DE2126379C3 - Verfahren zum Borieren von Metallen, insbesondere von Stahl - Google Patents
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Description
Für das Borieren zur Erzeugung harter Oberflächenschichten auf Stählen und anderen Metallen kommen
mehrere Verfahren in Betracht. Die Verfahren unterscheiden sich im wesentlichen nach der Art der
borabgebenden Miuel.
Die Behandlung der Metalle in borabgebenden Salzschmelzen kennt zwei Varianten; Variante 1 findet
ohne Elektrolyse statt. In Variante 2 wird die Abscheidung des Bors elektrolytisch unterstützt, wobei
das zu borierende Teil Kathode ist, während die Tiegelwandung oder eine besondere Elektrode als
Anode benutzt werden. Die Anode kann dabei auch aus einem borhaltigen Material bestehen.
Außerdem ist versucht worden. Stähle durch hochfrequente Erwärmung in wäßrigen borhaltigen Lösungen
zu borieren. Dabei wurden vorzugsweise wäßrige Lösungen von Borax und Borsäureanhydrid verwendet.
Weitere Versuche erstreckten sich darauf, gasförmige Boriermittel einzusetzen. Dabei wurden als borabgebende
Gase Borhalogenide, Diboran und verschiedene organische Borverbindungen benutzt. Eine Sonderstellung
zwischen den flüssigen und gasförmigen Bonerverfahren
nimmt die sogenannte Tropfgasborierung ein. Hierbei werden flüssige Boriermittel. z. B. Bortribromid,
Bortrichlorid und Bortriäthyl, in den vorgeheizten Ofenraum eingetropft und zur Verdampfung gebracht.
Schließlich sind Versuche mit dem Pastenborieren unternommen worden, bei dem auf das Werkstück eine
Paste aus einem borhaltigen Mittel, einem Flußmittel und einem Bindemittel aufgetragen wird. Die genannten
Verfahren sind bisher nur im Labormaßstab erprobt und eingesetzt worden. Eine praktische Anwendung konnte
mit keinem der Verfahren erreicht werden.
Versuche, das Borieren im größeren Maßstab anzuwenden, haben bisher nur mit pulverförrnigen
Boriermitteln zu einem gewissen Erfolg geführt. In der
Handhabung entspricht das Borieren in Pulvern der seit langem bekannten Pulveraufkohlung. Die zu behandelnden
Teile werden mit dem Borierpulver in Kästen eingepackt und einer mehrstündigen Glühbehandlung
im Temperaturbereich von 800 bis I IOO°C unterworfen.
Die Kästen bestehen normalerweise aus Stahlblech und werden mit einem Deckel aus dem gleichen Material
verschlossen. Die Borierpulver enthalten borhaltige Stoffe und in vielen Fällen ein Streckmittel und
aktivierende Zuschläge, die die Borierwirkung verstärken sollen (z. B. DE-PS 17 96 212). Als borhaltige Stoffe
sind amorphes Bor, kristallines Bor, Ferrobor, Borcarbid und Borax sowie Gemische aus den genannten Stoffen
gebräuchlich. Als aktivierende Zuschläge werden folgende Verbindungen eingesetzt: Chloride von Kalium,
Natrium, Ammonium, Calcium und Barium, ferner verschiedene Fluoride, insbesondere Bariumfluorid und
Magnesiumfluorid. Auch Fluoroborate wurden als Aktivatoren vorgeschlagen (DD-PS 77 881).
Durch die Behandlung werden auf den Teilen sehr harte Schichten erzeugt, die im Fall der Eisenwirkstoffe
aus den Verbindungen FeB und Fe2B bestehen. Die
borreichere Verbindung FeB entsteht nur, wenn die Borierwirkung des Mittels hinreichend stark ist Da die
FeB-Phase nur unbedeutend härter, aber wesentlich spröder als die Fe2B-Phase ist, begnügt man sich häufig
mit einer schwächeren Borierwirkung und strebt eine Borierschicht an, die allein aus der Verbindung Fe;B
aufgebaut ist. Diese Schichten besitzen eine sehr hohe Verschleißfestigkeit, weshalb das Verfahren heute
schon in der Industrie in steigenden". Umfang für verschiedene hochbeanspruchte Bauteile und Werkzeuge
eingesetzt wird.
Ein schwerwiegender Mangel des Pulverborieren besteht darin, daß die mit ihm erzielbaren Borierschichten
in der äußeren Zone mehr oder weniger stark mit Poren und oxidischen Einschlüssen durchsetzt sind. Die
oxidischen Einschlüsse rühren daher, daß die Pulverpakkung Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gase enthält, die
auf die Bauteiloberfläche oxydierend wirken. Auf der anderen Seite haben Versuche ergeben, daß die
Anwesenheit von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen für die Erzielung dickerer Schichten unerläßlich
ist. Erfolgt nämlich die Behandlung in völlig abgedichteten Kästen oder im Vakuum, dann wird die Schichtstärke
auf etwa die Hälfte vermindert.
