[go: up one dir, main page]

DE2456530A1 - OVERHARD MARTENSITE AND METHOD FOR ITS MANUFACTURING - Google Patents

OVERHARD MARTENSITE AND METHOD FOR ITS MANUFACTURING

Info

Publication number
DE2456530A1
DE2456530A1 DE19742456530 DE2456530A DE2456530A1 DE 2456530 A1 DE2456530 A1 DE 2456530A1 DE 19742456530 DE19742456530 DE 19742456530 DE 2456530 A DE2456530 A DE 2456530A DE 2456530 A1 DE2456530 A1 DE 2456530A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
substrate
iron
martensite
implanted
insoluble
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE19742456530
Other languages
German (de)
Inventor
Niels Nikolaj Prof Dr Engel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Engel niels Nikolaj profdr
Original Assignee
Engel niels Nikolaj profdr
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US424672A external-priority patent/US3925116A/en
Application filed by Engel niels Nikolaj profdr filed Critical Engel niels Nikolaj profdr
Publication of DE2456530A1 publication Critical patent/DE2456530A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58After-treatment
    • C23C14/5806Thermal treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06Surface hardening
    • C21D1/09Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/48Ion implantation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58After-treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58After-treatment
    • C23C14/5846Reactive treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/008Martensite

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Description

720 Gonzales Röad720 Gonzales Röad

Santa Fe, lew Mexico 85701Santa fe, lew mexico 85701

Unser Zeichen; E 823Our sign; E 823

Überharter Martensit und Verfahren zu seiner HerstellungSuperhard martensite and its method of manufacture

Die Erfindung betrifft einen überharten (superharten) Martensit, insbesondere einen durch Ionenimplantation gehärteten Stahl, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to an overhard (super hard) Martensite, in particular a steel hardened by ion implantation, and a method for its production.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zum Beschichten der Oberfläche eines Substrats mit einem Material bekannt, wie z. B. die in der US-Patentanmeldung Nr. 279 244 beschriebene Ionenablägerung. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Ionenplattierung, die weiter unten näher beschrieben wird, ist aus dem Artikel von T.Spalvins et al, "Deposition of Thin Films by Ion Plating on Surfaces Having Various Configurations" in "NASA Technical Note D-2707", November 1966, bekannt.There are already various methods of coating the Surface of a substrate with a material known, such as. Such as that described in U.S. Patent Application No. 279,244 Ion deposition. A device for implementation this ion plating, which is described in more detail below, is from the article by T.Spalvins et al, "Deposition of Thin Films by Ion Plating on Surfaces Having Various Configurations "in" NASA Technical Note D-2707 ", November 1966.

Ein Stahlsubstrat hat ein kubisch innen-zentriertes Gitter. Wenn das Substrat erhitzt wird, ändert sich die Konfiguration in ein kubisch flächenzentriertes Gitter (Austenit), dasA steel substrate has a cubic, internally centered grid. When the substrate is heated, the configuration changes in a face-centered cubic lattice (austenite), the

Dr. Hn/deDr. Hn / de

609825/092*609825/092 *

565565

nach dem Abschrecken ein tetragonales innen-zentriertes Gitter bildet. Bei der tetragonalen Form handelt es sich um Martensit.after quenching, a tetragonal inner-centered one Lattice forms. The tetragonal shape is martensite.

Durch Keimbildung und/oder Inhibierung des Martensitkornwachstums in dem Härtungsverfahren kann ein Feinstkorn erhalten v/erden. Je feiner das Korn in dem Martensit ist, um so härter ist der Stahl. Gleichzeitig wirken eingebettete unlösliche Atome als Sperren-für die Bewegung der Versetzungen (Dislokationen), die zu einer weiteren Verbesserung der Härte und Festigkeit beitragen.By nucleation and / or inhibition of martensite grain growth A very fine grain can be obtained in the hardening process. The finer the grain in the martensite the harder the steel is. At the same time, embedded insoluble atoms act as barriers for the movement of the Dislocations (dislocations) that lead to further improvement contribute to hardness and strength.

Erfindungsgemäß wird nun das Martensitkornwachstum inhibiert durch Implantation (Einlagerung) von Ionen irgendeines Elementes, das in Eisen unlöslich ist, in das Substrat (die Stahlmatrix) in einer ausreichenden Menge. Zu diesen Elementen gehören Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon, Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Frankium, Calcium, Strontium, Barium, Radium, Silber, Cadmium, Quecksilber, Thallium, Blei und Wismut. In dem erfindungsgemäßen Verfahren können die folgenden zusätzlichen Elemente verwendet werden, da sie alle eine ausgeprägte geringe Löslichkeit in Eisen oder eine begrenzte Löslichkeit aufweisen: Beryllium, Magnesium, Yttrium, Lanthan, Zirkonium, Hafnium, Thorium, Tantal, Kupfer, Indium, Selen, Tellur und Polonium. Nach diesem Verfahren erhält man einen außergewöhnlich harten Martensit, der sich für die Herstellung von ausgezeichneten Schneidwerkzeugen mit verschleißfesten Oberflächen eignet j er kann auch in Getriebezahnrädern.,Kugellagern, Messwerkzeugen und dgl. verwendet werden. Der f.-ein-According to the invention, the martensite grain growth is now inhibited by implantation (incorporation) of ions of any Element that is insoluble in iron in the substrate (the steel matrix) in a sufficient amount. About these elements include helium, neon, argon, krypton, xenon, radon, lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, frankium, calcium, Strontium, barium, radium, silver, cadmium, mercury, thallium, lead and bismuth. In the invention In the process, the following additional elements can be used as they all have pronounced low solubility in iron or have limited solubility: beryllium, magnesium, yttrium, lanthanum, zirconium, Hafnium, thorium, tantalum, copper, indium, selenium, tellurium and polonium. This procedure gives you an exceptional one hard martensite, which is used for the production of excellent cutting tools with wear-resistant Surfaces suitable j it can also be used in gear wheels., Ball bearings, Measuring tools and the like. Be used. The f.-a

