Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines unlösbaren Überzuges auf metallischen Werkstücken
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines unlösbaren Überzuges auf metallischen Werkstücken sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Weitverbreitet sind seit vielen Jahren Hoch- und Mittelfrequenz-Apparate zum Härten von Stahlteilen, wobei eine schmale Zone des Teiles fortschreitend erhitzt und unmittelbar danach abgeschreckt wird. Hierbei werden jedoch nur die dem Stahl innewohnenden Härteeigenschaften ausgenutzt.
Es ist weiterhin bekannt, im Wechselfeld Stahl in einer gasförmigen Atmosphäre zu erhitzen und dadurch Bestandteile des Gases in den Körper zu übertragen.
Schliesslich ist es bekannt, Leitlacke auf nichtleitende Unterlagen im Wechselfeld zu trocknen, wobei die nichtleitende Unterlage ihrerseits die Oberfläche eines ansonsten metallischen Gegenstandes bilden kann. Bei diesem Verfahren enthält jede Möglichkeit der Vereinigung des Überzugsmaterials mit der Oberfläche des metallischen Gegenstandes selbst.
Das Hauptziel der Erfindung ist die Verbesserung der Eigenschaften der Oberflächenschicht metallischer Werkstücke, vorzugsweise, jedoch nicht ausschliesslich aus paramagnetischem Metall, und zwar in einer Weise, wie dies mit vorbekannten Mitteln und Verfahren nicht möglich war und sogar nicht einmal für möglich angesehen worden ist.
Dieses Ziel wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass auf die Werkstückoberfläche eine Schicht einer Suspension aufgetragen wird, welche Suspension das den Überzug zu bildenden Material enthält, und die Schicht samt dem Werkstück elektrisch erhitzt werden.
Das Beschichten kann dabei, wie an späterer Stelle genauer beschrieben, so vorgenommen werden, dass das fein verteilte Material, z.B. Metallpulver und Metallverbindungspulver, beispielsweise Metallkarbide, Metallnitride, Metallsilizide an der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes mechanisch haften, wobei sich durch die nachfolgende Erhitzung diese Zusatzmaterialien in der Oberflächenschicht des Werkstückes verteilen und sich mit der Oberflächenschicht chemisch verbinden, legieren oder in dieselbe eindringen. Hierdurch lassen sich in ökonomischer Weise wünschenswerte Änderungen der Oberflächeneigenschaften, wie z.B. der Korrosionsbeständigkeit, der Verschleissfestigkeit und insbesondere die Erhöhung der Härte erzielen.
Für die vorstehend definierte Erfindung ist das Eindringen des aufgetragenen Materials in die Oberflächenschicht des Werkstückes im weitesten Sinne zu verstehen, d.h. auch ein Verschmelzen, Schrumpfen, Sintern, Mischen im Schmelzfuss, Legieren, Verschweissen und Diffundieren, bei welch letzterem die Moleküle des Materials zwischen den Molekülen der Unterlage eingelagert werden.
Sinngemäss müssen das metallische Werkstück und das zur Beschichtung dienende Material bzw. dessen Zusammensetzung für das Verfahren geeignet und aufeinander abgestimmt sein, so dass sie eine stabile Verbindung miteinander bilden. So ist naturgemäss ein Metall wie Quecksilber als Unterlage oder Beschichtungsmittel für das Verfahren ungeeignet. Ebenso ist es selbstverständlich, dass sich gewisse Beschichtungsmaterialien zwar mit bestimmten Metallunterlagen in Oberflächeneigenschaften verbessernder Weise, aber mit anderen Unterlagen gar nicht oder nur unvorteilhaft vereinigen lassen.
Das Verfahren ist daher wie schon dargelegt wurde, auf die Verwendung solcher Materialien beschränkt, die sich aufgrund ihrer Eigenschaften mit der Oberfläche der metallischen Unterlage, d.h. des zu behandelnden Werkstückes in der für die Erfindung wesentlichen Weise vereinigen können.
