DE3705710C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Nitrieren der Oberfläche eines Titanformteils, wie einer Zahnprothese.

In den letzten Jahren erstreckt sich der Einsatz von Produkten, die durch Gießen von reinem Titan oder Titanlegierungen erhältlich sind, auch auf das Gebiet der Zahnheilkunde. Daher wird zunehmend die Nitrierung der Oberfläche derartiger Titanformteile angewendet, wobei eine Nitridschicht auf der Oberfläche gebildet wird, um die Oberflächenhärte zu erhöhen und die Abriebsbeständigkeit der Oberfläche zu verbessern und gleichzeitig der Oberfläche eine goldene Farbtönung zu verleihen. Außerdem wird diese Nitrierbehandlung von Formteilen aus Titan bei industriell eingesetzten Teilen allgemein in ähnlicher Weise ausgeführt, um die Oberflächenhärte zu erhöhen und die Abriebsbeständigkeit zu verbessern. Zur Schaffung von nitrierten Oberflächen von Titanformteilen waren das Gasnitrierungsverfahren und das Ionennitrierungsverfahren bekannt. So offenbart zum Beispiel die JP-PS 56 44 148 (1981) ein Verfahren zum Nitrieren der Oberfläche eines Titanformteils oder einer α-Titanlegierung. Bei diesem Verfahren zum Nitrieren der Oberfläche wird ein Formteil aus reinem Titan oder einer α-Titanlegierung in Kontakt mit einem Titannitrid-Pulver in einer Kammer gehalten und Stickstoff in die Kammer unter Erhitzen des Inhaltes der Kammer auf eine Temperatur im Bereich von etwa 790 bis 880°C eingeleitet, so daß das das Titanformteil umhüllende Titannitrid-Pulver die Oberfläche des Formteils nitriert. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die Nitrierungsbehandlung lange dauert, weil die Bildung eines Nitrids auf der Oberfläche des Formteils aus Titan von der wechselseitigen Umsetzung zwischen dem Titannitrid und dem Formteil aus reinem Titan oder einer α-Titanlegierung abhängt.

Bei dem bekannten Verfahren zum Gasnitrieren wird ein erhitztes Titanformteil mit Stickstoff in Berührung gebracht. Dieses Verfahren bewirkt die Oberflächennitrierung durch Einwirkung von Stickstoffgas hoher Reinheit. Trotz seiner hohen Reinheit enthält der Stickstoff unvermeidbar Verunreinigungen, wie Sauerstoff und Wasserstoff, wenn auch nur in winzigen Mengen. Wird nun die Oberfläche eines Formteils aus reinem Titan oder einer Titanlegierung dem Stickstoff ausgesetzt, dann reagieren diese Verunreinigungen mit der Oberfläche und führen zur Oxidation und zur Absorption von Wasserstoff, die die gleichmäßige Abscheidung einer Nitridschicht auf der Oberfläche des Formteils aus Titan behindern, die Oberflächenfestigkeit beeinträchtigen oder die Oberfläche des Titanformteils eine andere als die erwünschte Farbe annehmen lassen. Die Entfernung solcher Fremdkomponenten, wie Sauerstoff und Wasserstoff, aus dem Stickstoffgas erfordert die Anwendung einer Vorrichtung, die voluminös und sehr teuer ist.

Aus der JP-A-55-38966 ist Verfahren zum Nitrieren von Titanformteilen bekannt, bei dem der Stickstoff mit Hilfe eines Titanfilters gereinigt wird und anschließend im Behandlungsraum unter Normaldruck steht. Die mit diesem Verfahren erhaltenen Produkte weisen eine relativ matte Oberfläche auf. Aus dieser Druckschrift ist es ferner bekannt, das Formteil innerhalb des Behandlungsraumes in granulares Material einzubetten.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nitrieren der Oberfläche eines Titanformteils anzugeben, um Titanformteile mit hoher Oberflächengüte herzustellen. Diese Aufgabe wird mit dem Merkmal der Ansprüche 1 bzw. 5 gelöst.

Die vorliegende Erfindung bewirkt die Bildung einer gleichmäßigen Nitridschicht auf der Oberfläche eines Formteiles aus reinem Titan oder einer Titanlegierung durch vorheriges in Berührung bringen des Stickstoffs, der mit dem Formteil aus reinem Titan oder einer Titanlegierung in Kontakt kommen und auf dessen Oberfläche eine Nitridschicht in Kontakt kommen und auf dessen Oberfläche eine Nitridschicht bilden soll, mit kleinen Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung, so daß dem Stickstoff Fremdkomponenten, wie Sauerstoff und Wasserstoff, durch Umsetzung mit den kleinen Teilchen aus reinem Titan oder der Titanlegierung entzogen werden und man reinen Stickstoff erhält, der dann nachfolgend mit dem Titanformteil in Kontakt kommt.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein erläuterndes Verfahrensdiagramm, das ein typisches Verfahren zum Nitrieren der Oberfläche eines Titanformteils als einer der ersten Ausführungsform zeigt,

Fig. 2 ein erläuterndes Flußdiagramm, das ein anderes Verfahren für die obengenannte Nitrierungsbehandlung zeigt,

Fig. 3 ein erläuterndes Diagramm, das eine typische Vorrichtung zum Nitrieren der Oberfläche eines Formteils aus Titan gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,

Fig. 4 bis 6 Darstellungen, die andere Ausführungen des inneren des Behandlungsofens der Vorrichtung nach Fig. 3 zeigen,

Fig. 7 eine Darstellung einer anderen typischen Vorrichtung zur Durchführung der Nitrierungsbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 8 ein erläuterndes Diagramm, das eine andere typische Ausführungsform des Inneren des Behandlungsofens der Vorrichtung nach Fig. 7 zeigt,

Fig. 9 eine Darstellung der vorgenannten Vorrichtung mit einem geraden Rohr als Behandlungsofen und

Fig. 10 eine Darstellung einer anderen Ausführung des Inneren des Behandlungsofens der Vorrichtung nach Fig. 9.