509825/0927509825/0927

körnige Martensit verleiht Federn, Hämmern und dgl. auch eine verbesserte Beständigkeit gegen Ermüdung und eine verbesserte Schlagfestigkeit.granular martensite gives feathers, hammers and the like. Also improved resistance to fatigue and improved impact strength.

Es wurde nun gefunden, daß das erfindungegemäße Verfahren die besten Ergebnisse erbringt, wenn man einen normalgeglühten oder einen weichgeglühten (geglühten) Stahl, d. h. einen Stahl mit einer geringen Härte, verwendet. Das bevorzugte Substrat für die erfindungsgemäße Verwendung sollte ein Stahl sein, der genügend Zwischengitterlegierungsatome aufweist, um "härtbar" zu sein,, der in der Regel einen Legierungsgehalt innerhalb des Bereiches von 0,3 bis 1,8 Gew.% aufweist, wobei der optimale Legierungsbereich bei 0,5 bis 1,0 Gew.% liegt. Bei diesen Zwischengitter- Legierungsatomen, handelt es sich um solche aus der zwei-' ten Periode des Periodischen Systems der Elemente und sie werden aus der Gruppe Beryllium, Bor, Kohlenstoff und Stickstoff ausgewählt. Die in dem Stahlsubstrat vorhandenen Substitutionslegierungselemente sind für die vorliegende 'Erfindung im allgemeinen ohne Bedeutung.It has now been found that the inventive method The best results are obtained when using a normalized or a soft annealed (annealed) steel, i. H. a steel with a low hardness is used. The preferred substrate for use in the present invention should be a steel that has enough interstitial alloy atoms has to be "curable", which is usually a Alloy content within the range of 0.3 to 1.8 wt.% Has, with the optimal alloy range at 0.5 to 1.0% by weight. With these interstitial alloy atoms, are those from the second period of the Periodic Table of the Elements and they are selected from the group consisting of beryllium, boron, carbon and nitrogen. Those present in the steel substrate Substitution alloy elements are generally of no importance to the present invention.

Es wurde nun gefunden, daß ein Element, das in Eisen unlöslich ist, beim Implantieren (Einführen) in ein Stahlsubstrat das Wachstum verzögert oder/und während der Martensitbildung Keime in dem Korn bildet, wodurch eine gleichmäßigere und feinkörnigere Martensitstruktur gebildet wird, die zu einem härteren Substrat führt.It has now been found that an element which is insoluble in iron can be implanted (inserted) into a steel substrate the growth is delayed and / or during the martensite formation nuclei in the grain, whereby a more uniform and fine-grained martensite structure is formed, which leads to a harder substrate.

Bei der Behandlung eines härtbaren StählSubstrats oder -materials (mit beispielsweise 0,6 % Kohlenstoff) nach dem er-When treating a hardenable steel substrate or material (with, for example, 0.6% carbon) after the

5098 25/09275098 25/0927

findungsgemäßen Verfahren sollte zuerst die Oberfläche des Stahls gereinigt werden. Dies wird unter Anwendung irgendeines üblichen Reinigungsverfahrens bewirkt. Das Substrat wird dann in eine Vakuumkammer eingeführt, die auf einem geeigneten Träger und einer isolierenden Metallplatte angeordnet ist unter Bildung einer Kathode, an welche eine Anschlußklemme einer Hochspannungs- Gleichstromquelle angeschlossen wird. Größere Gegenstände können auf Isolatoren aufgebracht und direkt mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle verbunden werden. Die andere Anschlußklemme der Gleichstromquelle wird mit einer geeigneten Anode verbunden, bei der es sich um den elektrisch leitenden Metallboden der Kammer handeln kann. Häufiger wird das Substrat auf den Boden der Kammer gestellt und die Anode wird darauf angebracht, um die Kammer leichter aufladen und entladen zu können. Die Kammerinventive method should first surface of the steel must be cleaned. This is accomplished using any conventional cleaning technique. That The substrate is then inserted into a vacuum chamber supported on a suitable support and an insulating metal plate is arranged to form a cathode to which a terminal of a high-voltage direct current source is connected. Larger objects can be applied to insulators and directly to the negative Pole of the direct current source are connected. The other terminal of the DC power supply connects to a connected to a suitable anode, which may be the electrically conductive metal floor of the chamber. More often, the substrate is placed on the bottom of the chamber and the anode is attached to it, around the chamber easier to charge and discharge. The chamber