Das fein verteilte Material, das in Form von Pulver, Plättchen, Kristallen oder Granulaten vorliegen kann, wird zweckmässig zunächst in einem Bindemittel organischer oder anorganischer Natur angeteigt.
Eine besonders wichtige und vorteilhafte Ausführungsart des genannten Verfahrens besteht in der Aufbringung von Wolframcarbid auf die Oberfläche einer Stahlunterlage, bzw. eines entsprechenden Werkstückes.
Hierbei wird Wolframcarbid-Pulver von feinster Körnung (im Mikron-Bereich) mit einem Bindemittel - z.B.
einem Organtitanat - und einem flüchtigen Lösungsmittel, wie z.B. Methylenchlorid aufgeschlämmt. Das Werkstück wird nun in diese Suspension getaucht, abtrocknen gelassen, bis das Lösungsmittel vollkommen verdunstet ist. Die zuletzt angegebene Prozedur wird so oft durchgeführt, bis die gewünschte Schichtstärke erreicht ist.
Dieses so beschichtete Werkstück wird nun im elektrischen Wechselfeld bis nahe dem Schmelzbereich des Grundmaterials erhitzt. Die Frequenz des Wechselfeldes wurde bei gegenständlichem Versuch auf ca. 70 kHz geh alten. Durch diese Behandlung dringt Wolframcarbid in die Oberfläche des Werkstückes ein. Nach natürlicher Abkühlung an der Luft konnte festgestellt werden, dass eine dünne Hartmetallschicht vollkommen verschweisst mit der Oberfläche des Grundwerkstoffes erreicht wurde.
Die durch die Erfindung erzielten Resultate sind besonders dann unerwartet, wenn, wie im Falle von Wolframcarbid, der Schmelzpunkt des aufzubringenden Materials weit über dem Schmelzpunkt oder gar dem Verdampfungspunkt des Metalles des Werkstückes liegt.
Weitere Vorteile der Erfindung sind im Zusammenhang mit der nachstehenden Beschreibung und zeichnerischen Veranschaulichung von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht eines nach dem Verfahren zu behandelnden Werkstückes aus Eisen oder Stahl;
Fig. 2 ein Schnitt durch das Werkstück längs Linie 2-2 der Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung, teilweise im Schnitt, einer zum Beschichten des Werkstückes mit einem geeigneten Pulver dienenden Einrichtung;
Fig. 4 eine Ansicht des in Fig. 1 gezeigten Werkstükkes, jedoch nach erfolgter Beschichtung;
Fig. 5 ein Querschnitt längs Linie 5-5 der Fig. 4;
Fig. 6 eine Ansicht des mit dem Pulver beschichteten und teilweise schon behandelten Werkstückes zusammen mit einem schematischen Schnitt durch eine zur Erhitzung dienende Hochfrequenzspule und Abschreckbrause;
;
Fig. 7 ein Schnitt längs Linie 7-7 der Fig. 6 in einem Bereich in dem das Werkstück durch die Hochfrequenzspule erhitzt worden war und in dem somit das Beschichtungsmaterial bereits mit der Oberfläche des Werkstükkes verbunden bzw. in dieselbe eingedrungen ist;
Fig. 8 und 9 stark vergrösserte Schnitte im Bereich der mit entsprechenden Ziffern bezeichneten Rechtecke der Fig. 2 bzw. 5 zwecks schematischer Darstellung des Gefüges des Werkstückes und der Lage der Auftragsschicht vor Behandlung im Wechselfeld;
Fig. 10 und 11 schematische Wiedergaben sog.
Reflexionsbilder einer Röntgen-Mikrosonde nach erfolgter Behandlung nach dem Verfahren und zwar im Bereich des Rechtecks 10 der Fig. 7, die die Wolfram/Eisen Verteilung zeigen;
Fig. 12 eine Schnittansicht entsprechend der Fig. 7 unter Hinzufügung einer Einrichtung zur Erzeugung eines Gasvorhanges im Erhitzungsbereich; und
Fig. 13 eine Schnittansicht, die eine Aussenankoppelung des Wechselfeldes zeigt, im Gegensatz zu der in den Fig. 7 und 12 veranschaulichten normalen Wechselfeldankoppelungen durch einen Induktorring bei rotationssymmetrischen Werkstücken.
