DE2633137C2 - Borierungsmittel zum Borieren von Massenteilen aus Eisen und Nichteisenmetallen - Google Patents

Borierungsmittel zum Borieren von Massenteilen aus Eisen und Nichteisenmetallen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Borierungsmittel zum Borieren von Massenteilen aus Eisen und Nichteisenmetallen, bestehend aus borabgebenden Substanzen, Aktivatoren, Füllstoff und einem Bindemittel.
Das Borieren von Eisenwerkstoffen und Nichteisenmetallen als Verfahren zur Erzeugung verschleißhemmender Schichten ist seit längerer Zeit bekannt Von den in der Literatur beschriebenen Verfahren hat sich bisher nur das Pulverborieren in nennenswertem Umfang in der Praxis durchsetzen können. Dabei wird das zu behandelnde Werkstück in eine Mischung verschiedener Substanzen eingepackt und einer Temperaturbehandlung unterzogen. Als Boriermittel findet meist ein Gemisch Verwendung, das aus Bohrcarbid als borabgebender Substanz, aus Siliciumcarbid oder einem anderen Füllstoff zur Einstellung der Aktivität und aus KaIiumborfluorid als Aktivator besteht Dieses Gemisch enthält darüber hinaus z.T. noch amorphen Kohlenstoff und andere Zusätze, die die Aktivität steigern sollen. Es wird als Pulver oder Granulat angewandt Die Temperaturbehandlung wird nahezu ausschließlich in Kammer-, Muffel- oder Topfofen vorgenommen.
Obwohl mit dieser Verfahrensweise einwandfreie Boridschichten erzeugt werden, haften ihr einige schwerwiegende Nachteile an. Das Einpacken der Werkstücke in das Boriermittel und das Auspacken ist nur von Hand möglich. Der Anwendungsbereich des Verfahrens wird dadurch von vornherein auf die Behandlung von Einzelstücken oder Kleinserien beschränkt. Aber auch bei größeren oder kompliziert geformten Einzelstücken wird das Verfahren in der Praxis nur ungern angewandt, da der Verbrauch an Boriermittel in diesen Fällen sehr hoch liegt Schließlich ist das partielle Borieren, d. h. die Behandlung einzelner Werkstückpartien, nur unter erheblichen Schwierigkeiten oder gar nicht möglich.
Aus diesen Gründen hat es daher nicht an Versuchen gefehlt, das Boriermittel mit einem geeigneten Bindemittel in eine streich-, spritz- oder tauchfähige Konsistenz zu bringen. Dabei wird die pulvrige Boriermischung mit Wasser versetzt (z.B. DE-OS 21 47 755), wobei durch die löslichen salzartigen Komponenten des Boriermittels eine gewisse Bindung bewirkt wird. Auch wird die Verwendung organischer Bindemittel, wie z. B. von Acrylharzen, gelöst in Aceton, empfohlen (DE-OS 23 61 017).
Bei Anwendung von Pasten ist die Behandlung unter Schutzgas (z. B. Wasserstoff, Formiergas) oder im Vakuum vorteilhaft. Die Boridschichten werden dadurch gleichmäßiger hinsichtlich ihrer Struktur und ihrer Dik-
ke.
Die beschriebenen Borierpasten haben bisher keinen nennenswerten Eingang in die Praxis gefunden, da sie dsn gestellten Anforderungen nicht vollständig genügea So ist von Nachteil, daß die bisher vorgeschlagenen Pasten zur Entmischung neigen, d.h. die spezifisch schwereren Bestandteile wie Borcarbid und Siliciumcarbid, setzen sich nach unten ab. Außerdem spielt speziell bei den mit organischen Binde- und Lösungsmitteln hergestellten Pasten die Brandgefahr eine wesentliche Rolle. Schließlich ist es bei komplizierter geformten Werkstücken schwierig, die Pastenreste einwandfrei zu entfernen. Auch die Anwendung von Ultraschall führt hier nicht in allen Fällen zu befriedigenden Ergebnissen.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Paste zum Borieren von Massenteilen aus Eisen und Nichteisenmetallen zu finden, die durch Streichen, Spritzen oder Tauchen aufgebracht werden kann und die die oben angeführten Nachteile nicht aufweist Sie sollte insbesondere lagerstabil, nicht brennbar und leicht von den Werkstücken entfernbar sein. Ferner sollte diese Paste dazu benutzt werden können, ein kontinuierliches Verfahren zur Borierung größerer Serien von Kleinteilen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß eine Paste aus einer borabgebenden Substanz, einem Füllstoff, einem Aktivator und Wasser als Bindemittel verwendet wird, wobei erfindungsgemäß die Paste zusätzlich 2 bis 8 Gew.-% Pyrogene, d. h. durch Flammpyrolyse hergestellte Kieselsäure enthält.