Die vorliegende Erfindung erzeugt eine Nitridschicht auf der Oberfläche eines Formteils aus reinem Titan oder einer Titanlegierung durch Überleiten von Stickstoff über kleine Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung, wobei kleine Teilchen aus reinem Titan bevorzugt sind; Fremdkomponenten, wie Wasserstoff und Sauerstoff, die im Stickstoff enthalten sind, setzen sich mit den kleinen Teilchen um und werden so aus dem Stickstoff abgetrennt, so daß man nachfolgend gereinigten Stickstoff mit der Oberfläche des zu behandelnden erhitzten Titanformteils in Berührung bringt. Die kleinen Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung, die bei der vorbeschriebenen Prozedur verwendet werden, sollen im allgemeinen eine Größe und Gestalt haben, die vermeidet, daß diese Teilchen beim Kontakt mit dem Stickstoff verbrennen. Da das Nitrieren im allgemeinen bei etwa 700°C beginnt, muß die Größe der kleinen Teilchen derart sein, daß bei Temperaturen dieser Größenordnung die kleinen Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung beim Kontakt mit dem im Stickstoff enthaltenen Sauerstoff nicht zu verbrennen beginnen. Es hat sich gezeigt, daß im Falle von kleinen Teilchen aus reinem Titan die Teilchengröße zur Erfüllung der vorgenannten Forderung 0,15 mm beträgt. Kleine Teilchen aus Titan mit Durchmessern, die kleiner als 0,15 mm sind, insbesondere Durchmesser von 0,1 mm oder 0,074 mm, beginnen beim Kontakt mit dem Stickstoff zu brennen. Solche kleinen Titanteilchen mit Durchmessern von weniger als 0,15 mm, die beim Kontakt mit Stickstoff, das auf eine Temperatur erhitzt ist, die die vorgenannte Nitriertemperatur übersteigt, d. h. etwa 700°C, zu verbrennen beginnen, sind daher auszuschließen. Vorzugsweise werden kleine Titanteilchen mit Durchmessern von mehr als 0,177 mm benutzt. Die gerade erwähnte Teilchengröße verhindert, daß die kleinen Titanteilchen beim Kontakt mit dem im Stickstoff enthaltenen Sauerstoff und Wasserstoff zu brennen beginnen, selbst wenn sich dabei die Titanteilchen im erhitzten Zustand befinden. Kleine Teilchen aus Schwammtitan sind zu einem ziemlich geringen Preis erhältlich, und sie haben eine relativ große Porosität und eine große Oberfläche und ergeben ein befriedigendes Material zur Entfernung von Sauerstoff und Wasserstoff. Die Verwendung dieser kleinen Teilchen aus Schwammtitan gestattet deshalb das Nitrieren der Oberfläche eines Formteils aus Titan in einer billigen und wirksamen Weise. Gegebenenfalls können die kleinen Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung dicht an der Peripherie des Titanformteils innerhalb der Behandlungsvorrichtung in Form eines Hohlraums angeordnet sein. Um bei dieser Ausführungsform den Stickstoff durch die Masse aus kleinen Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung hindurchdringen und leicht in Kontakt mit dem Titanformteil kommen zu lassen, sollten diese Titanteilchen nicht zu klein sein und in Form einer Masse eine hohe Durchlässigkeit gegenüber Gas aufweisen und die Nitrierungsbehandlung innerhalb einer kurzen Zeitspanne gestatten. Haben die Titanteilchen Durchmesser von mehr als 0,25 mm, insbesondere Durchmesser in der Größenordnung von 0,5 mm dann weisen sie die Stabilität auf, dank derer sie eine Verbrennung beim Kontakt mit dem Stickstoff verhindern, weil die Temperatur des Titans im Anfangsstadium der Nitrierung etwa 700°C beträgt und der Wärmeverformungspunkt des Titans etwas unterhalb von 900°C liegt.

