DE2941674A1

DE2941674A1 - Verfahren zur inhibierung der reibkorrosion von metallen

Info

Publication number: DE2941674A1
Application number: DE19792941674
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Dearnaley
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1978-10-16
Filing date: 1979-10-15
Publication date: 1980-04-24
Also published as: US4289544A; GB2031955B; FR2439245B1; DE2941674C2; FR2439245A1; GB2031955A

Description

DR. BER'j D-PI -ING. STAPF DIPL-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE

Postfach 8602 45, 8000 München 86

Anwaltsakte: 3o 467

15. Okt. 1979

UNITED KINGDOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY London SW1, Großbritannien

Verfahren zur Inhibierung der Reibkorrosion von

Metallen

' (089) 98 82 72 Mauerkircherslr. 45 8(XK) München 80 Banken

988273 tM/cb Telegramme Bayerische Vereinsbank München 45311»)

988274 BERGSTAPFPATENT München Hyno-Bank München WO002624 983310 TELEX: 05 24560BERGd Postscheck München <<5}43-8O8

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294167Λ

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inhibierung der Reibkorrosion von Metallen und insbesondere zur Inhibierung der Reibkorrosion von Titan.

Titan und Titanlegierungen werden in großem Umfang für Raumfahrtzwecke und medizinische Zwecke verwendet. Diese Materialien zeigen jedoch in einer oxidierenden Atmosphäre, wenn Vibrationen und/oder Reibungseffekte vorliegen, das Phänomen der Reibkorrosion. Dieses Problem wird durch die sich dabei ergebende Bildung von schmirgelndem Oxidabrieb verschärft. Wenngleich Versuche unternommen wurden, dieses Problem durch die Beschichtung der Oberfläche zu lösen, hat sich dies nicht als vollständig zufriedenstellend erwiesen, da diese überzüge dazu neigen, bei Einwirkung von mechanischen Beanspruchungen abzuplatzen oder abzublättern.

Weiterhin können diese Überzüge zu Dimensionsänderungen Anlaß geben oder weitere Oberflächenbehandlungen erforderlich machen, wie das Kugelstrahlen, um die ursprünglichen Ermüdungsbeständigkeitseigenschaften der Oberfläche wieder herzustellen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun

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darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem es in einfacher Weise gelingt, die Reibkorrosion von Metallen und insbesondere von titanhaltigen Oberflächen zu inhibieren.

Diese Aufgabe wird nun mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Inhibierung der Reibkorrosion von Werkstücken mit titanhaltigen Oberflächen gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man auf der gegen Reibkorrosion zu schützenden Oberfläche unter vermindertem Druck ein aktives Material abscheidet, dessen Bildungswärme für die Bildung seines Oxids größer ist als die von Titan, und das Werkstück während einer Zeitdauer auf eine Temperatur erhitzt, die dazu ausreichen, ein Wanderung oder Migration des abgeschiedenen aktiven Materials in das Werkstück unter Bildung eines das aktive Material enthaltenden Oberflächenbereichs des Werkstücks zu bewirken.

Die titanhaltigen Oberflächen können entweder aus reinem Titan oder aus Titanlegxerungen bestehen.

Eine alternative Methode zur Kennzeichnung der erfindungsgemäß erforderlichen Eigenschaften des aktiven Materials besteht darin, zu sagen, daß es eine niedrigere Elektronegativität als Titan aufweisen sollte.

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-χ-t

Der Erfolg der erfindungsgemäßen Maßnahme hängt von der Fähigkeit des aktiven Materials ab, während der Maßnahme des Erhitzens entlang der Diskontinuitäten in dem titanhaltigen Material in erhebliche Tiefen einzudringen. Während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Werkstücks blockiert das aktive Material die Diffusionswege, wie die Korngrenzen oder die Dislokationsbereiche über die der Sauerstoff in das Titan eindiffundiert, wobei dann, wenn das aktive Material von der Oberfläche des Werkstücks verlorengegangen ist, weiteres aktives Material aus dem Inneren des Werkstücks nach außen wandert, und das an der Oberfläche verlustig gegangene Material ersetzt.

Erfindungsgemäß geeignete aktive Materialien mit niedriger Elektronegativitat sind die Elemente Barium, Strontium, Rubidium, Europium, Caesium, Ytterbium und Calcium. Das besondere aktive Material wird in Abhängigkeit von den zu erwartenden Betriebsbedingungen ausgewählt. Beispielsweise verlangen Bedingungen mit geringerer Belastung ein mobileres aktives Material, wie Caesium,anstelle eines weniger mobilen aktiven Materials, wie Barium, um sicherzustellen, daß dieses Material in wirksamer Weise bei den von dem Werkstück erreichten Reibungstemperaturen zu wandern vermag, die niedriger liegen als dann, wenn das Werkstück unter strengeren Bedin-

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gungen eingesetzt wird.