Das zu behandelnde Werkstück, beispielsweise eine Automatenstahlwelle 15 wird wiederholt in den in Fig. 3 gezeigten Behälter 16 eingetaucht. Der Behälter 16 ist mit einer Suspension 17 des aufzutragenden Stoffes gefüllt.
Diese Suspension enthält ausser dem aufzutragenden Pulver (vorzugsweise Wolframcarbid-Pulver) ein Bindemittel, wofür sich aus später noch dazulegenden Gründen, Organtitanate als besonders geeignet erwiesen haben, und ein sich leicht verflüchtigendes Lösungsmittel, wie z.B. Methylenchlorid.
Da sich Hartstoffpulver, die zweckmässig in Verbindung mit dem Verfahren Anwendung finden, leicht absetzen, wird die Suspension ständig aufgerührt, wie z.B. durch eine Pumpe 18, die durch Leitungen 19, 20 an den Behälter 16 angeschlossen ist.
Nach jedem Herausnehmen des Werkstückes 15 aus der Suspension 17 verdampft das Lösungsmittel und, nach Erreichen der gewünschten Schichtdicke, ergibt sich ein luftgetrockneter Hartmetall-Bindemittel-Film 21.
Als Bindemittel sind Organotitanate besonders geeignet weil sie die Eigenschaft haben, sich an der Luft in Titandioxyd und ihre flüchtigen organischen Bestandteile, z.B. höhere Alkohole, zu zersetzen. Zum Anteigen von Wolframcarbid kann auch vorteilhaft Polyviol verwendet werden. Nach Verflüchtigung des Lösungsmittels verbleibt auf der Oberfläche des Werkstückes 15 dann ein Titandioxyd-Gitter, welches das Wolframcarbid-Pulver einbettet und so weiterhin als Bindemittel für dasselbe wirkt. Ein besonderer Vorteil des Organotitanates gegen über anderen Bindemitteln ist, dass es selbst bei Temperaturen von 10000C kein Gas entwickelt.
Nachdem das Werkstück 15 wie beschrieben beschichtet ist, wird es in den in Fig. 6 und 7 schematisch veranschaulichten Wechselfeld-Induktor eingesetzt und in diesem von zwei Spitzen 22 und 23 getragen, wobei eine, nicht dargestellte Vorrichtung vorgesehen ist, um das Werkstück in Richtung des Pfeiles 24 in Umdrehung zu versetzen. In dieser Einrichtung ist das Werkstück 15 von einem Induktorring 25 umschlossen und es ist eine, nicht dargestellte, für Induktionsmaschinen wohl bekannte Vorrichtung vorgesehen, um eine Relativbewegung in Richtung des Pfeiles 26 der Spule 25 gegenüber dem Werkstück 15 herbeizuführen.
Der Induktor 25 ist hohl ausgebildet, so dass im Betriebe ein Kühlmittel hindurchgeschickt werden kann, und zwar durch Anschluss an eine, nur durch Linien schematisch in Fig. 7 veranschaulichte Kühlmittelleitung 27. Der Induktor 25 ist fernerhin an eine Quelle 28 eines Wechselfeldgenerators durch Leiter 29 angeschlossen.
Bei der Behandlung des Werkstückes 15 im elektrischen Wechselfeld kann man drei Zonen unterscheiden: die noch unbehandelte Zone 30, die von der Induktionsspule 25 noch nicht bestrichen ist und die sich in Fig. 6 oberhalb der Spule befindet; die heisse Zone 31, die sich im Bereich der Spule 25 befindet und gerade auf die für erwünscht gehaltene Temperatur und zwar gegebenenfalls bis zum Eintritt einer Oberflächenschmelzung gebracht worden ist; und die behandelte Zone 32, das ist die Zone, an der die Spule 25 bereits vorbeigestrichen ist und die sich im wesentlichen schon wieder weitgehend abgekühlt hat und in der die erstrebte Oberflächenveränderung bereits bewirkt worden ist.