Im folgenden wird die Erfindung näher anhand der Zeichnung erläutert. Fig. 1 veranschaulicht ein typisches Verfahren zum Nitrieren der Oberfläche eines Formteils aus Titan gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Stickstoff enthaltender Zylinder 1 liefert Stickstoff. Bei geöffnetem Ventil 2 kann der Stickstoff vom Zylinder 1 durch eine Zuführungsleitung 3 dem Inneren eines elektrischen Ofens als einer Vorrichtung 4 zum Behandeln des Titans zugeführt werden. Dieser elektrische Ofen weist eine Heizeinrichtung 5 auf, damit die für eine Nitrierungsbehandlung erforderliche Temperatur erreicht wird und gestattet gleichzeitig eine dicht geschlossene Kammer, in der man eine Nitrieratmosphäre einstellen kann. Um die kontinuierliche Zufuhr des Stickstoffs zu erleichtern, zieht eine Vakuumpumpe 6, die wie in der Zeichnung dargestellt angeordnet ist, das im Inneren der Behandlungsvorrichtung 4 befindliche Gas auf der Zufuhrseite gegenüberliegenden Seite ab. In dieser Ausführungsform wird daher ein Strömungspfad geschaffen, der die Zufuhr von frischem Gas aus dem Zylinder 1 gestattet. Daraufhin wird im Inneren des elektrischen Ofens ein Titanformteil T, d. h. ein Formteil aus reinem Titan oder einer Titanlegierung, das behandelt werden soll, angeordnet, und man verteilt kleine Teilchen 7 aus reinem Titan oder einer Titanlegierung um die Peripherie des Formteils aus Titan. Der aus dem Zylinder 1 zugeführte Stickstoff füllt das Innere des elektrischen Ofens mit seinem vorbeschriebenen Inhalt. Der den elektrischen Ofen füllende Stickstoff wird auf der gegenüberliegenden Seite durch die Vakuumpumpe 6 abgezogen. Auf diese Weise wird das Innere des elektrischen Ofens immer mit einem festgelegten Volumen an frischem Stickstoff gespült. Stellt man den elektrischen Ofen im beschriebenen Zustand an, dann erhöht die Heizeinrichtung 5 die Temperatur im Inneren des elektrischen Ofens oder der zum Behandeln verwendeten Vorrichtung 4 auf einen vorbestimmten Wert, der zum Beispiel 700°C übersteigt und der für die Nitrierung erforderlich ist. Sauerstoff und Wasserstoff, die im vom Zylinder 1 zugeführten Stickstoff enthalten sind, gelangen auf diese Weise in Kontakt mit den kleinen Teilchen 7 aus reinem Titan oder einer Titanlegierung, die um die Peripherie des Formteils T aus Titan angeordnet sind und reagieren damit, während der Stickstoff zum Formteil T aus Titan gelangt. Man läßt den gereinigten Stickstoff, der durch die Abtrennung des Sauerstoffs und Wasserstoffs erhalten wird, in Kontakt mit dem erhitzten Formteil kommen und sich mit der Oberfläche dieses Formteils umsetzen und eine Nitridschicht auf der Oberfläche bilden. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die Nitridschicht eine erwünschte Dicke erreicht hat.

Bei der in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsform sind die kleinen Teilchen 7 aus reinem Titan oder einer Titanlegierung nicht auf der Peripherie des Formteils T angeordnet, wie dies in Fig. 1 der Fall ist, sondern sie befinden sich in einem innerhalb des Behälters abgetrennten Raum, während sich das Formteil T in dem übrigen Raum befindet. Insbesondere befinden sich die kleinen Teilchen 7 aus reinem Titan oder einer Titanlegierung an einer geeigneten Stelle in der Zufuhrleitung 3 für das Stickstoff, das aus dem Zylinder 1 stammt. In der veranschaulichten Ausführungsform befinden sich die kleinen Teilchen 7 aus reinem Titan oder einer Titanlegierung zum Beispiel auf der Seite des elektrischen Ofens, an der sich der Stickstoffeinlaß befindet. Während der Stickstoff durch das Innere des elektrischen Ofens strömt, können sich der im Stickstoff vorhandene Sauerstoff und Wasserstoff mit den kleinen Teilchen 7 aus reinem Titan oder einer Titanlegierung umsetzen. Den danach erhaltenen gereinigten Stickstoff bringt man in Berührung mit dem Formteil T und nitriert die Oberfläche des Formteils. Auch bei dieser Auführungsform, bei der das Gas durch die Vakuumpumpe 6 aus dem elektrischen Ofen in gleicher Weise abgesaugt wird wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1, kann die Oberfläche des Formteils wie erwünscht nitriert werden. Die Luftdichtheit der Vorrichtung 4 zum Behandeln kann leicht dadurch aufrechterhalten werden, daß man den Druck des Stickstoffs innerhalb dieser Behandlungsvorrichtung 4 etwas oberhalb des Atmosphärendruckes hält. Zu Beginn des Betriebes der Vorrichtung kann man den luftdichten Zustand dadurch erzielen, daß man zuerst das Innere des elektrischen Ofens mit der Vakuumpumpe 6 sehr stark evakuiert und dann Stickstoff in den elektrischen Ofen einführt, der so evakuiert bleibt oder indem man zu Beginn der Umsetzung Stickstoff durch den elektrischen Ofen leitet und das darin befindliche Gas durch Stickstoff ersetzt, bis der elektrische Ofen nur noch Stickstoff enthält. Das Erhitzen kann erfolgen, nachdem das Innere des elektrischen Ofens nur noch mit Stickstoff gefüllt ist. Man kann aber auch erst die Temperatur im Inneren des elektrischen Ofens auf das vorgeschriebene Niveau bringen, das zu behandelnde Formteil aus Titan in den erhitzten Ofen einführen und danach mit der Zufuhr von Stickstoff beginnen.

