CH396563A - Verfahren zur Oberflächenvergütung von Metallgegenständen und nach dem Verfahren hergestellter Metallgegenstand - Google Patents

Description

  Verfahren     zur        Oberflächenvergütung    von Metallgegenständen und nach dem     Verfahren          hergestellter    Metallgegenstand    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein  Verfahren zur Oberflächenvergütung von Metallge  genständen und auf einen nach dem Verfahren her  gestellten Metallgegenstand. Insbesondere ist das  Verfahren anwendbar für die Oberflächenvergütung  von Gegenständen aus Eisen oder Eisenlegierungen.  



  Unter den bekannten Verfahren zur Oberflächen  vergütung von Gegenständen aus Metallen und Me  tallegierungen, insbesondere solchen aus Eisen und  Eisenlegierungen, sind auch sogenannte     Diffusions-          behandlungen    bekanntgeworden, bei welchen ein  Fremdstoff in die Oberfläche der betreffenden Me  tallgegenstände eindiffundiert wird. Beispielsweise.  ist die Anreicherung der Oberfläche von Gegen  ständen aus Metall bzw.

   Metallegierungen mittels  eindiffundiertem Stickstoff bereits für viele Zwecke  angewendet worden, sei es unter Verwendung eines       Ionenbombardement    in einer elektrischen Gas- und  Glimmentladung, besonders für Eisen- und Bunt  metall-Gegenstände, sei es durch die sogenannte ther  mische     Gasnitrierung    bei Teilen aus Eisen und Eisen  legierungen. Durch die Anreicherung der Metall  oberfläche mittels eindiffundiertem Stickstoff wird  bekanntlich bei Gegenständen aus Eisen und Eisen  legierungen eine bedeutende Steigerung der Ober  flächenhärte erzielt, wobei die     Eindringtiefe    des Stick  stoffs meist 0,5 mm nicht überschreitet.  



  Ausser der sogenannten Diffusionsbehandlung von  Metalloberflächen ist aber auch die thermische Här  tung der     Oberfläche    und einer relativ dünnen, meist  wenige     Millimeter    nicht überschreitenden Oberflä  chenzone bekanntgeworden, bei welchem Verfahren  die meist auf Raumtemperatur befindlichen Metall  gegenstände kurzzeitig auf relativ hohe Temperaturen  in der Grössenordnung von 800-1000  C erhitzt wer  den, vorzugsweise durch Induktionserhitzung, durch         Flammenerhitzung    oder auf andere geeignete Weise.

    Wird diese Erhitzung sehr intensiv und nur kurz  zeitig durchgeführt bzw. sofort anschliessend eine  rasche Abkühlung bewirkt, so lässt sich, beispiels  weise bei einer grossen Zahl von Eisenlegierungen,  eine gegenüber dem     Kernmaterial    wesentlich härtere  Oberflächenzone schaffen.  



  Bei der Untersuchung dieser beiden obengenann  ten, für sich alleine bekannten Verfahren der Ober  flächenvergütung hat sich nun gezeigt, dass ein we  sentlicher Fortschritt dann erzielbar ist, wenn die  beiden Verfahren miteinander kombiniert werden.  



  Die     vorliegende    Erfindung betrifft ein Verfahren  zur Oberflächenvergütung von Metallgegenständen  und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Metall  gegenstände sowohl einer Diffusionsbehandlung, bei  der ein Fremdstoff in die Oberflächen der Metall  gegenstände eindiffundiert wird, als auch einer ther  mischen Oberflächenhärtung unterzogen werden.  



  Ferner betrifft die Erfindung einen Metallgegen  stand, hergestellt nach diesem Verfahren und ver  sehen mit einer gehärteten Oberfläche, gekennzeich  net durch eine mit Fremdstoffen angereicherte Dif  fusionszone und eine tiefer reichende und gegen  über dem Kernmaterial vorwiegend thermisch ge  härtete zweite Zone.  



  Das obengenannte Verfahren ist besonders für  Waffenrohre aus Eisen und eisenhaltigen Legierungen       mit    einer durch     Nitrierung    gehärteten Oberflächen  schicht vorteilhaft anwendbar, wobei mindestens Tei  le der Innenwandung der Waffenrohre nitriert und  innerhalb einer vorbestimmten Tiefe thermisch ge  härtet werden.  



  Die vorliegende Erfindung ist nachstehend in  einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert.      Bei der Herstellung von Metallkörpern aus Eisen  und Eisenlegierungen mit einer durch     Nitrierung     gehärteten     Oberflächenschicht    reicht diese durch ein  diffundierten Stickstoff erzeugte gehärtete Zone meist  nur einige     Zehntelsmillimeter,    kaum mehr als 0,5  mm tief, in den Gegenstand hinein. An die derart  gehärtete Oberflächenzone schliesst sich dann das  weniger harte,     ungeänderte    Kernmaterial an.