In vielen Fällen hat es sich als zweckmässig erwiesen, die Induktionsbehandlung unter einem Schutzgas, z.B.
einem Edelgas wie Argon, durchzuführen, wie dies in Fig. 12 veranschaulicht ist und später beschrieben werden wird.
Ferner hat sich die Verwendung der in Induktionsapparaten gewöhnlich vorhandenen Abschreckbrause, die aus einem Hohlring 34 mit Bohrungen 35 und einer Zuleitung 36 für ein Kühlmittel besteht, als sehr vorteilhaft erwiesen. Das Kühlmittel hat keinen Einfluss auf die Oberflächenschicht, verhindert jedoch eine Verzunderung. Die Schicht widersteht dem enormen Thermoschock anstandslos, was bei aufgespritztem Metall keineswegs der Fall sein würde.
Die durch die Erfindung erreichten Resultate sollen nun anhand der Figuren 8 bis 11 beschrieben werden.
Aus den Fig. 8 und 9 des noch unbehandelten Stahles ergibt sich, dass es sich im wesentlichen durchweg aus ein durch Schraffierung angedeutetes Eisengefüge handelt, wobei in Fig. 9 noch die Auftragsschicht 21 durch enge Rasterschraffierung angedeutet ist.
Die Fig. 10 und 11 stellen schematisierte Wiedergaben von mittels einer Röntgen-Mikrosonde erzeugten Reflexionsbildern dar. Es genügt hier festzustellen, dass Reflexionsbilder mittels eines scharf gebündelten Elektronenstrahles (Fläche etwa 1/iooo mm2), dar auf ein geschliffenes Probestück gerichtet wird, erzeugt werden. Reflektiert werden Röntgenstrahlen deren Wellenlängen elementspezifisch sind. Dadurch können wie in Fig. 10 die Eisenverteilung und in Fig. 11 die Wolframverteilung in der veränderten Oberflächenschicht 37 einzeln quantitativ registriert und ausgewertet werden. Es zeigt sich eine Wolfram-Verteilung über eine Schichtstärke von 0,2 mm zwischen 0 und 70%.
Der soweit beschriebene und veranschaulichte Vorgang und die Ergebnisse desselben sind äusserst überraschend insofern, als Wolframcarbid bei ca. 30000C schmilzt, während der Schmelzpunkt von Stahl bei etwa 1 1700C liegt. Fig. 10 und 11 beweisen hiermit, dass ein Stahlstab mit Wolframcarbid einwandfrei versehen wurde.
Das fertige Erzeugnis weist sehr grosse Thermo schockbeständigkeit auf. So konnte ein mit Wolframcarbid beschichteter Stahlteil momentan von etwa 10000C auf 200C abgeschreckt werden und umgekehrt.
Als Grundstoffe sind Metalle verwendbar, die thermisch für sehr kurze Zeit hoch belastbar sind. Ausser Stahl können des weiteren Buntmetalle (Kupfer, Aluminium, Messing usw.) und hochlegierte Werkstoffe, wie z.B. Nimonic (geschützter Name) verwendet werden.
Am besten eignen sich Werkstoffe, deren Schmelzfluss nicht unmittelbar, sondern über einen teigigen Mischkristallzustand eintritt.
Als Zusatzmaterial eignen sich im besonderen Metallund Metallverbindungspulver (Hartstoffe) wie Wolframcarbid, Titancarbid, verschiedene Boride und Nitride, wie sie ansonsten hauptsächlich zur Herstellung von Hartmetall-Sinter-Werkstoffen verwendet werden. Wolframcarbid erwies sich als besonders günstig für die Erzeugung ausgesprochen harter und verschleissfester Oberflächen.
Auch Verbundpulver ( Core powderst), die von der Firma Sheritt Gordon auf den Markt gebracht werden, haben sich als brauchbar erwiesen.