Versuch 1

Kleine Teilchen aus Titan unterschiedlicher Größen wurden der Nitrierungsbehandlung nach dem oben beschriebenen Verfahren ausgesetzt, um die Temperaturen zu bestimmen, bei denen sie zu brennen begannen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Durch diesen Versuch wurde gezeigt, daß kleine Teilchen aus Titan mit zum Beispiel einem Durchmesser von 0,15 mm nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung bei Temperaturen eingesetzt werden können, die 700°C nicht übersteigen. In einem Testlauf bildeten sie bei einer 4stündigen Behandlung zum Beispiel eine Nitridschicht von 1 µm Dicke. Wurden kleine Teilchen aus Titan mit einem Durchmesser von 0,15 mm der Behandlung bei einer höheren Temperatur von 800°C ausgesetzt, dann begannen sie gelegentlich zu brennen. In diesem Falle wurde in einer 4stündigen Behandlung eine Nitridschicht mit einer Dicke von 2,5 µm erhalten. Somit wurde festgestellt, daß die kleinen Teilchen mit einem Durchmesser von 0,15 mm den Einsatz bei der Behandlung bei Temperaturen oberhalb von 800°C nicht vertragen. Kleine Titanteilchen mit einem Durchmesser von 0,177 mm konnten bei einer Temperatur von 850°C benutzt werden, doch konnten diese Teilchen die Behandlung bei 900°C nicht vertragen, da sie bei diesen Temperaturen gelegentlich zu brennen anfingen. Es wurde festgestellt, daß die kleinen Titanteilchen in Anbetracht des Wärmeverformungspunktes von Titan bei etwa 882°C in der Größenordnung von 900°C nur brauchbar sind, wenn sie einen größeren Durchmesser als 0,25 mm haben. Da die Temperatur, die allgemein für die Nitrierungsbehandlung benutzt wird, im Bereich von etwa 700 bis 880°C liegt, sind die kleinen Titanteilchen wirksam verwendbar, wenn sie einen Durchmesser aufweisen, der nicht geringer ist als 0,25 mm. Hinsichtlich der Gestalt der kleinen Titanteilchen sind kleine Titanflocken, -blättchen oder -schuppen, die Spänen ähneln und die um die Peripherie des Formteiles aus Titan herum angeordnet werden, brauchbar für die Bildung einer Nitridschicht erwünschter Qualität, verglichen mit kleinen Titanteilchen in Form von Perlen oder Granulat, da die genannten Flocken sehr gasdurchlässig sind und sich leicht mit dem im Stickstoff enthaltenen Sauerstoff und Wasserstoff verbinden.

Tabelle 1

Versuch 2

Kleine Teilchen aus Schwammtitan oder Schwamm-Titanlegierung verschiedener Größen wurden der Nitrierungsbehandlung unterworfen, um die Temperaturen zu bestimmen, bei denen sie zu brennen anfingen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Bei diesem Versuch wurde festgestellt, daß kleine Teilchen aus Schwammtitan mit einem Durchmesser von z. B. 0,15 mm nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wirksam bei einer Temperatur von 700°C eingesetzt werden können. In einem Testlauf bildeten sie in einer 4stündigen Behandlung eine Nitridschicht von 1 µm Dicke. Wurden die kleinen Teilchen mit einem Durchmesser von 0,15 mm bei einer höheren Temperatur von 800°C benutzt, dann begannen sie gelegentlich zu brennen. In diesem Falle bildeten sie in einer 4stündigen Behandlung eine Nitridschicht mit einer Dicke von 2,5 µm. Somit wurde festgestellt, daß die kleinen Teilchen aus Schwammtitan mit einem Durchmesser von 0,15 mm bei Temperaturen, die 800°C übersteigen, nicht brauchbar sind. Die kleinen Teilchen aus Schwammtitan mit einem Durchmesser von 0,177 mm konnten bei einer Temperatur von 850°C benutzt werden. Bei höheren Temperaturen in der Nähe von 900°C waren sie jedoch nicht brauchbar, da sie gelegentlich zu brennen begannen. Es wurde festgestellt, daß in der Nähe von 900°C in Anbetracht der Wärmeverformungstemperatur des Titans von 882 °C die kleinen Teilchen aus Schwammtitan nur brauchbar sind, wenn sie einen Durchmesser von mehr als 0,25 mm aufweisen. Weiter wurde festgestellt, daß die kleinen Teilchen aus Schwammtitan wirksam eingesetzt werden können, wenn sie einen Durchmesser von mehr als 0,25 mm aufweisen, da die Temperatur, die für die Nitrierungsbehandlung benutzt wird, allgemein in den Bereich von etwa 700 bis 880°C fällt.

Tabelle 2

Versuch 3

Kleine Teilchen aus Titan, die mit verschiedenen Gestalten hergestellt wurden, behandelte man nach dem in Fig. 1 dargestellten typischen Verfahren bei 800°C und für eine Dauer von 4 Stunden. Die Ergebnisse sind in der rechten Spalte der Tabelle 3 aufgeführt. Dieser Tabelle läßt sich entnehmen, daß kleine Titanteilchen mit so geringen Durchmessern wie 0,074 und 0,044 mm nicht wirklich eingesetzt werden können, da sie verbrennen. Es wurde festgestellt, daß die kleinen Titanteilchen mit einem Durchmesser von 0,15 mm brauchbar sind, obwohl sie gelegentlich brennen, was zeigt, daß dieser besondere Durchmesser die Minimalgröße für den wirksamen Einsatz bei der Behandlung darstellt. Kleine Titanteilchen mit einem Durchmesser von 0,5 mm haben sich als ausreichend brauchbar erwiesen. Kleine Titanteilchen in Form von Spänen mit einer Länge von 2 bis 4 mm und einer Dicke von 1 bis 2 mm führen zu einer befriedigenden Nitrierung. Die anderen kleinen Titanteilchen in Form von Spänen mit den unter Nr. 6 und Nr. 7 angegebenen Abmessungen haben sich ebenfalls als brauchbar erwiesen. Die beim Einsatz dieser kleinen Titanteilchen gebildeten Nitridschichten weisen eine gewünschte Nitridfarbe auf.

