EP0464265B1 - Verfahren zum Aufbringen von Nitridschichten auf Titan - Google Patents

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EP0464265B1
EP0464265B1 EP90125660A EP90125660A EP0464265B1 EP 0464265 B1 EP0464265 B1 EP 0464265B1 EP 90125660 A EP90125660 A EP 90125660A EP 90125660 A EP90125660 A EP 90125660A EP 0464265 B1 EP0464265 B1 EP 0464265B1
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding

Definitions

  • the invention relates to a method for applying nitride layers to parts made of titanium and titanium alloys by thermochemical treatment of the parts with ammonia or ammonia-containing gas mixtures under pressure and at temperatures above 500 ° C.
  • titanium As a construction material, titanium has several advantages over steel, which result from its low specific weight, its corrosion resistance and its high strength. This is offset by the relatively low hardness, which makes surface treatment necessary if the wear resistance is to be increased.
  • This surface treatment usually consists of the production of layers of titanium carbide or titanium nitride. In previously known methods for nitriding parts made of titanium and titanium alloys, high-energy gases or electromagnetic fields are used. These processes are very complex and can only be used for simple geometry of the parts to be treated.
  • JP-A-2-025 559 Patent Abstracts of Japan, vol. 14, Ni. 176, 4119 describes the nitriding of titanium and titanium alloys in an ammonia atmosphere at normal pressure.
  • EP-A 0 105 835 describes a method for producing nitride layers on components made of titanium and titanium alloys by exposing the components in an autoclave to pressures of at least 10 MPa and temperatures of at least 200 ° C. in an ammonia atmosphere.
  • the ammonia must be of great purity.
  • the nitration is preferably carried out at 90 to 130 MPa and temperatures from 930 ° to 1000 ° C. This process has the disadvantage that it is very expensive due to the use of autoclaves and very pure ammonia and 20 ⁇ m thick layers only in periods of three and more hours can be reached.
  • This object is achieved in that the treatment is carried out at temperatures from 700 to 950 ° C. and pressures from 0.5 to 7 MPa, the ammonia partial pressure being kept at least at 0.2 MPa.
  • components made of titanium and titanium alloys of any geometry and size can be provided with sufficiently thick nitride layers of 20 ⁇ m and more in appropriate chamber furnaces.
  • no high-purity gases are required for this, but the normal commercial quality of ammonia is sufficient.
  • nitrogen is also possible to add nitrogen to the ammonia, with only an ammonia partial pressure of at least 0.2 MPa being required for the nitriding process.
  • the layer thickness of the titanium nitride that forms depends on the temperature and the treatment time in large pressure ranges.
  • the surface is shiny gold and causes a significant increase in hardness.
  • the layer thickness is almost independent of the pressure.
  • the figure shows the formation of a titanium nitride layer on parts made of pure titanium depending on the pressure and the temperature of the ammonia-containing atmosphere.
  • a TiN layer of, for example, 30 ⁇ m builds up if the samples are kept at 880 ° C for one hour.
  • titanium alloys such as TiAl6V4 are nitrided.
  • An autoclave is not required for these coatings, but the treatment can be carried out in a commercially available chamber furnace.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Nitridschichten auf Teile aus Titan und Titanlegierungen durch thermochemische Behandlung der Teile mit Ammoniak oder ammoniakhaltigen Gasgemischen unter Druck und bei Temperaturen oberhalb 500° C.
  • Titan hat als Konstruktionswerkstoff gegenüber Stahl einige Vorteile, die sich aus dem geringen spezifischen Gewicht, seiner Korrosionsbeständigkeit und seiner hohen Festigkeit ergeben. Dem steht die relativ geringe Härte gegenüber, die eine Oberflächenbehandlung notwendig macht, wenn die Verschleißfestigkeit erhöht werden soll. Diese Oberflächenbehandlung besteht in der Regel aus der Erzeugung von Schichten aus Titancarbid oder Titannitrid. Bei bisher bekannten Verfahren zur Nitrierung von Teilen aus Titan und Titan legierungen wird mit hochenergetischen Gasen oder elektromagnetischen Feldern gearbeitet. Diese Verfahren sind sehr aufwendig und nur für einfache Geometrie der zu behandelnden Teile anwendbar.