Die in Fig. 12 veranschaulichte Einrichtung ist dieselbe wie die in Fig. 6 und 7 dargestellte mit Ausnahme einer das Werkstück 15 mit Zwischenraum umschliessenden Hülse 39, deren Inneres durch Leitungen 38 an eine Schutzgasquelle angeschlossen ist. Die Hülse 39 besteht aus einem Material, das den hohen Temperaturen standhält und sich nicht selbst unter dem Einfluss des Wechselfeldes stark erhitzt. Die übrigen in Fig. 12 verwendeten Bezugszeichen sind die gleichen wie in Fig. 6 und 7.
Fig. 13 ist eine der Fig. 6 entsprechende Schnittansicht einer weiteren abgeänderten Ausbildung. Während Fig. 6 und 7 die normale Ankoppelung des Wechselfeldes an das Werkstück 15 zeigt, bei der die Induktionsspule 25 das Werkstück 15 umgibt, zeigt Fig. 13 eine sog. Aussenankoppelung, bei der sich der Induktor 40 nur über einen Teil des Werkstückumfanges erstreckt. Die Anordnung gemäss Fig. 13 ist besonders vorteilhaft zur Behandlung von Zahnrädern oder Spiralbohrern und, ganz allgemein, von Körpern mit unregelmässigen, nicht rotationssymmetrischen Oberflächen.
Als Lösungsmittel sind auch andere Kohlenwasserstoffe ausser Methylenchlorid geeignet, und das Auftragen der Suspension kann ausser durch Tauchen auch in anderer Weise, z.B. durch Aufspritzen erfolgen.
Ganz allgemein ist das vorliegende Verfahren nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann auch auf Gegenstände bzw. Werkstücke aus anderen Metallen bei Verwendung von Metallcarbid oder sonstigen geeigneten Stoffen als Zusatz angewendet werden, je nachdem welche Oberflächeneigenschaft gewünscht wird. Als Zusatzmaterialien können mit diesem Verfahren grundsätzlich alle Stoffe, die sich durch Hitzeeinwirkung mit einer Werkstoffoberfläche verbinden (auch Gase), angebracht werden. Ferner kann die Stärke der Oberflächenschicht beliebig durch Änderung der ursprünglichen Auftragsschichtstärke, der Frequenz des Wechselfeldes, der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Induktor und dem Werkstück, und durch die Konzentration des anzubringenden Zusatzmaterials in das Trägermaterial, variiert werden.
Die Erhitzung der beschichteten Werkstückoberfläche muss nicht unbedingt im elektrischen Wechselfeld unter Ausnutzung des Skin-Effektes, d.h. auf die bei der Hochfrequenzhärtung bekannte Weise erfolgen, sie kann auch unter Ausnutzung bzw. aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Materials an sich vorgenommen werden, indem elektrischer Strom durch das Werkstück hindurchgeleitet wird.
Da es durch das beschriebene Verfahren, das verglichen mit den bisher bekannten Verfahren zur Aufbringung von Materialien auf Werkstoffoberflächen, technologisch gesehen, einen neuen Weg darstellt, möglich ist, in kurzer Zeit Zusatzmaterialien in bzw. auf Materialoberflächen ein- oder aufzubringen, gestattet es das Verfahren, in kurzer Zeit - wie es in Fliessbändern, Transferstrassen, automatischen Produktionsverfahren erforderlich ist - die gewünschten Oberflächeneigenschaften zu erreichen. Durch den besonderen Charakter des Verfahrens, das nicht unbedingt manuelle Arbeiten erfordert, kann es in automatischen Produktionsabläufen eingesetzt werden.
Durch die Möglichkeit, das Zusatzmaterial, welches oft sehr teuer ist, und im Arbeitsprozess unter Umständen abfällt, wieder zu regenerieren, stellt sich eine besondere Wirtschaftlichkeit gegenüber den herkömmlichen Plattierungsverfahren ein.
Method and device for producing a permanent coating on metallic workpieces
The present invention relates to a method for producing an insoluble coating on metallic workpieces and a device for carrying out the method.