Als borabgebende Substanz kann amorphes Bor oder Borcarbid Verwendung finden. Als Füllstoff, der gleichzeitig dazu dient, die Aktivität der Paste so einzustellen, daß nur monophasige Schichten aus FeaB entstehen, können Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliciumcarbid oder ähnliche inerte Substanzen dienen. Schließlich kann als Aktivator in bekannter Weise Kaliumborfluorid verwendet werden.
Der Anteil an pyrogener Kieselsäure kann innerhalb der angegebenen Grenzen variiert werden, je nach den betrieblichen Erfordernissen. Soll die Paste z. B. durch Tauchen aufgebracht werden, wird man eine dickere Konsistenz wählen, d. h. den Anteil an pyrogener Kieselsäure relativ hoch wählen. Soll die Paste dagegen durch Spritzen auf das Werkstück aufgebracht werden, wird man einen geringeren Anteil an pyrogener Kieselsäure anwenden. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von 2 bis 5 Gew.-% pyrogener Kieselsäure erwiesen.
Die hier beschriebenen Pasten weisen eine Reihe wesentlicher Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Sie sind stabil und neigen nicht zum Absetzen. Außerdem sind sie nicht brennbar. Ihre Konsistenz ist innerhalb weiter Grenzen variabel. Bei Abkühlung von Boriertemperatur am Ende der Behandlung fällt bzw. blättert die Paste überraschenderweise nahezu vollständig von den Werkstücken ab. Verbleiben bei komplizierter geformten Werkstücken noch Reste, können diese einwandfrei mit warmem Wasser, bei Behandlung größerer Serien ggf. in einer Waschmaschine, entfernt werden. Die Grundforderung, daß bei Anwendung der Pasten gut ausgebildete, gleichmäßige Boridschichten entstehen, wird in idealer Weise erfüllt.
Die Anwendung dieser Pasten macht die Verwendung eines Schutzgases, z. B. Stickstoff oder Formiergas, erforderlich. In Anbetracht der wesentlichen Einsparungen an dem relativ teuren Boriermittel, die durch Anwendung des Pastenverfahrens zu erzielen sind, fällt die
Notwendigkeit der Schutzgasanwendung jedoch wirtschaftlich nicht ins Gewicht
Aufgrund der geschilderten Vorteile der erfindungsgemäßen Paste wird die Schaffung eines kontinuierlichen Borierverfahrens für größere Serien von Teilen ermöglicht Durch Kombination eines automatischen Band- oder Kettendurchlaufofens mit einer ebenfalls automatischen Tauch- oder Spritzstation können große Serien entsprechender Teile ohne Schwierigkeiten behandelt werden. Außerdem kann nut der erfindungsgemäßen Borierpaste auch eine partielle Borierung vorgenommen werden.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Borierpaste werden anhand der folgenden Beispiele näher erläutert:
Beispiel 1 .
Bei Kleinteilei» der Abmessung 50 χ 30 χ 20 mm3 aus einem unlegierten Stahl Ck 15, die an einer Stirnfläche starkem Reibverschleiß unterliegen, wurden diese Stirnflächen in eine Paste getaucht, die folgende Zusammensetzung aufwies:
20 Gew.-% Borcarbid
40 Gew.-% Siliciumcarbid
6,7 Gew.-% Kaliumborfluorid
30 Gew.-% Wasser
3,3 Gew.-% pyrogene Kieselsäure
Die Herstellung der Paste wurde vorgenommen, indem die pulverförmigen Komponenten Borcarbid, Siliciumcarbid und Kaliumborfluorid zunächst innig gemischt und daan in die wäßrige Suspension der Kieselsäure eingerührt wurden. Nach dem Tauchen wurden die Teile ohne Trocknen auf das Band eines automatischen Banddurchlaufofens gelegt, und zwar auf die Fläche, die der mit Paste überzogenen gegenüberlag. Der Ofen wurde mit Stickstoff als Schutzgas betrieben. Die Banddurchlauf geschwindigkeit war so eingestellt, daß die Teile nach dem Vorwärmen 3 Stunden einer Temperatur von 900° C ausgesetzt waren und bis zum Ofenende (Bandende) auf ca. 4000C abgekühlt wurden. Vom Bandende wurden die Teile in einen Kasten abgeworfen, in dem sie erkalteten. Bei den hier vorliegenden, glatten Teilen hafteten keine Pastenreste auf den Bauteilen.