-5 wird anschließend bis auf einen Druck vonetwa 1 χ 10 mm Hg evakuiert. Sie wird zyklisch mit Argon oder einem anderen Inertgas, das verwendet oder in das Substrat implantiert werden soll, gespült und evakuiert, wobei das Ganze zweir oder dreimal durchgeführt wird.-5 is then applied to a pressure of about 1 × 10 mm Hg evacuated. It is cycled with argon or some other inert gas that is used or implanted into the substrate is to be flushed and evacuated, the whole being carried out two or three times.

Das Argon oder ein anderes Gas wird dann langsam in die Kammer eingeleitet, während gleichzeitig zwischen Substrat oder Gegenstand und Anode eine Spannung angelegt wird. Bei einem Vakuum von etwa 2 χ 10 mm Hg beginnt sich bei etwa 600 bis 800 Volt ein rosafarbenes Plasma zu bilden. Die Spannung wird dann auf den gewünschten Wert erhöht, beispielsweise 4,5 KV. Der Gegenstand (das Substrat)The argon or another gas is then slowly introduced into the chamber while simultaneously between the substrate or a voltage is applied to the object and anode. At a vacuum of about 2 χ 10 mm Hg begins a pink plasma will form at around 600 to 800 volts. The voltage is then set to the desired value increased, for example 4.5 KV. The object (the substrate)

509825/092 7509825/092 7

wird dann für einen bestimmten Zeitraum (2 bis 4 Minuten) mit diesem Argon- oder Inertgasplasma bombardiert. Dann wird er innerhalb der Kammer abkühlen gelassen, um eine Oxidation zu verhindern. Wenn außerdemfein Feststoff durch Ionenplattierung aufgebracht wird zur Erzeugung eines verschleißfesten, korrosionsbeständigen Überzuges oder eines sonstigen Überzuges, wird die andere Anschlußklemme mit einer Wolframdrahtanode verbunden, die dann einer Widerstandserhitzung unterworfen wird, um das Überzugsmaterial zu schmelzen. Als Anode kann ein Elektronenschleuderverdampfer, ein Zerstäubungsverdampfer oder irgend-eine andere Dampfquelle verwendet werden.is then for a certain period of time (2 to 4 minutes) bombarded with this argon or inert gas plasma. Then it is allowed to cool inside the chamber to a Prevent oxidation. In addition, when a fine solid is deposited by ion plating to produce a wear-resistant, corrosion-resistant coating or some other coating, the other terminal is connected to a tungsten wire anode which is then subjected to resistance heating to melt the coating material. An electron centrifugal evaporator, a spray evaporator or any other source of steam can be used.

Der Gegenstand oder das Substrat Xtfird anschließend bis auf den Austenittemperaturbereich erhitzt und je nach dem Legierungsgehalt in"Wasser, öl oder Luft auf den Martensittemperaturbereich abgeschreckt. Die behandelte Oberflächenschicht kann auch durch Ionenbombardierung bis auf den Austenittemperaturbereich erhitzt und durch ein Unterlagen-Substratmaterial, wie z. B. ein Kühlblech oder durch gekühlte Kontakthalterungen,abgeschreckt werden. Zum Abschrecken kann auch Helium, Argon oder irgend-ein anderes Gas in die Vakuumkammer eingeleitet werden.The article or substrate Xtf is then up to heated to the austenite temperature range and, depending on the alloy content in "water, oil or air, to the martensite temperature range deterred. The treated surface layer can also by ion bombardment down to the Austenitic temperature range and heated by a backing substrate material, such as. B. a cooling plate or by cooled contact holders, are quenched. Helium, argon or anything else can also be used for quenching Gas can be introduced into the vacuum chamber.

Die an das System angelegte Spannung kann von 200 bis 20 Volt oder mehr variieren. Es können auch Ionenbeschleuniger verwendet werden, bei denen Spannungen bis zu 2 000 000 Volt verwendet werden. Es wurde gefunden, daß eine einige Minuten lang angelegte Spannung von 4 KV zu einem Eindringen von Argonionen in das Substrat bis auf etwa 20 MikronThe voltage applied to the system can range from 200 to 20 Volts or more vary. Ion accelerators with voltages up to 2,000,000 Volts are used. A voltage of 4 KV applied for a few minutes was found to cause penetration of argon ions into the substrate to about 20 microns