High and medium frequency devices for hardening steel parts have been widespread for many years, with a narrow zone of the part being progressively heated and immediately thereafter quenched. However, only the hardness properties inherent in the steel are used here.
It is also known to heat steel in an alternating field in a gaseous atmosphere and thereby transfer components of the gas into the body.
Finally, it is known to dry conductive lacquers on non-conductive substrates in an alternating field, the non-conductive substrate in turn being able to form the surface of an otherwise metallic object. This method includes every possibility of uniting the coating material with the surface of the metal object itself.
The main aim of the invention is to improve the properties of the surface layer of metallic workpieces, preferably, but not exclusively, of paramagnetic metal, in a way that was not possible, and even not even considered possible, with previously known means and methods.
This object is achieved according to the invention in that a layer of a suspension is applied to the workpiece surface, which suspension contains the material to be formed, and the layer together with the workpiece are electrically heated.
The coating can be carried out, as described in more detail later, in such a way that the finely divided material, e.g. Metal powder and metal compound powder, for example metal carbides, metal nitrides, metal silicides, adhere mechanically to the surface of the workpiece to be treated, with these additional materials being distributed in the surface layer of the workpiece as a result of the subsequent heating and chemically bonding, alloying or penetrating into the surface layer. In this way, desirable changes in the surface properties, e.g. the corrosion resistance, the wear resistance and especially the increase in hardness.
For the invention defined above, the penetration of the applied material into the surface layer of the workpiece is to be understood in the broadest sense, i.e. also fusing, shrinking, sintering, mixing in the fuselage, alloying, welding and diffusion, in which the latter the molecules of the material are embedded between the molecules of the base.
Analogously, the metallic workpiece and the material used for the coating or its composition must be suitable for the process and matched to one another so that they form a stable connection with one another. A metal such as mercury is naturally unsuitable as a base or coating agent for the process. It also goes without saying that certain coating materials can be combined with certain metal substrates in a manner that improves surface properties, but cannot be combined with other substrates at all or only unfavorably.
As already explained, the method is therefore limited to the use of materials which, due to their properties, blend with the surface of the metallic substrate, i.e. of the workpiece to be treated can combine in the manner essential for the invention.
The finely divided material, which can be in the form of powder, flakes, crystals or granules, is expediently first made into a paste in a binder of organic or inorganic nature.
A particularly important and advantageous embodiment of the method mentioned consists in the application of tungsten carbide to the surface of a steel base or a corresponding workpiece.
Here, tungsten carbide powder of the finest grain size (in the micron range) is mixed with a binder - e.g.
an organ titanate - and a volatile solvent, e.g. Slurried methylene chloride. The workpiece is then immersed in this suspension and left to dry until the solvent has completely evaporated. The last mentioned procedure is carried out until the desired layer thickness is achieved.
This workpiece coated in this way is then heated in an alternating electric field to close to the melting range of the base material. The frequency of the alternating field was kept at about 70 kHz in this experiment. As a result of this treatment, tungsten carbide penetrates the surface of the workpiece. After natural cooling in the air, it was found that a thin hard metal layer was completely welded to the surface of the base material.
The results achieved by the invention are particularly unexpected when, as in the case of tungsten carbide, the melting point of the material to be applied is far above the melting point or even the evaporation point of the metal of the workpiece.
