DE2216628C2 - Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche aus Stahl durch Ionenimplantation zur Modifizierung der Struktur der Oberfläche - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft den in den Ansprüchen gekennzeichneten Gegenstand, nämlich Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche aus Stahl durch Ionenimplantation zur Modifizierung der Struktur der Oberfläche.

Es ist allgemein bekannt, daß Stahlgegenstände der Einsatz- bzw. Oberflächenhärtung unterworfen werden können. Nach bekannten Verfahren wird dies in der Weise durchgeführt, daß man eine harte, resistente Oberfläche auf einem (zähen) Stahlkern mit niedrigem Kohlenstoffgehalt dadurch bildet, daß man den aus Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt gebildeten Gegenstand, der bei erhöhten Temperaturen (etwa 910⁰C) gehalten wird, einer kohlenstoffreichen Atmosphäre aussetzt. Dies kann durch Verwendung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen oder durch Einpakken in Holzkohle erreicht werden. Der Kohlenstoff diffundiert in die Oberfläche des Stahls bis zu einer Tiefe von ungefähr 1,27 mm unter Bildung einer Oberfläche mit hohem Kohlenstoffgehalt, die nachfolgend zu Martensit zur Erzielung einer maximalen Härte und Abriebfestigkeit abgeschreckt wird. Die Härte ist abhängig von dem Kohlenstoffgehalt und nimmt mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt zu.

Das vorstehend erwähnte, thermische Härtungsverfahren besteht darin, daß man die zur Behandlung vorgesehenen Gegenstände relativ hohen Temperaturen aussetzt. Die Einwirkung von hohen Temperaturen ist jedoch in manchen Fällen, beispielsweise bei nichtrostendem Stahl, unerwünscht.

Aus der DE-PS 6 68 639 und der US-PS 29 16 409 sind Verfahren zur Vergütung und Behandlung von Metallgegenständen bekannt, bei welchen man den. Metallgegenstand bei niedrigem Druck in einer ionisierten Atmosphäre erhitzt bzw. bei erhöhter Temperatur einer Glimmentladung aussetzt Wenngleich es bei diesen Verfahrensweisen möglich ist, daß sich Ionen bilden, ist es jedoch nicht möglich, das Werkstück mit einem im wesentlichen reinen Stahl aus Kohlenstoffionen oder Chromionen zu beschießen, da die auf das Werkstück auftreffenden Ionen durch Ionisation oder durch die Glimmentladung in der umgebenden Atmosphäre gebildet werden. Dies führt in einer kohlenwasserstoff- und/oder kohiendioxidhaltigen Atmosphäre zur Bildung von Sauerstoff, der zu einer unerwünschten Oxidation des Werkstücks führt, bzw. zur Bildung von Wasserstoff, der eine Versprödung des Werkstücks herbeiführt Durch Ionisation oder Glimmentladung von Stickstoff ist es zwar möglich, relativ reine Stickstoffionen zu erzeugen. Dies trifft jedoch auf die Bildung von Kohlenstoffionen oder Chrcmionen durch Ionisationsoder Glimmentladungsverfahren nicht zu, so duJ diese Ionen stets von den obenerwähnten Verunreinigungen begleitet werden. Es ist ferner schwierig, Glimmentladungsbehandlungen mit Materialien durchzuführen, die nicht in Gasform vorliegen, wobei es bei den bekannten Glimmentladungsverfahren auch nachteilig ist, daß die gebildeten Ionen mit unterschiedlichen Energien auf das Werkstück auftreffen, und das Werkstück auf erhöhte Temperaturen erhitzt werden muß, um den gewünschten Behandlungseffekt zu erzielen. Auch läßt die US-PS 29 16 409 erkennen, daß bei den dort beschriebenen Verfahren Ionen auf der Oberfläche des Werkstücks abgeschieden werden, die dann durch Diffusion in das Werkstück eindringen. Um diese Diffusion zu bewirken, müssen erhöhte Temperaturen (beispielsweise von 580° C) angewandt werden. Somit sind die bekannten Verfahrensweisen mehr den herkömmlichen Methoden, wie dem Einsatzhärten, verwandt, bei denen durch Erhitzen eine Diffusion des Kohlenstoffs in den Stahl bewirkt wird. Das Erhitzen der zu behandelnden Gegenstände auf erhöhte Temperaturen ist nun aber in hohem Maße unerwünscht, da mit hoher Präzision geformte Werkstücke sich dabei physikalisch verformen und verziehen können. Somit sind die bekannten Verfahren nicht dazu geeignet, solche Gegenstände an ihrer Oberfläche zu modifizieren, diese zu härten und/oder korrosionsbeständig zu machen. Darüber hinaus ermöglichen diese bekannten Verfahren keine Behandlung ausgewählter Oberflächenbereiche. Eine Einführung von Kohlenstoff und Chrom in Mengen, die außerhalb der üblichen Gleichgewichtsbedingungen liegen, ist bei diesen bekannten, thermischen Diffusionsverfahren nicht möglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art zu schaffen, das es ermöglicht, Kohlenstoff oder Chrom in Metalloberflächen bei niedrigen Temperaturen, mit gleichmäßiger Eindringtiefe und auch in Mengen über die Gleichgewichtsbedingungen hinaus zu implantieren, und auf diese Weise nichtrostende Stähle und Flußstähle zu härten und sowohl die Zusammensetzung der Oberfläche, als auch deren Struktur zu modifizieren.