50982 5/0 92 750982 5/0 92 7

führt. Die Implantationskonzentration'klingt bei Anlegen von 4 KV nach 20 Mikron ab. Die Geschwindigkeit der auftreffenden Ionen bestimmt die Eindringtiefe. Je höher die angelegte Spannung und je geringer der Gasdruck ist, umso schneller bewegen sich die Ionen, wenn sie auf das Substrat auftreffen. Die Verteilung der unlöslichen implantierten Atome wird gesteuert durch die Härte des Substrats und den Verlauf der Spannung und des Druckes, die während der Implantationszeit angewendet werden. In einigen Fällen kann das Plasma besser aufrechterhalten werden und die Arbeitsbedingungen können auf Drucke und/oder Spannungen «ausgedehnt werden, die sonst nicht angewendet werden können, wenn ein Magnetfeld, eine Hochfrequenz oder eine Radiofrequenz oder eine Strahlung auf das Plasma einwirkt., wodurch eine weitere Ionisierung des Gases über diejenige, die durch die statische Gleichstromvorspannung erzeugt wird, hinaus bewirkt wird. Solche Verfahren werden häufig angewendet, um die Ionisierung in Plasmen zu erhöhen.leads. The implantation concentration 'sounds when applied from 4 KV to 20 microns. The speed of the hitting Ions determine the depth of penetration. The higher the applied voltage and the lower the gas pressure, the more the ions move faster when they hit the substrate. The distribution of the insoluble implanted Atoms is controlled by the hardness of the substrate and the course of the tension and pressure that occurs during the implantation time be applied. In some cases, the plasma can be better sustained and working conditions can be extended to pressures and / or tensions «which otherwise cannot be applied when a Magnetic field, a high frequency or a radio frequency or a radiation acts on the plasma., Whereby a further Ionization of the gas beyond that produced by the static DC bias voltage will. Such methods are often used to increase ionization in plasmas.

Im Prinzip kann erfindungsgemäß jedes Element verwendet werden, das in Eisen unlöslich ist, und dazu gehören die Inertgase Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon, die Alkalimetalle Lithium ,Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Frankium, die Erdalkalimetalle Calcium, Strontium, Barium, Radium. sowie die weiteren unlöslichen Metalle Silber, Cadmium, Quecksilber, Thallium, Blei und Wismut. Außerdem können Ionen der nachfolgend angegebenen Elemente auf wirksame Weise in ein Stahlsubstrat eingebaut (implantiert).werden, da sie eine ausgeprägte niedrige oder begrenzte Löslichkeit in EisenIn principle, any element can be used according to the invention, which is insoluble in iron, and these include the inert gases helium, neon, argon, krypton, xenon, radon, the alkali metals Lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, frankium, the alkaline earth metals calcium, strontium, barium, radium. as well as the other insoluble metals silver, cadmium, mercury, thallium, lead and bismuth. Also can Ions of the elements listed below are effectively incorporated (implanted) into a steel substrate because they a pronounced low or limited solubility in iron

509825/0927509825/0927

aufweisen: Beryllium (0,1 Gew.%), Magnesium (0,1 Gew.%), Yttrium (wenig), Lanthan (0,1 Gew.%), Zirkonium (wenig), Hafnium (wenig), Thorium (wenig), Tantal (wenig), Kupfer (wenig), Indium (wenig), Selen (wenig), Tellur (wenig) und Polonium (wenig). "contain: beryllium (0.1 wt.%), magnesium (0.1 wt.%), Yttrium (little), lanthanum (0.1% by weight), zirconium (little), hafnium (little), thorium (little), tantalum (little), copper (little), indium (little), selenium (little), tellurium (little) and polonium (little). "

Obgleich bei diesem Implantationsverfahren alle oben angegebenen Elemente verwendet werden können, werden vorzugsweise soHie Elemente verwendet, die eine Atomgföße aufweisen, die mit derjenigen von Eisen vergleichbar ist. Dies wird am besten erläutert durch Prüfung der Wirksamkeit der Inertgase in dem erfindungsgemäßen Verfahren. Wenn man die Aufzählung dieser Gase in dem Periodischen System der Elemente nach unten verfolgt, so ist festzustellen, daß Helium dasjenige mit der zweit— niedrigsten Wirksamkeit ist, daß Neon wirksamer ist,· daß Argon das wirksamste ist, daß Krypton mit Neon vergleichbar ist und Xenon das am wenisten wirksame ist. Argon ist das wirksamste, weil seine Ätongröße etwa die gleiche ist wie diejenige von Eisen, Xenon und Neon weisen Atomgrößen auf, die im Vergleich zu Eisen zu groß bzw. zu klein sind. . .Although in this implantation procedure all of the above Elements that can be used are preferably used as elements that have an atomic size which is comparable to that of iron. this is best illustrated by examining the effectiveness of the inert gases in the method of the invention. If you have the If these gases are enumerated down in the Periodic Table of the Elements, it should be noted that Helium is the one with the second - lowest effectiveness, that neon is more effective, that argon is the most effective, that krypton is comparable to neon and xenon the least is effective. Argon is the most effective because its aetone size is about the same as that of iron, Xenon and neon have atomic sizes that are too large or too small compared to iron. . .