   Be  sonders bei der sogenannten thermischen     Gasnitrie-          rung    kann häufig ein relativ scharfer     übergang     zwischen der harten     Oberflächenschicht    und dem  Kernmaterial beobachtet werden, auf welche Er  scheinung meist die grosse Sprödigkeit solcher ther  misch erzeugten     Nitrierschichten        zurückgeführt    wird.  



  Bei der beispielsweise in den Patentschriften     Nrn.     355 233 und 373 484 näher beschriebenen elektri  schen     Nitrierung    durch ein     Ionenbombardement    in  einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre mittels elek  trischer Gas- und Glimmentladungen kann zwar ein  sehr     allmählicher    Übergang von der durch     eindif-          fundierten    Stickstoff gehärteten äusseren Randzone  zum unveränderten Kernmaterial geschaffen werden  und eine praktisch splitterfeste,     duktile        gehärtete     Oberfläche erzeugt werden, jedoch ruht die harte  und zähe Oberfläche nach wie vor auf dem weniger  harten,

   weil     ungeänderten    Kernmaterial. Bei be  stimmten Beanspruchungen ist deshalb ein soge  nanntes  Einbrechen  der mechanisch stark belaste  ten     harten        Oberfläche    in das weichere Kernmaterial  zu beobachten.  



  Die Erscheinung des sogenannten Einbrechens  könnte natürlich dadurch weitgehend beseitigt wer  den, indem eine     Stickstoffanreicherung    bis in eine  Tiefe von etwa 2 mm vorgenommen wird, was  besonders bei der elektrischen     Glimmnitrierung     durchaus möglich ist. Diese Massnahme würde aber  eine sehr lange Behandlungszeit von beispielsweise  60 bis 100 Stunden für jeden zu härtenden Gegen  stand notwendig machen, weshalb in der Praxis  eine grössere     Nitriertiefe    als etwa 0,4 bis 0,6 mm  kaum angewendet wird.  



  Die gleiche Verbesserung lässt sich jedoch sehr  viel einfacher und mit nur geringem Zeitaufwand  gemäss dem vorliegenden Verfahren erzielen. Hierbei  wird z. B. ausser der     Nitrierung    mittels eindiffun  diertem Stickstoff auch eine     thermische    Härtung  einer     Oberflächenzone    vorbestimmter Tiefe verwen  det, beispielsweise durch eine     Induktionshärtung    mit       anschliessender    rascher Abkühlung.     Mittels    einer sol  chen Induktionshärtung, einer     Flammenhärtung    oder  mittels anderer bekannter Verfahren lässt sich eine  thermische Härtung einer Oberflächenzone von bei  spielsweise 2 mm Tiefe unschwer verwirklichen.

   Hier  zu ist meist nur eine Erhitzung     während        weniger          Minuten    auf über 650  C, vorzugsweise auf 800  bis 1000  C, ausreichend, wenn die Erhitzung ge  nügend intensiv durchgeführt wird oder eine an  schliessende rasche Abkühlung erfolgt. Wie bekannt,  muss hierbei     vermieden    werden, dass das Kernmaterial  selbst auf höhere Temperaturen als einige 100  C    kommt.

   Durch die Kombination der beiden Ver  fahren, nämlich der thermischen Härtung einer Ober  flächenzone und der     Nitrierhärtung    der Oberfläche,  lassen sich Metallgegenstände herstellen, bei wel  chen die harte     Nitrierzone    an eine thermisch ge  härtete Materialzone anschliesst und diese dann in  das nicht gehärtete Kernmaterial übergeht. Zweck  mässigerweise wird die     Eindringtiefe    der thermischen  Härtung grösser als die     Eindringtiefe    des eindiffun  dierten Stickstoffes gemacht.  



  Das vorliegende Verfahren kann beispielsweise  derart durchgeführt werden, dass zuerst die betreffen  de     Metalloberfläche    mittels eindiffundiertem Stick  stoff mit einer gehärteten     Nitrierschicht    versehen  wird, wobei sowohl die übliche thermische     Gas-          nitrierung    als auch die elektrische     Nitrierung    durch  ein     Ionenbombardement    in einer stickstoffhaltigen  Gasatmosphäre anwendbar ist.

   Nach erfolgter Be  endigung der     Nitrierung,    die je nach der gewünschten  Tiefe der     Nitrierzone    zwischen 10 und 60 Stunden  betragen kann, wird das betreffende Werkstück lang  sam abgekühlt, bis es Raumtemperatur angenommen  hat. Anschliessend     erfolgt    eine thermische Härtung  einer Oberflächenschicht von beispielsweise 2 bis  3 mm Tiefe, indem die     Oberfläche    während einiger       Minuten    durch     Induktionsheizung    auf etwa 900  C  erhitzt wird.

