Verfahren zur Oberflächenhärtung von Titan oder Titanlegierungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächen härtung von Titan oder Titanlegierungen.
Titan oder Titanlegierungen weisen grosse Festigkeit und geringes Gewicht auf, weshalb dieses Metall bzw. seine Legierungen vielfach in der Luft- und in der Raum fahrtindustrie, aber auch in mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Büromaschinen Anwendung finden.
Trotz der für manche Zwecke hervorragenden Eigen schaften des Titans und der Titanlegierungen erweisen sie sich wegen ihrer relativ geringen Verschleissfestigkeit dann als ungeeignet, wenn eine Verschleissbeanspruchung auftritt. Um dem entgegenzuwirken, hat man Titan und Titanverbindungen mit den verschiedensten Überzügen anderer Metalle versehen, um die Verschleissfestigkeit zu erhöhen. Versuche dieser Art führten jedoch bisher aus verschiedenen Gründen immer zu mehr oder weniger unbefriedigenden Ergebnissen.
In manchen Fällen ergab sich durch den Überzug nicht die gewünschte Härte und in anderen Fällen haftete der Übzrzug nicht fest genug am Basismetall, insbesondere dann, wenn das Material aus anderen Gründen vergütungsgeglüht und getempert wu rd e.
Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, zur Erzielung einer erhöhten Verschleissfestigkeit die Ober flächenhärte von Titan und Titanlegierungen zu verbes sern. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Chrom auf die zu härtende Oberfläche plattiert und an- schliessend durch Glühdiffusion oberflächlich in das Titan bzw. die Titanlegierung eindiffundiert wird.
Beispiele des erfindungsgemässen Verfahrens werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem die Härte werte einer gehärteten Titanlegierung in Abhängigkeit vom Abstand von der Oberfläche dargestellt sind.
Das Verfahren ist für metallisches Titan und Titan legierungen anwendbar. Hier und im folgenden wird von Titanlegierung gesprochen, wenn die Legierung minde stens 50 Gewichtsprozente Titan enthält, zum Beispiel also eine Legierung Titan - 6 Aluminium - 4 Vanadium (Ti -6Al-4V).
Titan und Titanlegierungen sind für schnellaufende Teile in Maschinen von höchstem Interesse. Eine Ti - 6 A1 - 4 V Legierung ist leicht und kann durch Hitze behandlung auf eine Festigkeit der Grössenordnung 12 X 10' kg/cm= gebracht werden. Die Verschleissfestig- keit von Titan und Titanverbindungen ist jedoch im allgemeinen unbefriedigend und unzureichend für An wendungen, bei denen eine Verschleissbeanspruchung auftritt.
Am Beispiel der erwähnten Legierung Ti - 6 Al - 4 V wird im weiteren das Verfahren zur Oberflächenhärtung näher erläutert. Ausgegangen wird von Probestücken, die die Form eines Rundstabes mit einem Durchmesser von ungefähr 0,6 cm haben. Die verwendete Legierung hat folgende Zusammensetzung:
EMI0001.0026
<I>Material</I>
<tb> Legierungsbestandteile <SEP> Gewichtsprozente
<tb> Aluminium <SEP> 6,3
<tb> Vanadium <SEP> 4,1
<tb> Eisen <SEP> 0,14
<tb> Kohlenstoff <SEP> 0,027
<tb> Sauerstoff <SEP> 0,196
<tb> Stickstoff <SEP> 0,016
<tb> Wasserstoff <SEP> 0,006
<tb> Titan <SEP> Rest Es sei hier erwähnt, dass die Probestücke auch die Form von Drucktypen oder anderen Maschinenelemen ten, die mit hoher Geschwindigkeit beansprucht werden und bei denen die Oberflächenhärte und die Verschleiss- festigkeit kritisch sind, haben können.
Vorbereitung (1) Die Titanlegierungsstäbe werden in einer HF -HNOs-Lösung chemisch poliert, um metallische Verun reinigungen von der Oberfläche zu entfernen. Durch dieses chemische Polierverfahren wird der Durchmesser der Probestücke geringfügig verringert.