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch durchgeführt werden durch gleichzeitige oder aufeinanderfolgende Bombardierung des Substrats mit einem der ausgewählten Implantationselemente und einem der ausgewählten Zwischengitter-Legierungselemente und anschließendes Härten. Dieses Verfahren liefert das gleiche Ergebnis, nämlich einen überharten (superharten) Martensit. Die vorliegende Erfindung kann auch durch Bombardieren eines Weichstahls ( Flußstahls) mit unlöslichen IonenThe method according to the invention can also be carried out by simultaneous or successive bombardment of the substrate with one of the selected implantation elements and one of the selected interstitial alloying elements followed by hardening. This procedure delivers the same result, namely an overhard (super hard) Martensite. The present invention can also be carried out by bombing a mild steel (mild steel) with insoluble ions

509 825/09 27509 825/09 27

245B530245B530

und Karbonisieren (Aufkohlen) des Stahls nach irgendeinem der üblichen Verfahren entweder vor oder nach der Ionenbombardierung durchgeführt werden zur Herstellung eines kerngehärteten Produkts mit einer überharten Oberfläche.and carbonizing (carburizing) the steel by any of the conventional methods either before or after ion bombardment be carried out to produce a core-hardened product with an over-hard surface.

Die folgende Tabelle I erläutert das erfindungsgemäße Verfahren. Die darin angegebenen Stahlsubstrate wurden mit verschiedenen Elementen für eine ausgewählte Zeitspanne bei verschiedenen Spannungen implantiert und dann gehärtet. Dann wurde die Härte des dabei erhaltenen Produktes bestimmt. Es wurden Knoop-Härte-EindrückefVertiefungen) mit einer Belastung von 100 .g erzeugt und bei zwanzigfacher Vergrößerung gemessen.The following table I explains the process according to the invention. The steel substrates specified therein have been with various elements for a selected period of time implanted at different voltages and then hardened. Then the hardness of the product obtained was determined. Knoop hardness indentations (depressions) were produced with a load of 100 g and at twenty times magnification measured.

Tabelle ITable I.

Element SpfElement Spf ^nnung^ opening Zeit
(Minuten)
Time
(Minutes)
Knoop-HärteKnoop hardness
unbehandel-
tes Substrat
untreated
tes substrate
Argonargon 4,54.5 33 830830 ItIt 4,54.5 77th 1 0801,080 ItIt 2,52.5 55 1 000 - 1 0301,000-1,030 Xenonxenon 4,54.5 55 910910 ttdd 4,54.5 1010 1 0001,000 Heliumhelium 2,52.5 55 1 0001,000 Heliumhelium 2,52.5 2
(+ 3-minütige
Silberionen-
• plattierung)
2
(+ 3-minute
Silver ion
• plating)
890 - 910890-910

Silbersilver

3,03.0

960960

509825/09 27509825/09 27

Die folgende TabelleII erläutert die Knoop-Härte, die erhalten wurde, wenn in Eisen lösliche Elemente (Eisen und Titan) für einen vorher festgelegten Zeitraum in ein Stahlsubstrat eingelagert (implantiert) wurden und dann das Ganze gehärtet wurde:The following Table II illustrates the Knoop hardness obtained was when iron-soluble elements (iron and titanium) in a steel substrate for a predetermined period of time were stored (implanted) and then the whole thing was hardened:

TabelleTabel IIII Knoop-HärteKnoop hardness Elementelement Spannung(KV)Voltage (KV) Zeit(Minuten)Time (minutes) 810
840
790 - 810
810
840
790-810
Eisen
Titan
Helium +
iron
titanium
Helium +
3,0
3,0
Eisen He 2,5
Fe 2,5
3.0
3.0
Iron He 2.5
Fe 2.5
3
3
2
3
3
3
2
3

In den Beispielen der Tabelle I enthielten die verwendeten Stahlsubstrate 0,95 Gew.% Kohlenstoff und als Rest Eisen. . Jedes Substrat hatte eine Größe von etwa 5,08 cm χ 1,6 cm χ 0,08 cm ( 2 inches χ 5/8.inches χ 1/32 inches). Es wurde eine Kammer ähnlich der in dem obigen Artikel (NASA technical note D-27O7)beschriebenen verwendet, die zuerst mehrmals mit dem zu verwendenden Gas gespült- und dann auf ein Vakuum evakuiert wurde, bei dem das Plasma aufrechterhalten werden konnte, nämlich auf ein solches in der Nähe von 5 χ 10"5 (2 - 50 χ 10"5) mm Quecksilber.In the examples in Table I, the steel substrates used contained 0.95% by weight carbon and the remainder iron. . Each substrate was approximately 2 inches by 5/8 inches by 1/32 inches in size. A chamber similar to that described in the above article (NASA technical note D-27O7) was used, which was first flushed several times with the gas to be used and then evacuated to a vacuum at which the plasma could be maintained, namely to a those near 5 10 " 5 (2 - 50 χ 10" 5 ) mm of mercury.