Diese Aufgabe wurde in der in den vorstehenden Ansprüchen umrissenen Weise gelöst.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche von nichtrostendem Stahl durch Ionenimplantation. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei der Einführung von Ionen in die Oberfläche eines Metalls die Zusammensetzung der

Oberfläche zusätzlich zu der Struktur der Oberfläche modifiziert werden kann.

Gemäß der Er'indung kann das Verfahren auch zur Modifizierung der Oberflächenstruktur von Flußstahl durch Ionenimplantation von Chromionen in die Oberfläche angewendet werden. Bei der Behandlung einer Oberfläche gemäß der Erfindung können die Eindringtiefen der Ionen größer sein, als sie üblicherweise gemessen werden, und sie können derart sein, daß eine gehärtete Struktur eher innerhalb eines Körpers, als gerade an dessen Oberfläche gebildet wird. Es kann daher eine gehärtete Oberfläche in einer Tiefe von ungefähr 0,025 mm hergestellt werden. So kann ein Körper erhalten werden, bei dem ein weicher, äußerer Bereich auf einem härteren, inneren Bereich vorliegt. Bei einem Körper, der so behandelt ist, daß er eine vertieft angeordnete »vergrabene Schicht« aufweist, kann der äußere Bereich bis zu der gehärteten Oberfläche durch Abschleifen, Abschmirgeln usw. entfernt werden. Derartige Behandlungen liegen im Bereich der vorliegenden Erfindung.

Die Tiefe, bis zu der die Ionen implantiert werden, hängt von der Energie der Ionen ab, wobei hohe Energie die Bildung von vertieft angeordneten Schichten bewirkt Es ist weiterhin möglich, mit verschieden hohen Energiewerten zu implantieren, so daß eine Reihe von implantierten Bereichen aufgebaut wird, um eine Schicht von gewünschter Dicke zu bilden.

Die Implantation kann mit niedrigen Energien, bis zu Energien von mehreren tausend keV durchgeführt werden. Ein typischer Arbeitsbereich ist 1 bis 200 keV, wobei Energien im Bereich von 50 bis 100 keV in der Praxis zweckmäßig sind.

Im Falle der Ionenimplantation in Oberflächen von nichtrostendem Stahl bietet die Einführung von J5 Kohlenstoff in die Oberflächen durch dkjes lonenimplantationsverfahren, das bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann, Vorteile gegenüber Verfahren, welche die Verwendung von hohen Temperaturen und mit Kohlenstoff angereicherten Atmosphären vorsehen. Die Bezeichnung »niedrigere Temperatur«, wie sie in dieser Beschreibung verwendet wird, bezeichnet Temperaturen von ungefähr Raumtemperatur. Das Implantationsverfahren kann bewirken, daß sich die Temperatur des der Implantation unterworfenen Werkstücks leicht, d.h. um ungefähr 1 oder 2⁰C erhöht, wobei dies jedoch ohne Bedeutung ist. Unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ist es beispielsweise möglich, gehärtete Bereiche bzw. Felder auf nichtrostenden Stahlgegenständen herzustellen, die bisher nicht nach Hochpräzisionsnormen hergestellt werden konnten, weil nunmehr das Risiko des Verwerfens und der erhaltene Verlust an dimensioneller Präzision, der dadurch eintritt, daß man die Gegenstände hohen Temperaturen unterwirft, außer acht gelassen werden kann. Es können daher oberflächengehärtete Kugellager Uhrenlager und ähnliche Gegenstände hergestellt werden, nachdem sie in den gewünschten Toleranzen aus nichtrostendem Stahl hergestellt sind; eine gehärtete Kante kann auf einer Rasierklinge aus nichtrostendem Stahl hergestellt werden. Die Kosten derartiger Härtungsverfahren sind sehr gering, da es zum Beispiel im Falle von Uhrenlagern wegen ihrer Größe möglich ist, eine Vielzahl (möglicherweise mehrere Hundert) Stücke in einem einzigen Arbeitsgang des Implantationsarbeitsverfahrens zu behandeln.