(2) Als nächstes werden die Stäbe in einem kommer ziellen alkalischen Reinigungsmittel und in Leitungswas ser entfettet und gespült. (3) Anschliessend werden die Stäbe bei 30 C in der nachstehend angegebenen Lösung, der sie zwanzig Mi nuten ausgesetzt werden, nachpoliert:
EMI0002.0001
NH.,F/HF <SEP> <B><I>100</I></B> <SEP> g/1
<tb> H,SiF,; <SEP> (31A0) <SEP> 200 <SEP> ml/1
<tb> HNO:, <SEP> <I>(700J,)</I> <SEP> 400 <SEP> ml/1
<tb> <U>WO</U> <SEP> (destilliert) <SEP> auffüllen Nach dem Polieren werden die Probestücke in Leitungs wasser gespült.
(4) Weiterhin werden die Probestücke in einer Akti- vierungslösung [Eisessig 875 m1/1, Fluorwasserstoffsäure (48j,) 125 m1/1) bei etwa 50 C mittels eines Anoden stroms der Stromdichte 2 A!m=' unter Verwendung einer Titankathode aktiviert. Mit einer Äktivierungszeit von etwa zwei Mintttm erzielt man befriedigende Ergebnisse, insbesondczzre ein;. glatte Oberfläche.
Auch längere Akti- vientngszeiten von z.B. 40 Minuten sind möglich, führen jedoch zu einer rauhen Oberfläche.
Nach der Aktivierung werden die Probestücke wiederum in Leitungswasser gespült.
Plattierungg <I>mit Chrom</I> Im nächsten Verfahrensschritt werden die Titanlegie- rungsstäbe in einer Chromlösung elektrolytisch plattiert. Folgende Lösung hat sich als geeignet erwiesen:
EMI0002.0019
Chromsäure <SEP> (CrO.,) <SEP> 250 <SEP> g/1
<tb> Schwefelsäure <SEP> (H <SEP> <B>SO.,)</B> <SEP> 2,5 <SEP> g/1
<tb> destilliertes <SEP> Wasser <SEP> auffüllen
<tb> Die <SEP> weiteren <SEP> Bedingungen:
<tb> Temperatur <SEP> 55 C
<tb> Stromdichte <SEP> 30 <SEP> A/mz
<tb> Anoden <SEP> 93c/, <SEP> Pb <SEP> - <SEP> 7% <SEP> Sn
<tb> Plattierungsgeschwindigkeit <SEP> 25 <SEP> um <SEP> je <SEP> 100 <SEP> Min.
Anstelle dieser elektrolytischen Chromplattierung kanr, die Plattierung auch im Vakuum oder mittels anderer Verfahren vorgenommen werden. Wesentlich ist nur, dass sich eine fest haftende Plattierung der erforderlichen Stärke, die bis zu<B>12,5</B> ltm betragen kann, ergibt.
<I>GI ü</I> hdi <I>f f</I> crsion Nach der Chromplattierung werden die Probestücke einer Glühdiffusion unterzogen, indem man sie in ver siegelte Kapseln, die mit einem chemisch inaktiven Gas gefüllt sind, einbringt, und für eine bestimmte Zeit erhitzt und anschliessend abkühlt. Argon hat sich als Gasfül lung bewährt. Glühtemperaturen im Bereich von 870 C bis 1040 C sind bevorzugt.
Um die Wirksamkeit des Verfahrens unter verschie denen B.-dingun-en zu ermitteln, werden vier unterschied lich präparierte Prob-Stücke A. B. C und D untersucht.
Probestücke A und B, mit einer Chromschicht von <B>1,25</B> bzw. 2.50 um belegt, werden bei 925 C für 16 Stun den einer Glühdiffusion unterzogen, dann luftgekühlt, für eine halbe Stunde einer Vergütungsglühbehandlung bei 950 C ausg,-setzt, mit Wasser abgeschreckt und an- schliessend für 6 Stunden bei 540 C getempert und schliesslich luftgekühlt.
Probestücke C und D, mit einer 1,25 bzw. 2,50 um starken Chromschicht belegt, werden in einem Arbeits gang bei 950 C einer Glühdiffusion und einer Vergü- tungsglühbehandlung unterzogen; dieser Vorgang datiert 16 Stunden. Anschliessend werden die Probestücke in Wasser abgeschreckt und bei 540 C während 6 Stunden getempert und schliesslich luftgekühlt.