Beim Implantieren (Einlagern) von Silberionen in den Stahl wurde als Anode ein Wolframdraht verwendet und um den WoI-framdraht wurde ein Silberdraht gewickelt. Der Wolframdraht wurde dann in der Vakuumkammer einer WiderstandeserhitzungWhen implanting (storing) silver ions in the steel, a tungsten wire was used as the anode and around the WoI frame wire a silver wire was wound. The tungsten wire was then resistively heated in the vacuum chamber

509825/0927509825/0927

unterworfen, um das Silber zu schmelzen, so daß es auf das Substrat aufdampfen konnte. Dieses Verfahren wurde auch bei den Metallen der Tabelle II angewendet, die anstelle des Silberdrahtes verwendet wurden.subjected to melt the silver so that it could evaporate onto the substrate. This procedure was also applied to the metals in Table II which were used in place of the silver wire.

In der Härtungsstufe wurde jedes Substrat nach dem Implantieren Oe inlagern) oder Bombardieren mit Ionen in der Kammer auf etwa 850 bis etwa 1050, vorzugsweise auf etwa 1000 C erhitzt, so daß es innerhalb des γ-Austenitbereiches lag, und dann in Wasser auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt zur Bildung von Martensit. Danach wurde die Oberfläche jedes Probensubstrats unter Verwendung einer 2%igen Nital-Lösung (Lösung von Salpetersäure in Äthanol) geätzt. Anstelle der üblichen nadeiförmigen Struktur des Martensits, die in der unbehandelten Probe Kristalle aufwies, deren Hauptlänge (Länge in der Hauptachse) bei 6 700-facher Vergrößerung etwa 40 mm betrug, wiesen die behandelten Substrate eine sehr feinkörnige Martensitstruktur auf, deren Körner nicht länger als 6 mm waren. Da das Volumen und das Gewicht der Körner ein Drittel ihrer Länge oder ihres Durchmessers beträgt, enthielt die behan-In the curing step, each substrate was stored in Oe) or bombarded with ions in after implantation the chamber heated to about 850 to about 1050, preferably to about 1000 C, so that it is within the γ-austenite range and then quenched in water to around room temperature to form martensite. After that, the Surface of each sample substrate using a 2% nital solution (solution of nitric acid in ethanol) etched. Instead of the usual needle-shaped structure of martensite, which had crystals in the untreated sample, whose main length (length in the main axis) at 6,700 times magnification was about 40 mm, the treated substrates have a very fine-grain martensite structure whose grains were no longer than 6 mm. Because the volume and weight of the grains a third of their Length or its diameter, the treated

3 3
delte Struktur 40 / 6=daä3O5-fache de:
3 3
Delte structure 40/6 = daä3O5-fold de:

und .das 50-fache der Korngrenzfläche.and .50 times the grain boundary area.

3 3
delte Struktur 40 / 6=daä3O5-fache der Anzahl der Körner
3 3
Delte structure 40/6 = da3O5 times the number of grains

Patentansprüche:Patent claims:

509825/0 927509825/0 927

Claims (18)