Tabelle 3

Versuch 4

Kleine Teilchen aus Schwammtitan, die in verschiedenen Größen hergestellt waren, wurden nach dem in Fig. 1 veranschaulichten typischen Verfahren unter den Nitrierbedingungen von 800°C und für 4 h Dauer behandelt. Die Ergebnisse sind in der rechten Spalte der Tabelle 4 gezeigt. Dieser Tabelle läßt sich entnehmen, daß die kleinen Teilchen aus Schwammtitan mit so kleinen Durchmessern wie 0,074 mm und 0,044 mm nicht wirklich eingesetzt werden können, da sie verbrennen. Es wurde jedoch festgestellt, daß kleine Teilchen aus Schwammtitan mit einem Durchmesser von 0,15 mm trotz ihres gelegentlichen Brennens brauchbar sind, was zeigt, daß dieser besondere Durchmesser die kritische Größe für den wirksamen Einsatz bei der Behandlung darstellt. Die kleinen Teilchen aus Schwammtitan mit einem Durchmesser von 0,5 mm haben sich als befriedigend brauchbar erwiesen, und die kleinen Teilchen aus Schwammtitan, die in Form von Würfeln von 2 mm Kantenlänge hergestellt wurden, wie in Nr. 5 gezeigt, führen zu einem sehr befriedigenden Nitrieren. Die kleinen Teilchen aus Schwammtitan mit anderen Größen, wie sie unter Nr. 6 und 7 aufgeführt sind, haben sich als gleichermaßen brauchbar erwiesen. Die Nitridschichten, die bei Einsatz dieser kleinen Teilchen aus Schwammtitan erhalten wurden, wiesen eine erwünschte Nitridfarbe auf.

Tabelle 4

Im folgenden wird die Vorrichtung zur Durchführung der Nitrierungsbehandlung der Oberfläche eines Formteils aus Titan nach dem oben beschriebenen Verfahren näher erläutert.

Fig. 3 gibt eine typische Vorrichtung zur Nitrierung der Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung wieder. In einem Behandlungsofen 11 ist ein Außenrohr oder äußeres Gehäuse 14 mittels eines Flansches 14′, der sich von der Unterkante eines rohrförmigen Teiles nach außen erstreckt, mittels eines Dichtungsteiles 13 luftdicht in eine Vertiefung 12′ auf der Oberseite einer Grundplatte 12 eingepaßt. Im Zentrum der Grundplatte 12 innerhalb des vorgenannten Außenrohres 14 ist ein Trägerrohr 15 mit einem Flansch 15′, der sich von dem oberen Rand des Rohrteiles 15 aus nach außen erstreckt, angeordnet. Auf der oberen Endoberfläche des Trägerrohres 15 ist ein mit Boden versehenes Rohrteil, das im Zentrum des Bodens eine Öffnung aufweist, angeordnet und bildet ein inneres Rohr 16. Öffnungen, die mit der Umgebungsluft in Verbindung stehen, befinden sich in der Grundplatte 12, eine innerhalb des Trägerrohres 15 unterhalb des inneren Rohres 16 und die andere zwischen dem Außenrohr 14 und dem Trägerrohr 15, und diese Öffnungen dienen als Auslaß 18 bzw. Einlaß 17. Auf diese Weise ist ein zusammenhängender Strömungspfad gebildet, der am Einlaß 17 beginnt, durch den leeren Raum zwischen dem inneren Rohr 16 und dem Außenrohr 14, durch das Innere des inneren Rohres 16 und das Innere des Trägerrohres 15 läuft und am Auslaß 18 endet. Mit dem Einlaß 17 ist ein Zylinder 20 mit Stickstoff als Einrichtung zum Zuführen von Stickstoff mittels eines Rohres 19 verbunden, das mit einem Drossel- bzw. Reglerventil 21 versehen ist. Mit dem Auslaß 18 sind zwei Vakuumpumpen 22 und 23 mittels eines Rohres 26 als Vakuum erzeugende Einrichtung verbunden, wobei das Rohr 26 über ein Ventil 24 bzw. ein Drosselventil 25 mit den genannten Pumpen verbunden ist. Auf Grund dieser Anordnung kann das im Behandlungsofen 11 befindliche Gas wie erforderlich abgezogen werden. Es gibt also einen Strömungspfad für die kontinuierliche Zufuhr von Stickstoff aus dem Zylinder 20 in das Innere des Behandlungsofens 11. Eine Heizeinrichtung 27 zum Erhitzen des Inneren des Behandlungsofens 11 auf die Behandlungstemperatur ist um das Äußere des äußeren Rohres 14 des vorgenannten Behandlungsofens 11 herum angeordnet. In der oben beschriebenen Vorrichtung ist das innere Rohr 16 mit kleinen Teilchen aus Titan oder Titanlegierung gefüllt, um einen Stickstoffilter f zu bilden. Gleichzeitig ist ein Formteil T, das der Nitrierbehandlung unterworfen wird, in die Masse aus den vorgenannten kleinen Teilchen aus Titan oder Titanlegierung eingebettet. In dieser Ausführungsform dient daher die Masse aus kleinen Teilchen aus reinem Titan oder Titanlegierung zusätzlich als Träger für das Formteil, d. h. als ein Teil "a" zur Anordnung des Formteils aus Titan für die Nitrierungsbehandlung. Der Stickstoffilter f und der Teil "a" zur Anordnung des Formteiles bilden eine integrale Einheit.