Die erzielten Härtewerte, für die Probestücke jeweils an drei Schnittebenen oder Traversen ermittelt. sind in der nachfolgenden Tabelle in Abhängigkeit vom Abstand von der Oberfläche angegeben. Bei den untersuchten Probestücken betrug die Dauer der Aktivierungsbehand- lung vor der Chromplattierung 40 Minuten.
EMI0002.0042
TABELLE
<tb> Härtewerte <SEP> in <SEP> Knoop-Härtegraden <SEP> (Khn) <SEP> bei <SEP> l0 <SEP> g <SEP> Belastung
<tb> Abstand <SEP> Probestück <SEP> A <SEP> Probestück <SEP> B <SEP> Probestück <SEP> C <SEP> Probestück <SEP> <B>D</B>
<tb> von <SEP> der <SEP> 1.25 <SEP> Et <SEP> m <SEP> Cr <SEP> 2.50 <SEP> 1t <SEP> m <SEP> Cr <SEP> <B>1.25 <SEP> [i</B>m <SEP> Cr <SEP> 2.50 <SEP> p <SEP> m <SEP> Cr
<tb> Oberfläche <SEP> Traverse <SEP> Nr. <SEP> Traverse <SEP> Nr. <SEP> Traverse <SEP> Nr.
<SEP> Traverse <SEP> Nr.
<tb> in <SEP> um <SEP> (I) <SEP> <U>(</U>2) <SEP> (3) <SEP> (1) <SEP> (2) <SEP> (3) <SEP> (1) <SEP> (2) <SEP> (3) <SEP> (1) <SEP> (2) <SEP> (3)
<tb> 6,3 <SEP> 673 <SEP> - <SEP> - <SEP> 638 <SEP> - <SEP> - <SEP> 511 <SEP> - <SEP> - <SEP> 577 <SEP> - <SEP> 12,7 <SEP> 691 <SEP> - <SEP> - <SEP> 577 <SEP> - <SEP> - <SEP> 591 <SEP> - <SEP> - <SEP> 535 <SEP> - <SEP> 25,4 <SEP> 709 <SEP> 656 <SEP> 638 <SEP> 577 <SEP> 638 <SEP> 729 <SEP> 563 <SEP> 489 <SEP> 577 <SEP> 489 <SEP> 535 <SEP> 549
<tb> 38,1 <SEP> 638 <SEP> - <SEP> - <SEP> 523 <SEP> - <SEP> - <SEP> 523 <SEP> - <SEP> - <SEP> 523 <SEP> - <SEP> 50,9 <SEP> 622 <SEP> 673 <SEP> 673 <SEP> 59<B>1</B> <SEP> 622 <SEP> 577 <SEP> 523 <SEP> 638 <SEP> 577 <SEP> 523 <SEP> 656 <SEP> 51<B><I>1</I></B>
<tb> 63,
5 <SEP> 606 <SEP> 638 <SEP> 673 <SEP> 622 <SEP> 591 <SEP> 622 <SEP> 563 <SEP> 489 <SEP> 549 <SEP> 656 <SEP> 591 <SEP> 563
<tb> 76,2 <SEP> 606 <SEP> 606 <SEP> 606 <SEP> 577 <SEP> 622 <SEP> 622 <SEP> 729 <SEP> 549 <SEP> 549 <SEP> 591 <SEP> 638 <SEP> 535
<tb> 88,9 <SEP> 549 <SEP> 577 <SEP> 591 <SEP> 523 <SEP> 563 <SEP> 549 <SEP> 656 <SEP> 622 <SEP> 656 <SEP> 656 <SEP> 563 <SEP> 563
<tb> 101,6 <SEP> 591 <SEP> 591 <SEP> 622 <SEP> 535 <SEP> 549 <SEP> 591 <SEP> 656 <SEP> 549 <SEP> 591 <SEP> 673 <SEP> 69<B>1</B> <SEP> 563
<tb> 114.3 <SEP> 549 <SEP> 577 <SEP> 622 <SEP> 638 <SEP> 638 <SEP> 577 <SEP> 563 <SEP> 563 <SEP> 577 <SEP> 577 <SEP> 591 <SEP> 622
<tb> 127,
0 <SEP> 622 <SEP> 591 <SEP> 535 <SEP> 770 <SEP> 673 <SEP> 489 <SEP> 523 <SEP> 622 <SEP> 577 <SEP> 591 <SEP> 638 <SEP> 563
<tb> 152.4 <SEP> 709 <SEP> 563 <SEP> 535 <SEP> 563 <SEP> 691 <SEP> 549 <SEP> 428 <SEP> 478 <SEP> 606 <SEP> 447 <SEP> 673 <SEP> 577