PatentansprücheClaims 1. Verfahren zur Herstellung eines überharten,Eisen .enthaltenden Substrats, dadurch gekennzeichnet, daß Ionen von Elementen, die in Eisen unlöslich sind,in das Substrat implantiert (eingebaut), werden und das Substrat anschließend wärmebehandelt wird unter Bildung einer gehärteten Martensitstruktur. 1. Process for the production of an overhard, iron .containing Substrate, characterized in that ions of elements which are insoluble in iron are implanted into the substrate (incorporated), and the substrate is then heat treated to form a hardened martensite structure. 2. Verfahren"nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Zwischengitter-Legierungselement aus der Gruppe Beryllium, Bor, Kohlenstoff und Stickstoff enthält.2. The method "according to claim 1, characterized in that the substrate contains an interstitial alloy element selected from the group consisting of beryllium, boron, carbon and nitrogen. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat nach der Ionenbombardierung mit einem Element aus der Gruppe Beryllium, Bor, Kohlenstoff und Stickstoff legiert wird. ·3. The method according to claim 1, characterized in that the substrate after ion bombardment with an element from the group consisting of beryllium, boron, carbon and nitrogen is alloyed. · 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischengitter-Legierungselementgehalt des Substrats innerhalb des Bereiches von 0,3 bis 1,8 Gew.% liegt.4. The method according to claim 2, characterized in that the interstitial alloy element content of the substrate is within the range of 0.3 to 1.8 wt%. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Zwischengitter-Legierungselements in dem Stahlsubstrat innerhalb des Bereiches von 0,5 bis 1,0 Gew.% liegt.5. The method according to claim 4, characterized in that the amount of interstitial alloying element in the Steel substrate is within the range of 0.5 to 1.0 wt%. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das implantierte (eingebaute) Element aus der Gruppe Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon, Lithium, Natrium, Kalium,6. The method according to claim 1, characterized in that the implanted (built-in) element from the group of helium, neon, argon, krypton, xenon, radon, lithium, sodium, potassium, 509825/0927509825/0927 Rubidium, Cäsium, Frankium, Calcium, Strontium, Barium, Radium, Silber, Cadmium, Quecksilber,Thallium, Blei, Wismut, Beryllium, Magnesium, Yttrium, Lanthan, Zirkonium, Hafnium, Thorium, Tantal, Kupfer, Indium, Selen, Tellur Und Polonium ausgewählt wird.Rubidium, cesium, frankium, calcium, strontium, barium, radium, silver, cadmium, mercury, thallium, lead, bismuth, beryllium, magnesium, yttrium, lanthanum, zirconium, Hafnium, Thorium, Tantalum, Copper, Indium, Selenium, Tellurium and Polonium is selected. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,7. The method according to claim 1, characterized in that daß es sich bei dem Substrat um einen legierten Stahl - '-handelt. that the substrate is an alloy steel - '- is. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das implantierte Element eine Atomgröße aufweist, die im wesentlichen die Gleiche ist wie diejenige von Eisen.8. The method according to claim 1, characterized in that that the implanted element has an atomic size substantially the same as that of iron. 9. Verfahren nach Angruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem implantierten Element um Argon handelt.9. The method according to Angruch 8, characterized in that the implanted element is argon. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem implantierten Element um Silber handelt.10. The method according to claim 8, characterized in that it is silver in the implanted element. 11. Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß es nach dem Verfahrennach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung eines überharten Martensits behandelt worden ist.11. Substrate, characterized in that it is according to the method one of claims 1 to 10 has been treated to produce a superhard martensite. 12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Eisenimplantierungsstufe das Substrat in ein Vakuum eingeführt, ein Inertgas in das Vakuum eingeleitet, durch das Inertgas mit dem Substrat als Kathode eine elektrische Plasmaentladung erzeugtunddie Spannung (das Potential)12. The method according to claim 1, characterized in that in the iron implantation step the substrate in a A vacuum is introduced, an inert gas is introduced into the vacuum, an electrical through the inert gas with the substrate as the cathode Plasma discharge creates and the voltage (the potential) 509825/0 927509825/0 927 im Vakuum innerhalb eines solchen Bereiches gehalten wird, bei dem das Plasma aufrechterhalten wird.held in vacuum within such a range at which the plasma is maintained. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Anode oder einer elektrisch neutralen Quelle ein in Eisen unlösliches oder in Eisen nur begrenzt lösliches Metall verdampft wird.13. The method according to claim 12, characterized in that that from the anode or an electrically neutral source something insoluble in iron or only sparingly soluble in iron Metal is evaporated. 14. Oberharter Marterisit, "gekennzeichnet, durch ein Stahlsubstrat, dessen Oberfläche· ein in Eisen unlösliches, in das Eisen eingebettetes Element enthält, wobei die Oberfläche eine feinkörnige Martensitstruktur aufweist.14. Upper hard torture, "marked by a Steel substrate, the surface of which is an iron-insoluble, Contains element embedded in the iron, the surface having a fine-grain martensite structure having. 15. Überharter Martensit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß er als Element Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon, Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Frankium, Calcium, Strontium, Barium,Radium, Silber, Cadmium, Quecksilber, Thallium, Blei, Wismut, Beryllium, Yttrium, Lanthan, Zirkonium, Hafnium, Thorium, Tantal, Kupfer, Indium, Selen, Tellur oder Polonium enthält.15. Superhard martensite according to claim 14, characterized in that that the element helium, neon, argon, krypton, xenon, radon, lithium, sodium, potassium, rubidium, Cesium, frankium, calcium, strontium, barium, radium, silver, Cadmium, mercury, thallium, lead, bismuth, beryllium, yttrium, lanthanum, zirconium, hafnium, thorium, tantalum, Contains copper, indium, selenium, tellurium or polonium. 16. Überharter Martensit, dadurch gekennzeichnet, daß seine Oberfläche eine Knoop-Härte von mehr als 1000 auf-, weist.16. Super hard martensite, characterized in that its surface has a Knoop hardness of more than 1000, shows. 17. Überharter Martensit, gekennzeichnet durch ein Stahlsubstrat, dessen Oberfläche ein in Eisen unlösliches, in das Eisen eingebettetes Element enthält, wobei die Oberfläche eine Korngröße aufweist, die in der längstens Dimension17. Superhard martensite, characterized by a steel substrate, the surface of which contains an iron-insoluble element embedded in the iron, the surface has a grain size in the longest dimension 509825/0927509825/0927 - 14 nach dem normalen Abschrecken kleiner als 0,001 mm ist.- 14 is less than 0.001 mm after normal quenching. 18. ' Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma durch ein Magnetfeld, durch Hochfrequenz oder Radiofrequenz oder durch Strahlung zusätzlich zu der durch die statische Gleichstromvorspannung erzeugtenlonisierung ionisiert wird.18. 'The method according to claim 1, characterized in that that the plasma by a magnetic field, by radio frequency or radio frequency or by radiation in addition to the lonization produced by the static DC bias is ionized. 509825/0927509825/0927
DE19742456530 1973-12-14 1974-11-29 OVERHARD MARTENSITE AND METHOD FOR ITS MANUFACTURING Pending DE2456530A1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US424672A US3925116A (en) 1972-08-09 1973-12-14 Superhard martensite and method of making the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE2456530A1 true DE2456530A1 (en) 1975-06-19

Family

ID=23683453

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19742456530 Pending DE2456530A1 (en) 1973-12-14 1974-11-29 OVERHARD MARTENSITE AND METHOD FOR ITS MANUFACTURING