Die Borierung entsprach voll den Anforderungen. Auf der behandelten Stirnfläche war eine gut ausgebildete, gleichmäßige Boridschicht von 80 bis 90 μπι Dicke entstanden. Erwähnenswert ist noch, daß bei dem beschriebenen Verfahren (Borieren nur der Funktionsfläche mit Paste, Durchlaufofen unter Schutzgas) 3,3 g Borierpaste pro Teile verbraucht wurden. Vergleichsweise sind beim konventionellen Pulverborieren (Einbetten des ganzen Teiles in Pulver) ca. 130 g Boriermittel pro Teil erforderlich.
Beispiel 2
PKW-Teile aus dem Stahl 34 CrNiMo 6 mit Abmessuneen von 55 mm Durchmesser, 30 mm Höhe, einer Mittelbohrung von 13 nun und Verzahnung auf dem Umfang wurden ebenfalls nach diesem Verfahren behandelt Die Zusammensetzung der Paste war in diesem Falle:
10 Gew.-%
45 Gew.-%
6,25 Gew.-%
35 Gew.-%
3,75 Gew.-%
amorphes Bor
Aluminiumoxid
Kaliumborfluorid
Wasser
pyrogene Kieselsäure
Die Herstellung der Paste wurde in der gleichen Weise vorgenommen wie beim Beispiel 1. Auch das Tauchen in die Borierpaste und die Art der Wärmebehandlung entsprachen dem Beispiel 1, jedoch wurde die Bandgeschwindigkeit so eingestellt, daß eine zweistündige Behandlung bei 950° C resultierte. Am Bandauslauf wurden die Teile nur auf ca. 8500C abgekühlt und dann direkt in ein Salzbad abgeworfen, das eine Temperatur von 2000C aufwies. Damit wurde eine Härtung unmittelbar nach dem Borieren ohne Wiedererwärmung erreicht Borierpastenreste fanden sich nicht auf den Teilen, sondern nur im Salzbad, aus welchem sie auf dem bekannten Wege durch Entschlammen entfernt werden konnten. Die Dicke der Boridschicht lag bei 75 bis 95 μπι, sie war einwandfrei und gleichmäßig. Das Kerngeföge der Bauteile entsprach dem nach Warmbadhärtung zu erwartenden Martensitgefüge. Der Bedarf an
Ju Borierpaste lag bei 16 g/Stück, beim konventionellen Verfahren sind ca. 210 g erforderlich.
Beispiel 3
Schnecken von 1250 mm Länge und einem Durchmesser von 60 mm aus 42 CrMo 4 zum Extrudieren von Kunststoffen, deren Borierung bisher einen erheblichen manuellen Aufwand und einen hohen Verbrauch an Boriermittel bedingte, wurden mit einer Borierpaste folgender Zusammensetzung bestrichen:
25 Gew.-%
35 Gew.-%
6,5 Gew.-%
31 Gew.-%
2,5 Gew.-%
Borcarbid
Siliciumcarbid
Kaliumborfluorid
Wasser
pyrogene Kieselsäure
so Dabei wurden nur die starkem, abrasivem Verschleiß unterliegenden Partien wie Schneckenspitze, Schnekkenstege und -flanken, nicht aber der Schneckengrund bestrichen. Die Behandlung erfolgte in einem Kammerofen, in den als Schutzgas Formiergas mit 95% Stickstoff und 5% Wasserstoff eingeleitet wurde. Nach einer fünfstündigen Borierung bei 9250C war eine Schichtdicke von 140 bis 150 μπι von guter Qualität entstanden. Nach dem konventionellen Einpackverfahren waren pro Schnecke 8,5 kg Boriermittel erforderlich, bei dem Verfahren dieses Beispiels lediglich 0,95 kg Borierpaste.

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Borierungsmittc? zum Borieren von Massenteilen aus Eisen und Nichteisenmetallen, im wesentlichen bestehend aus borabgebenden Substanzen, Aktivatoren, Füllstoffen und Wasser als Bindemittel, dadurch gekennzeichnet,daß das Borieningsmittel zusätzlich 2 bis 8 Gew.-% pyrogene Kieselsäure enthält
Z Borierungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 2 bis 5 Gew.-% pyrogene Kieselsäure enthält
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