vgl. Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 44 [1938]> S-98 bis 102, insbesondere Fig.3). Es bildet sich -demzufolge ,auf der Oberfläche des kupfernen Werkstückes eine an Zink gesättigte Schicht aus a-Mischkristallen, die auf dem Werkstück fest haftet, ohne daß dessen ursprüngliche Form verändert wird.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Oberflächenveredelung von metallischen Werkstücken durch Eindiffundieren. eines anderen, räumlich vom Werkstück getrennten Metalls in Gasform; wobei das Spendenmetall und das Grundmetall nicht :ausschließlich Mischkristalle bilden,, dadurch gekennzeichnet, daß in der das Werkstück umgebenden Atmosphäre ein Dampfdruck der eindiffundierenden Komponente aufrechterhalten. wird, der höchstens ebenso groß ist wie- derjenige Dampfdruck, den die Mischkristallphase des Grundmetalls und des Spendenmetalls in Bezug auf die eindiffundierende- Komponente bei der Behandlungstemperatur des Grundmetalls höchstens erreichen kann.
2. 2. Ausführungsform des Verfahrens nach: Anspruch idadurch gekennzeichnet, daß der Dampfdruck der einzudiffundierenden Komponente in der das Werkstück umgebenden Atmosphäre durch Erhitzen einer Legierung des Werkstückgrundmetälls mit dem .einzudiffundierenden Metall ,erzeugt wird, die die -durch Diffusion auf dem ,Werkstück herzustellende Phase .als Gefügebestandteil. enthält, wobei die Spendenlegierung auf die gleiche Temperaturerhitzt wird, auf die auch das. Werkstück gebracht wird.
3. 3. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch a, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfdruck der einzudiffundierenden Komponente .in der das Werkstück um; gebenden Atmosphäre durch Erhitzen beliebigen an ,der einzudiffundierenden Komponente reichen Legierung oder der reinen Komponente selbst erzeugt wird, wobei die Legierung bzw. die reine Komponente auf :eine Temperatur erhitzt wird, bei der der Dampfdruck in bezug auf die einzudiffundierende Komponente ebenso "'eindiffundierende Komponente bei der Behandlungstemperatur des Grundmetalls höchstens erreichen kann.