   Handelt es sich um ein Werkstück  mit grosser Masse, so ist, bei genügend intensiver  und kurzzeitiger Erhitzung, eine anschliessende be  sondere Abkühlung nicht erforderlich, da die grosse  Wärmeleitung innerhalb des Metallkörpers dafür  sorgt,     däss    in einer Tiefe von über 2 bis 3 mm  das Kernmaterial höchstens einige 100  warm wird  und 400 bis     500 C    nicht überschreitet. Ist dagegen  ein Gegenstand mit relativ geringer Masse auf die  angegebene Weise     thermisch    zu härten, so empfiehlt  es sich, nach einigen Minuten Erhitzung der Ober  fläche, den Gegenstand in einem     Wasser-.    oder Öl  bad rasch abzukühlen.

   Ein auf diese Weise her  gestellter Metallkörper zeichnet sich dadurch aus,  dass er von der Oberfläche aus in vorbestimmte  Tiefe mit Fremdstoffen, hier also mit Stickstoff,  angereichert ist, an welche Diffusionszone sich eine  tiefer reichende thermisch gehärtete zweite Zone  anschliesst, die in das unveränderte Kernmaterial  übergeht. Wird für das     Eindiffundieren    des Stick  stoffs eine Temperatur unterhalb von 650 C, vor  zugsweise von 450-580 C, angewendet und für die  thermische Härtung die Erhitzung auf über 650 C,  vorzugsweise auf 800 bis 1000 C, vorgenommen,  so ergibt sich eine Oberflächenvergütung des be  treffenden Eisen- bzw.

   Stahlkörpers, bei der auch  eine punktweise Belastung der harten Oberfläche       mittels    sehr hoher Drücke kein  Einbrechen  der  harten     Nitrierschicht    mehr beobachtet werden kann.    Das vorliegende Verfahren kann im Prinzip aber  auch umgekehrt     ausgeführt    werden, indem die zu  vergütende Eisen- bzw. Stahloberfläche zuerst auf  eine vorbestimmte Tiefe thermisch gehärtet wird,  an welchen Vorgang sich dann die Diffusionsbe-           handlung    in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre, sei  es durch thermische     Gasnitrierung    oder durch elek  trische     Glimmnitrierung,    anschliesst.

   In der     Praxis     hat sich jedoch die erstgenannte Reihenfolge der  beiden Behandlungen besser bewährt als die letzt  genannte Reihenfolge.  



  Es muss hier besonders betont werden, dass die  beschriebene thermische Härtung einer relativ dün  nen Oberflächenzone von nur einigen     Millimetern     Tiefe von dem sogenannten      Anlasseng>    unterschie  den werden muss. Beim bekannten     Anlassverfahren     wird nicht nur die Oberflächenzone, sondern das  gesamte Kernmaterial auf eine vorbestimmte Tem  peratur gebracht und erfährt dadurch eine Um  wandlung, meist eine grössere Festigkeit oder Härte.  Beim vorliegenden Verfahren bleibt dagegen das  Kernmaterial praktisch urgeändert, behält also seine  mechanischen Eigenschaften, während lediglich eine  dünne Oberflächenzone von einigen Millimetern Tiefe  in ihrer Festigkeit geändert wird und als Träger  schicht für die     Nitrierzone    dient.

   Das vorliegende  Verfahren wird mit besonderem Vorteil für die Ober  flächenvergütung der Innenwandung von Geschütz  rohren oder anderen Waffenrohren angewendet. Für  derartige Waffenrohre hat sich bereits die elektrische       Glimmnitrierung,    beschrieben im Patent Nr. 308 295  besonders bewährt, da die sehr harte, aber zähe  und     duktile    nitrierte Oberfläche eine bedeutende  Verringerung des Verschleisses der     Rohrinnenwan-          dung    beim Schiessvorgang ergibt. Für derart nitrierte  Waffenläufe kann eine weitere Verbesserung durch  Behandlung der Innenwandung gemäss dem oben  beschriebenen Verfahren erzielt werden.

   Vorzugs  weise wird hierzu nach erfolgter     Nitrierung    der  Innenwandung und Abkühlung des betreffenden Waf  fenrohres eine kurzzeitige, aber intensive Erhitzung  der Innenwandung erfolgt. Beispielsweise kann zu  diesem Zweck eine Induktionsspule- mit vorbestimm  ter Geschwindigkeit durch das Waffenrohr hindurch  geführt und dabei mit Mittel- oder Hochfrequenz  strom derart gespeist werden, dass an den jeweils  der Spule benachbarten Stellen der Innenwandung  die Oberfläche auf eine Temperatur erhitzt wird,  die beim jeweils vorliegenden Werkstoff des Rohres  eine thermische Härtung einer Oberflächenschicht  von wenigen Millimeter .Tiefe bewirkt.