Es ist weiterhin möglich, die zur Behandlung vorgesehenen Bereiche bzw. Felder der Oberfläche durch geeignete Steuerung des Ionenstrahl, der typischerweise einige wenige Millimeter breit sein kann, ziemlich genau auszuwählen, und es kann auch eine Maske verwendet werden, die es ermöglicht, den Ionenstrahl nur mit den durch die Maske vorgegebenen Bereichen der zur Behandlung vorgesehenen Oberfläche in Kontakt zu bringen.

Es wird darauf hingewiesen, daß die vorstehenden Ausführungen für die Behandlung einer Vielzahl von Gegenständen und die Art und Weise, in der Flächen selektiv behandelt werden können, auch für die Implantation von Chrom in Flußstahl anzuwenden sind.

Es werden nunmehr in beispielhafter Weise verschiedene Verfahren zur Durchführung der Erfindung beschrieben.

In dem ersten Beispiel wurden Felder von Oberflächen von nichtrostendem Stahl AISI 316 mit einem Kohlenstoffionen-Strahl behandelt Eine Probe -on nichtrostendem Stahl AISI 316 wurde in der Probenkammer eines linearen Beschleunigers placiert und die Kammer evakuiert Der lineare Beschleuniger wurde in Betrieb genommen und der Ablauf entsprechend den normalen Arbeitsverfahren für lineare Beschleuniger durchgeführt, bis ein Ionenstrahl auf das Ziel auf traf. Die Ionen hatten bei diesem Implantationsverfahrer. Energien von 100 keV. Es wurde eine Kohlendioxid-Gasquelle und die magnetische Acalyse verwendet, um aus den durch die Quelle gebildeten Ionen Kohlenstoffionen für die Implantation abzutrennen und auszuwählen. Die behandelten Bereiche, bei denen Kohlenstoffionen in eine Tiefe von wenigen hundert nm implantiert wurden, waren gegenüber einem Vibrationsschleifen vollständig resistent, während die unbehandelten Bereiche der Oberflächen ziemlich leicht entfernt wurden.

In dem zweiten Beispiel wurden Felder von Oberflächen aus nichtrostendem Stahl AISI 321 mit einem Kohlenstoffionen-Strahl behandelt, wobei sowohl das Verfahren, als auch die Ergebnisse den im Falle von nichtrostendem Stahl AISI 316 im resten Beispiel erzielten Ergebnissen im wesentlichen ähnlich waren.

In dem dritten Beispiel wurden Oberflächen aus Flußstahl mit einem Strahl von Chromionen mit Energien von 100 keV unter Verwendung eines linearen Beschleunigers in ähnlicher Weise, wie oben beschrieben, behandelt. Es wurde eine Zerstäubungsquelle mit einem Chromstreifen als Quelle für Chromionen und die magnetische Analyse zur Auswahl von Chromionen zur Implantation verwendet. In die behandelten Felder wurde Chrom in eine Tiefe von ein paar hundert nm implantiert. Es wurde festgestellt, daß die Korrosionsbeständigkeit (zum Beispiel gegen Rostbildung) in diesen Feldern wesentlich verbessert wurde.

Die Carburierung von Metall mittels bisher bekannter Verfahren wird bei hohen Temperaturen, zum Beisipiel von 900 bis 1000°C, durchgeführt und hängt von der Kohlenstoffdiffusion in das Metall, wie oben erwähnt, ab. Wenn daher die vorliegende Erfindung zur Implantation von Kohlenstoff bei einer hohen Temperatur verwendet wird, besteht ein Risiko, daß der Kohlenstoff in das Metall diffuniert und daß die Härtungswirkung bei oder nahe der Oberfläche verlorengeht. Die vorliegende Erfindung wird daher zweckmäßigerweise zur Implantation von Kohlenstoff bei Temperaturen unter etwa 600⁰C verwendet. Eine ähnliche Situation besteht bei Chromionen.

Claims (5)

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche aus Stahl durch Ionenimplantation zur Modifizierung der Struktur der Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Härtung und/oder zur Erhöhung der Korrosionswiderstandsfähigkeit der Oberfläche die zur Behandlung vorgesehenen Bereiche der Oberfläche bei niederer Temperatur dem Beschüß mit einem Ionenstrahl von durch ι ο magnetische Analyse abgetrennten, beschleunigten Kohlenstoffionen oder Chromionen mit einer Energie bis zu mehreren tausend keV unterworfen und Kohlenstoff oder Chrom in die Oberfläche implantiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Behandlung einer Oberfläche aus nichtrostendem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche durch Beschüß mit Kohlenstoffionen gehärtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Behandlung einer Oberfläche aus Flußstahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrosionsbeständigkeit der Oberfläche durch Beschüß mit Chromionen erhöht wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen bis zu einer Tiefe von einigen hundert nm implantiert werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantation mit solchen Ionenenergien durchgeführt wird, daß eine »vergrabene Schicht« gebildet wird.