DD152947A1 - Verfahren zum beschleunigen des stoffuebergangs thermo-chemischer diffusionsprozesse - Google Patents

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Werner Schroeter
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Abstract

Eine wesentliche Beschleunigung des Stoffuebergangs thermo-chemischer Diffusionsprozesse fuer metallische Werkstoffe, insbesondere Legierungen auf Eisenbasis, diesen der OberflOberflaeche diffusionshemmende Verbindungsdeckschichten,vorwiegend stabile Passivschichten, aufweisen, wird durch vorheriges Erzeugnis einer bei Temperaturen kleiner gleich derReaktionstemperatur der thermo-chemischen Behandlung unbestaendigten Umwandlungsschicht (Konversionsschicht)erzielt. Die Erfindung kann bei thermo-chemischen, bei denen ein oder mehrere Diffusionselemente in den oberflaechennahen Bereichen von Bauteilen oder Werkzeugen aus Metallen und Legierungen, insbesondere aus passiven Eisenlegierungen, angereichert werden, um eine gezielte Veraenderung der Oberflaecheneigenschaften zu erreichen.

Description

Verfahren zum Beschleunigen des StoffÜbergangs thermochemiBcher Diffusionsprozesse
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschleunigen des StoffÜbergangs bei thermo-cheraischen Diffusionsprozessen, bei denen ein oder mehrere Diffusionselemente in den Randzonen metallischer Werkstoffe durch Reaktion mit vorwiegend gasförmigen Reaktionsmedien angereichert werden, insbesondere bei Legierungen auf Eisenbasis, die an der Oberfläche diffusionshemmende Verbindungsdeckschichten, vorwiegend stabile Passivschichten, aufweisen.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Zur Beseitigung von diffusionshemmenden Deckschichten, vorwiegend von stabilen Passivschichten, und der Schaffung einer für die thermo-chemische Behandlung geeigneten Oberfläche, insbesondere bei Legierungen auf Eisenbasis, durch Zusätze zum Reaktionsmedium während des Behandlungsprozesses oder durch eine Vorbehandlung sind bereits eine Reihe von Maßnahmen bekannt: z. B. das Aktivieren der Reaktionsatmosphäre mit auf geeigneten Trägern aufgebrachten, als Katalysatoren wirkenden Gemischen aus Aminen, Amiden, Metallen der 1. 8. Gruppe des Periodensystems der Elemente und deren Nitride, Oxide, Sulfide (DS-OS 1521162); das Beimischen von chemisch und/oder physikalisch wirkenden Bestandteilen zur Reaktionsatmosphäre, wie verdampfende Metallverbindungen ζ. B. in
Form von Chloridens Hitraten, Oxiden sowie Phosphor- und Schwefelverbindungen (DE-OS 1621216); die Zugabe eines Zersetzungsgases zur Reaktionsatmosphäre, das Isopropylalkohol und/oder Methylacetat enthält (DE-OS 2658174); die Zugabe von Schwefelverbindungen zur Reaktionsatmosphäre (DE-OS 1229814); die Zugabe von Sauerstoff zur Reaktionsatmosphäre (DD-WP 115363); die Bauteilvorbehandlung durch mechanische Bearbeitung j wie Läppen, Schleifen, Strahlen (Coppola, V. j.: Metal Progress Vol. 80 Ir. 1 (Juli 1961) S. 83); die Behandlung im Salzbad (DE-OS 1275336); das elektrolytische Aufbringen festhaftender Kupferüberzüge (Jones, B.: Stahl und Eisen 58 (1938) S. 40); das Beizen (DRP 599506).
Alle genannten Möglichkeiten zur Beseitigung der hemmend auf den Behandlungsprozeß wirkenden Deckschichten, vorwiegend der stabilen Passivschichten, besitzen sowohl technisch-technologische als auch ökonomische Bachteile.
Ein wesentlicher Hachteil ergibt sich beim Zusatz von Verbindungen zur Reaktionsatmosphäre V7ährend des Behandlungsprozesses sowie beim Aktivieren der Atmosphäre durch Kata- lysatoren dadurch, daß die Konstanthaltung der Reaktionsatmosphäre als Voraussetzung für die Erzielung definiert reproduzierbarer und technisch brauchbarer Ergebnisse nicht gewährleistet ist und weiterhin die Wirksamkeit solcher Zusätze und Katalysatoren durch den Charakter der diffusionshemmenden Deckschicht bestimmt wird. Es viird außerdem eine unerwünschte Einwirkung auf die gesamte Behandlungsaniage, insbesondere auf den Retortenwerkstoff, ausgeübt, die zu einer erheblich verkürzten Lebensdauer und verminderten Zuverlässigkeit der Anlage führen. Ein weiterer Nachteil ergibt sich dadurch, daß die Zugabe von Stoffen zur Reaktionsatmosphäre zur unkontrollierten Entstehung von aggressiven, explosiven und giftigen Verbindungen führen kann.
Bei den Vorbehandlungsverfahren ergeben sich Nachteile vor allem durch den Aufwand zu ihrer Realisierung, durch fehlende Keßeinrichtungen zur Bestimmung des Oberflächenzustan-
des vor, während und nach der Entfernung der Deckschichten, vorwiegend der stabilen Passivschichten, und der möglichen Neubildung dieser Schichten während der Lagerung der Bauteile bis zur thermo-chemischen Behandlung.