Es war daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum borieren von Metallen zu finden, insbesondere von
Stahl, durch Erhitzen in borierenden Pulvergemischen, bestehend aus einem borabgebenden Mittel, sowie
Aktivatoren und Streckmittel, das nicht zur Bildung von Schichten mit Oxideinschlüssen und nicht zur Bildung zu
dünner Schichten führt.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzlich freien Kohlenstoff enthaltende
borierende Pulvergemische eingesetzt werden. Verwendet man derartige Mischungen, dann sind die entstehenden
Schichten porenfrei und haben dennoch die gleiche Dicke, wie sie vom Borieren her bekannt ist. Auch ihre
Struktur ist die gleiche wie sie bei den bisher üblichen Borierpulvern erzeugt werden kann, was bedeutet, daß
die Verbesserung der Eigenschaften nicht etwa auf die Eindiffusion von Kohlenstoff zurückzuführen ist.
Als borabgebende Stoffe sind amorphes Bor, kristallines Bor, Ferrobor, Borcarbid, Borax und
Gemische aus diesen Stoffen geeignet. Diese werden, wie auch sonst üblich, mit aktivierenden Substanzen
vermischt, insbesondere in Mengen zwischen 2 und 10%, vorzugsweise 4%. Schließlich enthalten sie noch
die üblichen Streckmittel. Das wesentliche an der Mischung, deren Verwendung dem Verfahren gemäß
Erfindung zugrunde liegt, ist jedoch die Anwesenheit von freiem Kohlenstoff, z. B. in Form von feingemahlener
Holzkohle oder von Ruß. Es hat sich gezeigt, daß die Wirkung der Mischungen dann am besten ist, wenn ihr
Gehalt an freiem Kohlenstoff zwischen 2 und 40% liegt.
Wird dieser Gehalt unterschritten, dann ist die Bildung porenfreier Schichten nicht mehr gewährleistet, wird er
überschritten, dann läßt die Borierwirkung des Pulvers merklich nach. Besonders vorteilhaft ist ein Kohlenstoffgehalt
zwischen 5 und 15%.
In einem Borierpulver mit einer Zusammensetzung von 74% Borcarbid (B4C), 16% Borax und 10%
Kaliumfluorid wurde eine Probe aus dem Stahl Ck 15, normalisiert, bei 900° C 5 Stunden lang behandelt.
Danach wurde durch metallographische Untersuchung festgestellt, daß eine Boridschicht mit einer Dicke
von 220 bis 240 μιη entstanden war. Der äußere Teil dieser Schicht war jedoch stark porös und enthielt
grobe oxidische Einschlüsse bis zu einer Tiefe von etwa 60 μιη. Danach folgte eine weitere Schicht mit feineren
Einschlüssen bis zu einer Tiefe von 90 μπι.
Ein weiterer Versuch wurde durchgeführt mit einem Gemisch aus 66% Borcarbid, 16% Borax, 10%
Kaliumfluorid und 8% C, letzterer in Form von feingemahlener Holzkohle. Wiederum wurde eine
Probe aus dem Stahl Ck 15 5 Stunden bei 9000C boriert. Die metallographisch ermittelte Boridschicht hatte
eine Dicke von 220 bis 250 μπι. Die gesamte Schicht war
porenfrei.
Ein weiterer Versuch wurde durchgeführt mit einev Mischung aus 54% Borcarbid, 16% Borax, 10%
la Kaliumfluorid und 20% Kohlenstoff in Form von feingemahlener Holzkohle.
Die metallographisch ermittelte Schichtdicke an einer Probe aus Ck 15, die 5 Stunden bei 900" C boriert
worder war, lag bei 190 bis 220 μιτι. Auch diese Schicht
war porenfrei.
Ein weiterer Versuch wurde durchgeführt mit einer Mischung aus 34% Borcarbid, 16% Borax, 10%
>n Kaliumfluorid und 40% Ruß.
Die metallographisch ermittelte Schichtdicke an einer Probe aus Ck 15, 5 Stunden bei 900° C boriert, lag
nunmehr bei 150 bis 170 μηι.
Claims (4)
1. Verfahren zum Borieren von Metallen, insbesondere von Stahl, durch Erhitzen in borierenden
Pulvergemischen, bestehend aus einem borabgebenden Mittel sowie Aktivatoren und Streckmittel,
dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich freien Kohlenstoff enthaltende borierende Pulvergemische
eingesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Anteil an aktivierenden Zusätzen in
den borierenden Pulvergemischen zwischen 2 und lOGew.%, vorzugsweise 4 Gew.°/o, eingesetzt werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an freiem
Kohlenstoff zwischen 2 und 40% eingestellt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an freiem Kohlenstoff
zwischen .5 und 1 Wo eingestellt wird ?n
Priority Applications (6)
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