  • In der japanischen Patentanmeldung JP-A- 2-025 559 (Patent Abstracts of Japan, Bd.14, Ni. 176, 4119) wird das Nitrieren von Titan und Titanlegierungen in einer Ammoniakatmosphäre bei Normaldruck beschrieben.
  • In der EP-A 0 105 835 wird ein Verfahren zur Herstellung von Nitridschichten auf Bauteilen aus Titan und Titanlegierungen beschrieben, indem man die Bauteile in einem Autoklaven Drucken von mindestens 10 MPa und Temperaturen von mindestens 200° C in einer Ammoniakatmosphäre aussetzt. Dabei muß der Ammoniak von großer Reinheit sein. Vorzugsweise erfolgt die Nitrierung bei 90 bis 130 MPa und Temperaturen von 930° bis 1000° C. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es durch die Verwendung von Autoklaven und sehr reinem Ammoniak sehr teuer ist und 20 um-starke Schichten erst in Zeiträumen von drei und mehr Stunden erreichbar sind.
  • Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Aufbringen von Nitridschichten auf Teile aus Titan und Titanlegierungen durch thermochemische Behandlung der Teile mit Ammoniak oder ammoniakhaltigen Gasgemischen unter Druck und bei Temperaturen oberhalb 500° C zu entwickeln, das preisgünstig ist und Nitridschichtdicken von 20 µm und mehr in kurzen Zeiträumen von weniger als drei Stunden ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Behandlung bei Temperaturen von 700 bis 950° C und Drucken von 0,5 bis 7 MPa durchgeführt wird, wobei der Ammoniakpartialdruck mindestens bei 0,2 MPa gehalten wird.
  • Mit diesem Druck verfahren können Bauteile aus Titan und Titanlegierungen beliebiger Geometrie und Größe in entsprechenden Kammeröfen mit ausreichend dicken Nitridschichten von 20 µm und mehr versehen werden. Überraschenderweise sind hierfür keine hochreinen Gase erforderlich, sondern es genügt die normale Handelsqualität von Ammoniak. Außerdem ist es möglich, dem Ammoniak Stickstoff beizumischen, wobei lediglich ein Ammoniakpartialdruck von mindestens 0,2 MPa für das Nitrierverfahren erforderlich ist.
  • Die Schichtdicke des sich ausbildenden Titannitrids ist in großen Druckbereichen abhängig von der Temperatur und der Behandlungszeit. Die Oberfläche ist goldglänzend und bewirkt eine signifikante Härtesteigerung. Bei Drucken im Bereich oberhalb 6 MPa ist die Schichtdicke fast unabhängig vom Druck.
  • Die Abbildung zeigt die Ausbildung einer Titannitridschicht auf Teilen aus Reintitan in Abhängigkeit vom Druck und der Temperatur der ammoniakhaltigen Atmosphäre.
  • Bereits bei Temperaturen von beispielsweise 500° C wurde bei 2 MPa (= 20 bar) Absolutdruck nach einer Stunde eine TiN-Schichtdicke von 10 µm gemessen. Bei 880° C wird in dieser Zeit eine reine TiN-Schicht von 20 µm aufgebaut.
  • Bei einem Druck von 6 MPa (= 60 bar) baut sich eine TiN-Schicht von beispielsweise 30 µm auf, wenn die Proben für eine Stunde bei 880° C gehalten werden.
  • Bei weiter gesteigertem Druck bis zu 9 MPa (= 90 bar) nimmt der Einfluß des Druckes auf die TiN-Schichtdicke ab. Die Zunahme ist nicht mehr linear. Bei noch höheren Drücken ist aufgrund der sich rasch bildenden dichten TiN-Schicht nur noch die Diffusion des Stickstoff durch die Schicht der zeitbestimmende Faktor.
  • Wie Reintitan können auch Titanlegierungen, wie z.B. TiAl6V4 nitriert werden.
  • Für diese Beschichtungen ist kein Autoklav erforderlich, sondern die Behandlung kann in einem handelsüblichen Kammerofen erfolgen.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Aufbringen von Nitridschichten auf Teile aus Titan und Titanlegierungen durch thermochemische Behandlung der Teile mit Ammoniak oder ammoniakhaltigen Gasgemischen unter Druck und bei Temperaturen oberhalb 500° C,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Behandlung bei Temperaturen von 700 bis 950° C und Drucken von 0,5 bis 7 MPa erfolgt, wobei der Ammoniakpartialdruck mindestens bei 0,2 MPa gehalten wird.
EP90125660A 1990-07-04 1990-12-28 Verfahren zum Aufbringen von Nitridschichten auf Titan Expired - Lifetime EP0464265B1 (de)

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