Ziel der Erfindung
Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, welches ermöglicht, daß bei vorgegebenen Reaktionsbedingun«· gen der den Schichtbildungs- und-WachstumsVorgang bestimmende Stoffübergang bei der thermo-chemisehen Behandlung metallischer Werkstoffe, insbesondere der Legierungen auf Eisenbasis, die an der Oberfläche diffusionshemmende Verbindungsdeckschichten, vorwiegend stabile Passivschichten, aufweisen, wesentlich beschleunigt wird.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Oberfläche metallischer Werkstoffe, insbesondere die von Legierungen auf Eisenbasis, die diffusionshemmende Verbindungsdeckschichten, vorwiegend stabile Passivschichten, aufweist, vollständig oder partiell in einen Zustand zu überführen, der eine Beschleunigung des bei thermo-chemischen Behandlungen stattfindenden StoffÜbergangs bewirkt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß vor der thermo-chemischen Behandlung eine Uimvandlungsschicht (Konversionsschicht) auf der Metalloberfläche erzeugt wird, die bis zum Erreichen der Behandlungstemperatur der 'thermo-chemischen Behandlung zerfällt. Die Uimvandlungsschicht wird chemisch oder elektrochemisch nach bekannten Verfahren erzeugt. Die Umwandlungsschicht kann bereits das oder die entsprechenden Diffusionselemente des nachfolgenden thermo-chemisehen Verfahrens enthalten. Mit der Bildung der Umwandlungsschicht ist die Beseitigung der vorhandenen diffusionshemmenden Deckschicht verbunden.
-♦- 223 71
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß die gebildete Umv/andlungsschicht eine Neubildung der diffusionshemmenden Deckschicht verhindert und die so behandelten Y/erkstücke bei Temperaturen um Raumtemperatur unbegrenzt bis zur thermo-chemischen Behandlung lagerfähig sind. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß die Metalloberfläche partiell mit der Umwandlungsschicht versehen werden kann, wodurch bei der anschließenden thermo-chemischen Behandlung erfindungsgemäß nur dort ein beschleunigter Stoffübergang erfolgt, wo die Bildung der Umwandlungsschicht stattgefunden hat.
Die Aktivierung der Oberfläche erfolgt während der Erwärmung auf Behan.dlungstemperatur dadurch, daß die Umwandlungsschicht dabei unter Zersetzung in die Gasphase übergeht. Eine zusätzliche energetische· Aktivierung erfolgt dadurch, daß mit der Beseitigung der Umwandlungsschicht chemische Bindungen abgebrochen werden und damit die Oberflächenenergie erhöht wird. Eine weitere zusätzliche Aktivierung wird geometrisch durch eine erhöhte Mikrorauheit der Oberfläche, die durch den Bildungs- und Zerstörungsmechanismus der Umwandlungsschicht bedingt ist, bewirkt.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel weiter erläutert werden. Auf der Oberfläche eines auf Verschleiß beanspruchten Bauteiles aus dem rost- und säurebeständigen Stahl X8CrNiTi 18.10 wird eine Perrooxalatschicht durch Tauchen in einen wäßrigen Elektrolyten bei einer Temperatur von 60 0G erzeugt, der im wesentlichen folgende Komponenten enthält: Oxalsäure, Natriumchlorid, Natriumfluorid, Hatriumthiosulfat, Ainmoniummolybdat. Mit diesem Elektrolyten lassen sich Oxalatschichten auf allen Legierungen auf Eisenbasis unabhängig von ihrem Gehalt an Legierungselementen innerhalb weniger Minuten erzeugen. Nach einer anschließenden Gaskarbonitrierbehandlung Ammoniak plus Stadtgas im Mischungsverhältnis 5:1 von 3 h bei 55o 0C wurden im Er-
gebnis der Oberflächenhärtemessung und der Auswertung von Härte«Tiefe-Verlaufen folgende Kennwerte ermittelt j
Werkstoffi XSCrNiTi 18.10
. Oberflächenhärte HV 0,3 Kitriertiefe (Kernhärte+ 50 HV 0,1) in /um
ohne Vorbehandlung oxaliert
305
1240 80

Claims (3)

223 7 10' -Erfindungsanspruch
1. Verfahren zum Beschleunigen des StoffÜbergangs thermochemischer Diffusionsprozesse, gekennzeichnet dadurch, daß vor der thermo-chemischen Behandlung, vorwiegend in gasförmigen Reaktionsmedien, auf der Oberfläche des zu behandelnden metallischen Werkstückes eine Umwandlungsschicht (Konversionsschicht), deren Zerfallstemperatur kleiner gleich der Behandlungstemperatur des thermochemischen Diffusionsprozesses ist, erzeugt wird.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Umwandlungsschicht das oder die Diffusionselemente des thermo-chemischen Reaktionssystems enthält.
3· Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß durch partielles Erzeugen der Umwandlungsschicht eine partielle Beschleunigung des StoffÜbergangs erzielt v/ird.
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