   Bei genügend  intensiver Erregung der Induktionsspule kann die       Durchlaufgeschwindigkeit    derselben durch das Waf  fenrohr derart bemessen werden, dass tatsächlich  nur eine Oberflächenzone an der Innenwandung ge  härtet wird, während das anschliessende Kernmaterial  unverändert bleibt. Falls erwünscht, kann auf diese  Weise auch nur ein Teil des Waffenrohres an seiner  Innenseite zusätzlich vergütet werden, beispielsweise  der dem Patronenlager benachbarte, besonders hoch  beanspruchte Teil des Waffenrohres.  



  Das vorliegende Verfahren ist oben für solche  Ausführungsbeispiele beschrieben, bei welchen Ge  genstände aus Eisen oder Eisenlegierungen, beispiels  weise Waffenläufe durch eindiffundierten Stickstoff    an der Oberfläche     nitriert    und ausserdem thermisch  gehärtet werden.

   Das Verfahren ist aber keineswegs  hierauf beschränkt, sondern lässt sich auch für Ge  genstände aus anderen Metallen und Metallegierun  gen verwenden, beispielsweise für     Buntmetalle.    Ins  besondere bei Verwendung einer elektrischen     Gas-          und    Glimmentladung zum     Eindiffundieren    eines  Fremdstoffes in eine Metalloberfläche in einer den  betreffenden Fremdstoff enthaltenden Gasatmosphäre  kann eine     Oberflächenvergütung    von Buntmetallen,  wie Kupfer, Aluminium usw., erfolgen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Oberflächenvergütung von Me tallgegenständen, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallgegenstände sowohl einer Diffusionsbehand lung, bei der ein Fremdstoff in die Oberflächen der Metallgegenstände eindiffundiert wird, als auch einer thermischen Oberflächenhärtung unterzogen werden. Il. Metallgegenstände, hergestellt nach dem Ver fahren gemäss Patentanspruch I, versehen mit einer gehärteten Oberfläche, gekennzeichnet durch eine mit Fremdstoffen angereicherte Diffusionszone und eine tiefer reichende und gegenüber dem Kern material vorwiegend thermisch gehärtete zweite Zone.

   III. Anwendung des Verfahrens nach Patent anspruch I auf Waffenrohre aus Eisen oder eisen haltigen Legierungen mit einer durch Nitrierung ge härteten Oberflächenschicht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Teile der Innenwandung der Waffen rohre nitriert und thermisch gehärtet werden. UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Metall gegenstände zuerst diffusionsbehandelt und anschlie ssend thermisch oberflächengehärtet werden. 2.

   Verfahren nach Patentanspruch I zur Ober flächenvergütung von Gegenständen aus Eisen oder Eisenlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberfläche Stickstoff eindiffundiert wird. 3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Induktionserhitzung thermisch oberflächengehärtet wird. 4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Oberflächenerhitzung thermisch oberflächengehärtet wird. 5.

   Verfahren nach Patentanspruch I zur Ober flächenvergütung von Gegenständen aus Eisen oder Eisenlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberflächen oder Metallgegenstände Stickstoff eindiffundiert wird und eine gehärtete nitrierte Ober fläche gebildet wird, deren Tiefe geringer als die jenige der thermisch oberflächengehärteten Zone ist. 6. Verfahren nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst die Nitrierung und dann die thermische Oberflächenhärtung durchgeführt wird. 7.

   Verfahren nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Nitrierung der Ober- fläche durch ein Ionenbombardement in einer stick stoffhaltigen Gasatmosphäre mittels einer elektrischen Gas- und Glimmentladung bei einer 650 C nicht übersteigenden Temperatur durchgeführt und dann die Oberfläche kurzzeitig auf über 650 C erhitzt wird. B. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Oberflächenhär tung durch Erhitzung während einiger Minuten auf über 600 C und anschliessende rasche Abkühlung durchgeführt wird. 9.

   Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass bei der thermischen Oberflä chenhärtung die Erhitzung so kurzzeitig vorgenom men und die Abkühlung so rasch durchgeführt wird, dass eine höchstens einige Milimeter tiefe gehärtete Oberflächenschicht erzeugt wird. 10. Metallgegenstand nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch eine mit Stickstoff angereicher te Diffusionszone und eine tiefer reichende thermisch oberflächengehärtete Zone. 11.

   Metallgegenstand aus Eisen oder Eisenle gierungen nach Patentanspruch 1I, gekennzeichnet durch eine mit eindiffundiertem Stickstoff angerei cherte, gehärtete Oberflächenschicht und eine tiefer reichende, praktisch stickstofffreie Materialzone mit einer gegenüber dem Kernmaterial grösseren Härte.