Um die vorbeschriebene Vorrichtung bei der Nitrierbehandlung eines Titanformteiles in Betrieb zu nehmen, wird ein Formteil T, das der Behandlung unterworfen werden soll, in die Masse aus kleinen Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung eingebettet, die das Innere des Teiles "a" füllt, um das Formteil für die Nitrierbehandlung anzuordnen. Gleichzeitig dient dieses Teil "a" als Stickstoffilter f. Man hält das Drosselventil 21 des Stickstoff-Zylinders 20 geschlossen und betätigt die Vakuumpumpe 22, um das Innere des Behandlungsofens 11 stark zu evakuieren. Dann schließt man das Ventil 24 und öffnet das Drosselventil 21 des Zylinders 20, um das Innere des Behandlungsofens 11 mit Stickstoff zu füllen. Das Evakuieren und das Einführen von Stickstoff in den Behandlungsofen werden zwei- oder dreimal zyklisch wiederholt, um so viel von der restlichen Luft aus dem Inneren des Behandlungsofens 11 zu entfernen wie möglich. Gleichzeitig wird die Heizeinrichtung betätigt, um die Innentemperatur des Behandlungsofens 11 bis zu einem vorgeschriebenen Niveau, z. B. 700 bis 880°C zu erhöhen. Die Zufuhr von Stickstoff aus dem Zylinder 20 wird fortgesetzt, wobei man das Drosselventil 21, das mit dem Zylinder 20 verbunden ist, in geeigneter Weise steuert. Die Vakuumpumpe 23 wird betätigt, wobei das damit verbundene Drosselventil 25 in der richtigen Weise geregelt wird, um die Strömung von Stickstoff unter einem verminderten Druck von etwa 40 kPa bis zu einigen Hundert Pa fortzusetzen und die Nitrierungsbehandlung zu bewirken. Den vom Zylinder 20 zugeführten Stickstoff, der durch den Einlaß 17 eintritt und in den Behandlungsofen 11 eingeleitet wird, aktiviert man durch Vorerhitzen mit der Heizeinrichtung 27, die um das Außenrohr 14 herum angeordnet ist. Den aktivierten Stickstoff bringt man zuerst in Kontakt mit den kleinen Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung, die den Stickstoffilter f innerhalb des inneren Rohres 16 bilden und läßt es damit reagieren, wobei im Stickstoff vorhandener Sauerstoff und Wasserstoff daraus entfernt werden. Der nun gereinigte Stickstoff tritt mit dem Formteil T aus Titan in Kontakt und reagiert mit dessen Oberfläche unter Bildung einer Nitridschicht darauf. Da die Strömung aus Stickstoff durch Betätigen des Stickstoff- Zylinders 20 als Zufuhreinrichtung und der Vakuumpumpe 23 fortgesetzt wird, setzt man das Formteil T aus Titan frischem Stickstoff aus und gestattet die Bildung eines Nitridüberzuges erwünschter Qualität. Der Druck des Stickstoffs während dieser Behandlung wird im Bereich von etwa 40 kPa bis zu einigen Hundert Pa gehalten, um die Oberfläche des auf der Oberfläche des Formteiles zu bildenden Nitridüberzuges zu verbessern. Es ist nicht immer erforderlich, den Druck innerhalb des genannten Bereiches zu halten. Die Luftdichtigkeit des Inneren des Behandlungsofens 11 kann man leicht dadurch aufrechterhalten, daß man den Druck des Stickstoffs innerhalb dieses Ofens auf einer Höhe etwas oberhalb des normalen Atmosphärendruckes hält. Bei dem Betriebsverfahren wird zum Beginn der Nitrierbehandlung das Innere des Behandlungsofens 11 durch Betätigen der Vakuumpumpe 22 stark evakuiert, bevor man mit dem Einleiten von Stickstoff beginnt. Ansonsten wird die Strömung von Stickstoff durch das Innere des Behandlungsofens 11 fortgesetzt, bis dieser nur noch mit Stickstoff gefüllt ist. Mit dem Erhitzen kann man beginnen, nachdem der Behandlungsofen 11 ausschließlich mit Stickstoff gefüllt ist. Alternativ kann man die Temperatur im Inneren des Behandlungsofens 11 erst bis zu dem vorgeschriebenen Niveau erhöhen, dann das Formteil T aus Titan einführen und danach mit der Zufuhr des Stickstoffs beginnen. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Vakuumpumpen 22 und 23 als Vakuum erzeugende Einrichtung benutzt, um zu Beginn der Behandlung das im Inneren des Behandlungsofens 11 befindliche Gas rasch durch Stickstoff zu ersetzen und gleichzeitig eine einfache Einstellung der Strömung des Stickstoffs während der Behandlung zu gestatten. Die Vakuumpumpen 22 und 23 können, falls erwünscht, zu einer einheitlichen Pumpe vereint werden. Ist das Innere des Behandlungsofens 11 wie in der vorliegenden Ausführungsform als vertikale Doppelrohrkonstruktion ausgebildet, dann kann die Aktivierung des Stickstoffs durch Vorerhitzen mit der Heizeinrichtung 27 und die Umsetzung des aktivierten Stickstoffs mit dem Formteil T aus Titan wirksamer ausgeführt werden. Gegebenenfalls kann man das Innere der Grundplatte 12 mit einer Wasserkühlung versehen.