Further advantages of the invention are explained in connection with the following description and graphic illustration of exemplary embodiments. It shows:
1 shows a view of a workpiece made of iron or steel to be treated according to the method;
FIG. 2 shows a section through the workpiece along line 2-2 of FIG. 1;
3 shows a schematic representation, partly in section, of a device used for coating the workpiece with a suitable powder;
4 shows a view of the workpiece shown in FIG. 1, but after coating has taken place;
Figure 5 is a cross-section along line 5-5 of Figure 4;
6 shows a view of the workpiece coated with the powder and partially already treated, together with a schematic section through a high-frequency coil and quenching shower used for heating;
;
7 shows a section along line 7-7 in FIG. 6 in an area in which the workpiece was heated by the high-frequency coil and in which the coating material has thus already been connected to the surface of the workpiece or has penetrated the same;
8 and 9 greatly enlarged sections in the area of the rectangles marked with corresponding numbers in FIGS. 2 and 5 for the purpose of a schematic representation of the structure of the workpiece and the position of the application layer before treatment in the alternating field;
FIGS. 10 and 11 are schematic representations of the so-called
Reflection images of an X-ray microprobe after treatment according to the method, specifically in the area of the rectangle 10 in FIG. 7, which show the tungsten / iron distribution;
FIG. 12 shows a sectional view corresponding to FIG. 7 with the addition of a device for producing a gas curtain in the heating area; FIG. and
13 is a sectional view showing an external coupling of the alternating field, in contrast to the normal alternating field coupling illustrated in FIGS. 7 and 12 by an inductor ring in the case of rotationally symmetrical workpieces.
The workpiece to be treated, for example a free-cutting steel shaft 15, is repeatedly immersed in the container 16 shown in FIG. The container 16 is filled with a suspension 17 of the substance to be applied.
In addition to the powder to be applied (preferably tungsten carbide powder), this suspension contains a binder, for which, for reasons to be explained later, organ titanates have proven to be particularly suitable, and an easily volatilized solvent such as e.g. Methylene chloride.
Since hard material powders, which are expediently used in connection with the process, settle easily, the suspension is constantly stirred up, e.g. by a pump 18 which is connected to the container 16 by lines 19, 20.
Each time the workpiece 15 is removed from the suspension 17, the solvent evaporates and, after the desired layer thickness has been reached, an air-dried hard metal binder film 21 results.
Organotitanates are particularly suitable as binders because they have the property of being converted into titanium dioxide and its volatile organic components, e.g. higher alcohols, to decompose. Polyviol can also advantageously be used to paste tungsten carbide. After the solvent has evaporated, a titanium dioxide grid then remains on the surface of the workpiece 15, which embeds the tungsten carbide powder and thus continues to act as a binding agent for the same. A particular advantage of the organotitanate compared to other binders is that it does not develop any gas even at temperatures of 10000C.
After the workpiece 15 has been coated as described, it is inserted into the alternating field inductor illustrated schematically in FIGS. 6 and 7 and supported in this by two tips 22 and 23, a device (not shown) being provided to move the workpiece in the direction to set the arrow 24 in rotation. In this device, the workpiece 15 is enclosed by an inductor ring 25 and a device (not shown), which is well known for induction machines, is provided in order to bring about a relative movement in the direction of the arrow 26 of the coil 25 with respect to the workpiece 15.
The inductor 25 is hollow so that a coolant can be sent through during operation, specifically by connection to a coolant line 27, which is only illustrated schematically by lines in FIG. 7. The inductor 25 is furthermore connected to a source 28 of an alternating field generator through conductor 29 connected.
When treating the workpiece 15 in the alternating electric field, a distinction can be made between three zones: the as yet untreated zone 30 which has not yet been coated by the induction coil 25 and which is located above the coil in FIG. 6; the hot zone 31, which is located in the region of the coil 25 and has just been brought to the temperature considered to be desirable, and that if necessary until surface melting occurs; and the treated zone 32, that is the zone which the coil 25 has already passed and which has largely cooled down again and in which the desired surface change has already been effected.
In many cases it has proven to be expedient to carry out the induction treatment under a protective gas, e.g.
a rare gas such as argon, as illustrated in Fig. 12 and will be described later.
Furthermore, the use of the quenching shower usually present in induction apparatus, which consists of a hollow ring 34 with bores 35 and a supply line 36 for a coolant, has proven to be very advantageous. The coolant has no influence on the surface layer, but prevents scaling. The layer withstands the enormous thermal shock without any problems, which would by no means be the case with sprayed-on metal.
The results achieved by the invention will now be described with reference to FIGS. 8 to 11.
8 and 9 of the as yet untreated steel shows that it is essentially consisted of an iron structure indicated by hatching, with the application layer 21 still being indicated in FIG. 9 by close grid hatching.