Country Status (13)

Country Link
JP (1) JPS572786B2 (en)
AT (1) AT350094B (en)
CA (1) CA1028935A (en)
CH (1) CH603812A5 (en)
DE (1) DE2456530A1 (en)
DK (1) DK649374A (en)
FR (1) FR2254655B2 (en)
GB (1) GB1483891A (en)
IE (1) IE42143B1 (en)
IL (1) IL46093A (en)
IT (1) IT1023485B (en)
SE (1) SE412258B (en)
ZA (1) ZA747740B (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10222453A1 (en) * 2002-05-22 2003-12-04 Voith Paper Patent Gmbh Process for the surface treatment of a doctor element
DE102011079955B4 (en) 2011-07-28 2023-10-19 Aktiebolaget Skf Steel, component and process for producing steel

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2075069B (en) * 1979-12-03 1984-09-12 Atomic Energy Authority Uk Wear resistance of metals
US4915746A (en) * 1988-08-15 1990-04-10 Welsch Gerhard E Method of forming high temperature barriers in structural metals to make such metals creep resistant at high homologous temperatures
RU2501886C1 (en) * 2012-09-19 2013-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" Ion implantation unit cathode

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10222453A1 (en) * 2002-05-22 2003-12-04 Voith Paper Patent Gmbh Process for the surface treatment of a doctor element
DE102011079955B4 (en) 2011-07-28 2023-10-19 Aktiebolaget Skf Steel, component and process for producing steel

Also Published As

Publication number Publication date
IT1023485B (en) 1978-05-10
SE412258B (en) 1980-02-25
CA1028935A (en) 1978-04-04
DK649374A (en) 1975-08-18
ATA992974A (en) 1978-10-15
GB1483891A (en) 1977-08-24
IL46093A (en) 1979-01-31
FR2254655A2 (en) 1975-07-11
JPS572786B2 (en) 1982-01-18
AT350094B (en) 1979-05-10
CH603812A5 (en) 1978-08-31
IL46093A0 (en) 1975-02-10
IE42143B1 (en) 1980-06-18
IE42143L (en) 1975-06-14
ZA747740B (en) 1976-07-28
FR2254655B2 (en) 1978-05-05
JPS5092814A (en) 1975-07-24
SE7415174L (en) 1975-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69032824T2 (en) Laser vapor deposition process
DE102005063537B4 (en) Hard material layer system
DE3513014C2 (en) Process for treating the surface of workpieces
DE3004546C2 (en) Penning atomization source
DE2340282C3 (en) A method of hardening the surface of a substrate by implanting metal ions into the surface of the substrate and applying a metal coating
DE1483246C3 (en) Process for the production of an amorphous alloy layer
US3925116A (en) Superhard martensite and method of making the same
DE3235670C2 (en) Process for glow nitriding of materials
DE69227313T2 (en) METHOD AND DEVICE FOR TREATING COMPONENTS IN A GAS DISCHARGE PLASMA
EP0021140A1 (en) Ion source in a vacuum chamber and method for its operation
AT391106B (en) LAYER COMPOSITE MATERIAL WITH DIFFUSION LOCKER LAYER, ESPECIALLY FOR SLIDING AND FRICTION ELEMENTS, AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
DE2756861C2 (en) Method for changing the position of the Fermi level of amorphous silicon by doping by means of ion implantation
DE10228835A1 (en) Impulse electron beam system consists of an emission cathode operating by explosion, an accelerating gap formed between the cathode and a plasma anode, and an electron collector fixed to a metal prosthesis placed in a magnetic field
DE69731101T2 (en) DECORATION PART OF TITANIUM BASE AND METHOD FOR CURING
DE3535022A1 (en) METHOD FOR PRODUCING COATING LAYERS BY ION RADIATION PLATING
DE2341311C3 (en) Method for setting the service life of charge carriers in semiconductor bodies
DE69503198T2 (en) STOCK CATHODE AND METHOD FOR PRODUCING A STOCK CATHODE
DE2456530A1 (en) OVERHARD MARTENSITE AND METHOD FOR ITS MANUFACTURING
AT393367B (en) LAYER COMPOSITE MATERIAL, ESPECIALLY FOR SLIDING AND FRICTION ELEMENTS, AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
DE2941674C2 (en)
EP1161570B1 (en) Method for coating a support body with a hard magnetic se-fe-b material using plasma spraying
EP3566725A1 (en) Antimicrobial implant coating
DE1521556B2 (en) Metal of niobium or a niobium alloy coated with a surface layer containing CoSi and / or CoSi deep 2 and process for its production
DE2616270C3 (en) Method for producing a layer which is difficult to oxidize on a body made of an easily oxidizing metal or a corresponding metal alloy
DE1614015B1 (en) PROCESS FOR TREATMENT AND FILLING IN THE PRODUCTION OF HALOGEN-GEIGER-MUELLER COUNTER TUBES SUITABLE FOR HIGH WORKING TEMPERATURES

Legal Events

Date Code Title Description
OHW Rejection