Die kleinen Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung, die für den Stickstoff-Filter f benutzt werden, sollen eine Größe oder Gestalt haben, die beim Kontakt mit dem Sauerstoff im Stickstoff in der Hitze eine Verbrennung vermeiden. Da die Nitrierung im allgemeinen bei einer Temperatur von etwa 700°C beginnt, müssen die kleinen Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung eine Größe haben, die das Beginnen einer Verbrennung bei Kontakt mit dem Sauerstoff im Stickstoff bei dieser Temperatur vermeidet. Diese Größe beträgt 0,15 mm. Damit Sauerstoff und Wasserstoff, die im Stickstoff vorhanden sind, leichter mit den kleinen Teilchen aus Titan oder einer Titanlegierung wie Ferrotitan, die für den Stickstoff-Filter f benutzt werden, als mit der Oberfläche des Formteiles aus Titan reagieren, ist es vorteilhaft, die Temperatur des Stickstoff- Filters f auf einem höheren Wert zu halten, als die des Teiles "a" in dem das Formteil angeordnet ist. Erwünschtere Ergebnisse erhält man, indem man kleine Teilchen aus reinem Titan oder Ferrotitan benutzt, deren Durchmesser größer als etwa 0,177 mm ist. Nur wenn die einzusetzenden kleinen Teilchen aus Titan einen derart großen Durchmesser haben, wie er vorstehend erwähnt ist, kann die ansonsten unvermeidbare Verbrennung der kleinen Teilchen bei Kontakt mit dem im Stickstoff enthaltenen Sauerstoff und Wasserstoff bei einer Temperatur, die die Temperatur der Nitrierungsbehandlung der Oberfläche des Formteiles aus Titan übersteigt, wirksam verhindert werden. Wenn sich Stickstoff-Filter f und der Teil "a" zur Anordnung des Formteiles im gleichen Raum befinden, dann sollten die kleinen Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung nicht zu klein sein, damit der Stickstoff die Masse aus den kleinen Teilchen gut durchdringen und leicht in Kontakt mit dem Formteil aus Titan kommen kann. Haben die kleinen Teilchen einen Durchmesser von mehr als 0,25 mm, insbesondere einen Durchmesser von 0,5 mm oder eine Größe von 10 mm, dann wird der Beginn einer Verbrennung beim Kontakt mit dem Stickstoff vermieden und eine lange Betriebszeit des Stickstoff-Filters f garantiert, da die Temperatur des Titans zu Beginn der Nitrierung etwa 700°C beträgt und der Wärmeverformungspunkt des Titans etwas unterhalb von 900°C liegt. Als kleine Titanteilchen können Flocken, Schuppen, Späne und Schwamm aus reinem Titan benutzt werden. Als kleine Teilchen aus einer Titanlegierung kann man kleine Teilchen aus Ferrotitan einsetzen.

In der vorbeschriebenen Ausführungsform dient das innere Rohr 16 als eine Kombination des Stickstoff-Filters f und des Teiles "a" zur Anordnung des Formteiles. Alternativ kann man, wie in Fig. 4 veranschaulicht, den leeren Raum zwischen dem inneren Rohr 16 und dem Außenrohr 14 mit kleinen Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung füllen, um einen Stickstoff-Filter f zu bilden, und man kann das Innere des inneren Rohres 16 als Teil "a" für die Anordnung des Formteiles aus Titan benutzen. Wird in diesem Falle ein Granulat, pulverförmiges oder bruchstückartiges Material wie Quarzperlen oder -bruchstücke als Trägermaterial s um den Umfang des Formteiles T aus Titan herum im Teil "a" zur Anordnung des Formteiles angeordnet, wie in Fig. 5 veranschaulicht, dann dringt der Stickstoff durch die zwischen den vorgenannten Quarzperlen vorhandenen Spalte und gelangt in Kontakt mit dem Formteil T aus Titan. Da der Stickstoff auf diese Weise in gleichmäßigen Kontakt mit der gesamten Oberfläche des Formteiles aus Titan kommt, erhält die darauf geformte Nitridschicht eine Oberfläche gleichmäßiger Qualität. Das behandelte Formteil aus Titan wird somit mit einem Nitridüberzug sehr erwünschter Qualität versehen. Als Trägermaterial kann man Granulat, Teilchen und Bruchstücke anderer Substanzen, wie Aluminiumoxid, Keramik oder Glas mit hohem Siliziumdioxidgehalt einsetzen, das den Temperaturen der Nitrierbehandlung von etwa 700 bis 880°C oder darüber widerstehen kann. Von diesen Materialien sollten solche, die porös sind und Gas in den Poren einschließen können, ausgeschlossen werden, weil dieses eingeschlossene Gas bei der Behandlung in Berührung mit dem Formteil T aus Titan kommt und sich unter Bildung eines anderen Überzuges als der Nitridschicht mit der Oberfläche des Formteiles umsetzt.

In der zum Nitrieren der Oberfläche des Formteiles aus Titan gemäß der vorliegenden Erfindung zu benutzenden Vorrichtung kann das Trägermaterial s unter Einbettung des zu behandelnden Formteiles T aus Titan auch im unteren Teil des inneren Rohres 16 angeordnet werden und bildet den in Fig. 6 gezeigten Raum "a", da der Stickstoff auf dem Wege zu dem zu behandelnden Formteil T aus Titan lediglich den Stickstoff- Filter f durchdringen muß, der durch die kleinen Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung oberhalb des Raumes "a" gebildet wird. Sind Stickstoff-Filter f und der das Formteil aufnehmende Raum "a" dagegen im gleichen Raum untergebracht, wie in Fig. 3 veranschaulicht, dann kann man den Einlaß 17 und Auslaß 18 gegenseitig umkehren und die Einrichtung zur Lieferung von Stickstoff mit der Öffnung 18 und die Vakuum erzeugende Einrichtung mit der Öffnung 17 verbinden, um den Strömungspfad für den Stickstoff umzukehren.

Wird, wie in Fig. 7 veranschaulicht, innerhalb des inneren Rohres 16, das, wie bei der Ausführungsform in Fig. 3, den Stickstoff-Filter f und das Formteil in dem gleichen Raum enthält, zusätzlich ein mit Boden versehenes inseitiges Rohr 28 angeordnet, in dessen Seitenwand an geeigneten Stellen Löcher 29 gebohrt werden, dann führt diese Ausführungsform zu einem noch gleichförmigeren Kontakt des Stickstoffs mit dem Formteil T aus Titan. Auch in diesem Falle können die Verbindungen der Einrichtung zur Zufuhr von Stickstoff und der Vakuum erzeugenden Einrichtung umgekehrt werden.