<tb> 177,8 <SEP> 489 <SEP> 5<B><I>1</I></B>1 <SEP> 549 <SEP> 503 <SEP> 638 <SEP> 622 <SEP> 549 <SEP> 523 <SEP> 606 <SEP> 428 <SEP> 563 <SEP> 511
<tb> 203,2 <SEP> 418 <SEP> 467 <SEP> 591 <SEP> 523 <SEP> 523 <SEP> 467 <SEP> 523 <SEP> 591 <SEP> 467 <SEP> 418 <SEP> 59<B>1</B> <SEP> 51<B><I>1</I></B>
<tb> 228,6 <SEP> 418 <SEP> 535 <SEP> 489 <SEP> 523 <SEP> 489 <SEP> 622 <SEP> 535 <SEP> 478 <SEP> 563 <SEP> 523 <SEP> 503 <SEP> 535
<tb> 254.0 <SEP> 503 <SEP> 511 <SEP> 549 <SEP> 503 <SEP> 447 <SEP> 489 <SEP> 591 <SEP> 535 <SEP> 467 <SEP> 418 <SEP> 606 <SEP> 503
<tb> 304,
8 <SEP> 457 <SEP> 447 <SEP> 591 <SEP> 503 <SEP> 535 <SEP> 622 <SEP> 489 <SEP> 59<B>1</B> <SEP> 549 <SEP> 447 <SEP> 591 <SEP> 535
<tb> 355,6 <SEP> 535 <SEP> 523 <SEP> 563 <SEP> 523 <SEP> 535 <SEP> 563 <SEP> 563 <SEP> 549 <SEP> 503 <SEP> 478 <SEP> 638 <SEP> 511
<tb> 406,4 <SEP> 437 <SEP> 523 <SEP> 511 <SEP> 577 <SEP> 535 <SEP> 523 <SEP> 467 <SEP> 563 <SEP> 577 <SEP> 378 <SEP> 591 <SEP> 511
<tb> 457.2 <SEP> 489 <SEP> - <SEP> - <SEP> 523 <SEP> - <SEP> 535 <SEP> 549 <SEP> - <SEP> - <SEP> 437 <SEP> - <SEP> 508,0 <SEP> 549 <SEP> 535 <SEP> 549 <SEP> 549 <SEP> 523 <SEP> 549 <SEP> 489 <SEP> 535 <SEP> 549 <SEP> 523 <SEP> 535 <SEP> 437 Die Härtewerte für das Probestück A sind in Abhän gigkeit vom Abstand von der Oberfläche in Fig. 1 aufge tragen.
Die Härtewerte sind in Knoop-Härtegraden (Khn) bei 10 g Belastung, der Abstand von der Oberfläche in mm (1 mm = 1000 #tm) angegeben.
Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Härte dicht unter der Oberfläche im Bereich von 700 Khn liegt und 0,2 mm unter der Oberfläche auf etwa 500 Khn abgefal len ist. Es ergibt sich also eine ausserordentlich grosse Härte im Oberflächenbereich, der von der Glühdiffusion des Chroms betroffen ist. In einem Zwischenbereich geht die Härte graduell auf den Härtewert des unbeeinfluss- ten Basismetalls zurück. Es ergeben sich mithin verschie dene Schichten, die in Fig. 1 durch gestrichelte Linien getrennt und mit U, V, W und X bezeichnet sind.
Bei der Schicht U handelt es sich um eine stabile Beta-Schicht. bei der Schicht V um eine umgewandelte Beta-Schicht, bei W um eine chromangereicherte Alpha-Beta-Schicht und bei X um das Basismetall Ti - 6 AI - 4 V.
Zusammenfassend kann man sagen, dass man bei nach diesem Verfahren bearbeiteten Titan- oder Titan legierungswerkstücken wenigstens in der chromstabili sierten Beta-Schicht U eine Oberflächen-Knoop-Härte von über 500 Khn, in der Regel sogar zwischen 600 und 700 Khn (bei einer Belastung von 10 g) erreicht.