Das aktive Material kann durch Ionenbeschuß abgeschieden werden, d. h. dadurch, daß man das Werkstück in einem Vakuum von etwa 1,3 χ 1o mbar (1o torr) einem Strahl von Ionen des aktiven Materials aussetzt, die eine Energie besitzen, die dazu ausreichen, daß sie beim Auftreffen auf das Werkstück in dieses implantiert werden. Dieses Verfahren besitzt den Vorzug, daß das aktive Material bereits vor der Heizstufe des erfindungsgemäßen Verfahrens in das Werkstück eingebracht wird.

Alternativ kann man eine Ionenspritzbeschichtungsmethode (sputter-ion plating technique) dazu anwenden, das aktive Material abzuscheiden. Die Ionenspritzbeschichtung ist eine Methode, gemäß der in einer Gasatmosphäre eine Glimmentladung bei einem Druck von einigen wenigen Hundertstel mbar erzeugt wird. Durch die Glimmentladung werden einige der Gasmoleküle ionisiert und dann in Richtung auf eine als Kathode geschaltete Elektrode beschleunigt, die aus dem Material besteht, das auf dem Substrat abgeschieden werden soll. Die Kathode wird bei einem Potential von etwa 5oo V gehalten, was den auftreffenden Ionen eine Energiemenge zuführt, die dazu ausreicht, daß sie Material aus der Kathode heraus-

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schlagen können. Das herausgeschlagene oder verspritzte Material, das üblicherweise eine Mischung aus Ionen und Atomen darstellt, wird durch die Glimmentladung weiterionisiert, worauf die Ionen von dem Substrat angezogen werden, das auf ein negatives Potential von etwa 1oo V aufgeladen ist. Vor der Durchführung der Ionenspritzbeschichtung ist es üblich, das Substrat dadurch zu reinigen, daß man bei geerdeter Kathode ein höheres Potential an das Substrat anlegt, so daß das Substrat einen Beschüß durch die in der Glimmentladung gebildeten Gasionen unterliegt. Wenn man das erfindungsgemäße Verfahren in dieser Weise durchführt, ergibt sich der Vorteil,daß irgendwelche auf der Oberfläche des Titan-Werkstücks vorliegenden Oxidschichten entfernt werden, bevor das aktive Material abgeschieden wird.

Das folgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.
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Beispiel

Man bringt eine Titanprobe in eine Vakuumkammer ein, die dann auf einen Druck von etwa 1o mbar evakuiert wird. Dann unterwirft man die Probe einem Be-

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schuß mit einem Ba -Ionenstrahl,bis pro cm 2 χ Io Ionen implantiert sind. Der verwendete Ionenstrahl

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besitzt eine Energie von 2oo keV. Dann erhitzt man die der Implantationsbehandlung unterworfene Probe während 1 Stunde auf eine Temperatur von 600 C. Bei der Prüfung der in dieser Weise erhaltenen Probe bezüglich der Oxidationskorrosion und der Ermüdung unter Anwendung üblicher Prüfmethoden, die dem Fachmann geläufig sind, zeigt sich, daß die Oxidationsgeschwindigkeit der Oberflächen der Proben um etwa 4o % vermindert ist und daß bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des Werkstücks die Reibkorrosion in gleicher Weise vermindert wird, was zu einer entsprechenden Zunahme der Reibermüdungsfestigkeit des Materials führt.

Wenn man das Verfahren unter Verwendung von Caesiumionen, Strontiumionen oder Ytterbiumionen wiederholt, so erzielt man ähnliche Ergebnisse.

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Claims

Patentansprüche

' _y-' Verfahren zur Inhibierung der Reibkorrosion von Werkstücken mit titanhaltigen Oberflächen, dadurch gekennzeichnet , daß man auf der gegen Reibkorrosion zu schützenden Oberfläche unter vermindertem Druck ein aktives Material abscheidet, dessen Bildungswärme für die Bildung seines Oxids größer ist als die von Titan, und das Werkstück während einer Zeitdauer auf eine Temperatur erhitzt, die dazu ausreichen, eine Wanderung des abgeschiedenen aktiven Materials in das Werkstück unter Bildung eines das aktive Material enthaltenden Oberflächenbereichs des Werkstücks zu bewirken.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e -

kennzeichnet, daß man als aktives Material Barium, Calcium, Caesium, Europium, Rubidium, Strontium und/oder Ytterbium verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e -

kennzeichnet, daß man als aktives Material Barium einsetzt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß man 5 das aktive Material in einer Menge von etwa 1o

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ORIGINAL INSPECTED

Atomen oder Ionen pro cm zuführt.
5. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekernzeichnet , daß man das aktive Material durch Ionenbeschuß in das Werkstück implantiert.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß man das Werkstück mit einem Strahl von Ionen des aktiven Materials mit einer Energie von etwa 2oo keV beschießt, bis die Konzentration des aktiven Materials erreicht ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß man das aktive Material mit Hilfe eines Verfahrens abscheidet, das darin besteht, die Oberfläche des zu schützenden Werkstücks mit Ionen eines Inertgases zu beschießen, um die Oberfläche zu reinigen, bevor man das aktive Material durch Ionenspritzbeschichtung abscheidet.
8. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet , daß man das Werkstück nach der Abscheidung des aktiven Materials

auf eine Temperatur von etwa 6oo°C erhitzt.

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