Gegebenenfalls kann man, wie in Fig. 8 verdeutlicht, den Stickstoff-Filter f und den das Formteil aufnehmenden Raum "a" als wechselseitig unabhängige Einheiten ausbilden, indem man den leeren Raum zwischen dem inneren Rohr 16 und dem Außenrohr 14 mit den kleinen Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung füllt und ihn so als Stickstoff- Filter f benutzt, während das Innere des inneren Rohres 16 den das Formteil aufnehmenden Raum "a" bildet. Wird um das Formteil T aus Titan herum das Trägermaterial s, wie Quarzperlen, im Inneren des inneren Rohres 16, das jetzt als Raum "a" zur Aufnahme des Formteiles dient, angeordnet, dann kann der Kontakt des Stickstoffs mit der Oberfläche des Formteiles aus Titan noch gleichmäßiger gemacht werden. Die auf der Oberfläche des Formteiles gebildete Nitridschicht erhält so eine gleichmäßige Oberfläche.

Ein einzelnes rohrförmiges Teil kann als Behandlungsofen 11 benutzt werden, wie in den Fig. 7 und 10 veranschaulicht. Auch in diesem Falle kann man den Stickstoff-Filter f und das Formteil in dem gleichen Raum "a" anordnen, wobei sich die kleinen Teilchen aus reinem Titan oder einer Titanlegierung um das zu behandelnde Formteil T aus Titan herum befinden, wie in Fig. 9 gezeigt. Alternativ kann man das Stickstoff-Filter f und das Formteil in voneinander unabhängigen Räumen anordnen und Quarzperlen als Trägermaterial s um das Formteil T aus Titan herum anordnen, wie in Fig. 10 veranschaulicht.

Bei den in den Fig. 9 und 10 gezeigten Ausführungsformen sind die geraden Rohre jeweils vertikal als Behandlungsofen 11 angeordnet. Wenn erforderlich, kann man sie auch horizontal anordnen. Befindet sich das gerade Rohr jedoch in einer horizontalen Lage, dann verliert der Stickstoffstrom innerhalb des geraden Rohres wahrscheinlich die Gleichmäßigkeit im oberen und unteren Teil des Rohres. In diesem Falle kann der Kontakt des Stickstoffs mit der Oberfläche des Formteiles aus Titan entweder dadurch gleichmäßiger gestaltet werden, daß man den Stickstoff-Filter f und das Formteil im gleichen Raum anordnet oder man Trägermaterial s um das zu behandelnde Formteil T aus Titan herum verwendet. Als Behandlungsofen kann man nicht nur das vorgenannte gerade Rohr sondern auch ein U-förmiges Rohr wirksam verwenden.

Claims (16)

1. Verfahren zum Nitrieren der Oberfläche eines Titanformteiles, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Überleiten von Stickstoff über kleine Teilchen aus reinem Titan oder Titanlegierungen und
• b) anschließendes Überleiten des Stickstoffs über das zu nitrierende, erhitzte Titanformteil innerhalb einer dicht abgeschlossenen Behandlungsvorrichtung bei Unterdruck.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt (b) ein Unterdruck zwischen 40 kPa und einigen Hundert Pa angewendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt (a) die kleinen Teilchen vom Titanformteil getrennt in der Stickstoffströmung angeordnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinen Teilchen um das Titanformteil innerhalb der Gasströmung angeordnet werden.

5. Vorrichtung zum Nitrieren eines Titanformteiles nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Gasströmungseinrichtung (4, 11), die sich zwischen einem Einlaß (17), der mit einer Zufuhreinrichtung (1, 3, 2, 20, 21, 19) für Stickstoff verbunden ist, und einem Vakuumauslaß (18) erstreckt, ein Filter (f) für den Stickstoff, das kleine Teilchen (7) aus reinem Titan oder Titanlegierungen enthält, und eine Aufnahmeeinrichtung für das Titanformteil (T) wobei das Filter (f) und die Aufnahmeeinrichtung entweder unabhängig voneinander oder innerhalb der Gasströmungseinrichtung überlagert angeordnet sind, und Heizeinrichtungen (5, 27) für Filter und Aufnahmeeinrichtung vorhanden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmungseinrichtung ein verschlossenes Außenrohr (14) umfaßt und einen Strömungspfad bildet, der aus einer Einlaßöffnung (19) in das Außenrohr (14), einer Öffnung zwischen dem Innen- und Außenrohr (16 bzw. 14), dem Inneren des Innenrohres (14) und einem Auslaß (18) aus dem Innenrohr (14) besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr weiter ein oben offenes, einseitiges Blindrohr (28) einschließt und das einseitige Rohr (28) und das Innenrohr (16) selbst Teil des Strömungspfades sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasströmungspfad durch ein Rohrteil gebildet wird und die verschiedenen Einrichtungen nacheinander angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung (a) für das Titanformteil (T) mit einem granularen, pulverförmigen oder bruchstückartigen Material (S) zum Abstützen des Titanformteils (T) innerhalb des Behälters gefüllt und das Formteil in diesem Trägermaterial eingebettet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Granulate, Teilchen oder Bruchstücke aus Quarz sind.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus reinem Titan oder Titanlegierungen größer als 0,15 mm sind.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus reinem Titan oder Titanlegierungen größer als 0,177 mm sind.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus reinem Titan oder Titanlegierungen Flocken, Blättchen oder Schuppen sind.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus reinem Titan oder Titanlegierungen Späne sind.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus Schwammtitan bestehen.

16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus Ferrotitan bestehen.