10 and 11 represent schematic reproductions of reflection images generated by means of an X-ray microprobe. Suffice it to say here that reflection images are generated by means of a sharply focused electron beam (area about 1/100 mm 2) directed onto a ground sample . X-rays whose wavelengths are element-specific are reflected. As a result, as in FIG. 10, the iron distribution and in FIG. 11 the tungsten distribution in the modified surface layer 37 can be individually quantitatively registered and evaluated. It shows a tungsten distribution over a layer thickness of 0.2 mm between 0 and 70%.
The process described and illustrated so far and the results thereof are extremely surprising insofar as tungsten carbide melts at approx. 30,000C, while the melting point of steel is approx. 11,700C. FIGS. 10 and 11 hereby prove that a steel rod was properly provided with tungsten carbide.
The finished product shows very high thermal shock resistance. A steel part coated with tungsten carbide could momentarily be quenched from about 10000C to 200C and vice versa.
Metals that can withstand high thermal loads for a very short time can be used as basic materials. In addition to steel, non-ferrous metals (copper, aluminum, brass, etc.) and high-alloy materials such as Nimonic (registered name) may be used.
The most suitable materials are those whose melt flow does not occur directly, but via a pasty mixed crystal state.
Metal and metal compound powders (hard materials) such as tungsten carbide, titanium carbide, various borides and nitrides, which are otherwise mainly used for the production of hard metal sintered materials, are particularly suitable as additional materials. Tungsten carbide has proven to be particularly beneficial for the production of extremely hard and wear-resistant surfaces.
Composite powders (core powder), which are brought onto the market by the Sheritt Gordon company, have also proven to be useful.
The device illustrated in FIG. 12 is the same as that shown in FIGS. 6 and 7, with the exception of a sleeve 39 which surrounds the workpiece 15 with an interspace and the interior of which is connected by lines 38 to a protective gas source. The sleeve 39 is made of a material that can withstand the high temperatures and does not itself heat up strongly under the influence of the alternating field. The other reference numerals used in FIG. 12 are the same as in FIGS. 6 and 7.
Fig. 13 is a sectional view corresponding to Fig. 6 of a further modified embodiment. While FIGS. 6 and 7 show the normal coupling of the alternating field to the workpiece 15, in which the induction coil 25 surrounds the workpiece 15, FIG. 13 shows a so-called external coupling in which the inductor 40 extends only over part of the workpiece circumference. The arrangement according to FIG. 13 is particularly advantageous for treating gear wheels or twist drills and, quite generally, bodies with irregular, non-rotationally symmetrical surfaces.
Hydrocarbons other than methylene chloride are also suitable as solvents, and the suspension can also be applied in other ways besides immersion, e.g. done by spraying.
In general, the present method is not restricted to the illustrated and described exemplary embodiments, but can also be applied to objects or workpieces made of other metals using metal carbide or other suitable substances as an additive, depending on which surface property is desired. In principle, all substances that combine with a material surface through the action of heat (including gases) can be applied as additional materials with this process. Furthermore, the thickness of the surface layer can be varied as desired by changing the original layer thickness, the frequency of the alternating field, the speed of the relative movement between the inductor and the workpiece, and by the concentration of the additional material to be applied in the carrier material.
The heating of the coated workpiece surface does not necessarily have to be carried out in an alternating electric field using the skin effect, i.e. take place in the manner known in high-frequency hardening, it can also be carried out using or due to the electrical conductivity of the material itself, in that electrical current is passed through the workpiece.
Since the method described, which, from a technological point of view, represents a new way in comparison with the previously known method for applying materials to material surfaces, makes it possible to introduce additional materials into or onto material surfaces in a short time, the method allows to achieve the desired surface properties in a short time - as is necessary in assembly lines, transfer lines, automatic production processes. Due to the special nature of the process, which does not necessarily require manual work, it can be used in automatic production processes.
The possibility of regenerating the additional material, which is often very expensive and which may fall off in the work process, is particularly economical compared to conventional plating processes.