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Verfahren zur Oberflächenveredelung von Werkstücken - Für die Oberflächenveredelung
von metallischen Werkstücken durch Eindiffundieren eines anderen Metalls. wird im
allgemeinen so vorgegangen" daß das Werkstück in dem. in -fester, beispielsweise
in Pulverform- vorliegenden einzudiffundierenden Metall oder einer Legierung dieses
Metalls mit dem Grundmetall des Werkstückes eingebettet erlützt wird: Nur in besonders
:gelagerten Fällen 'hat man das zu veredelnde Werkstück mit dein einzudiffundierenden
Bestandteil in Gasform, behandelt. - Im allgemeinen erhält man jedoch,. wie Versuche
gezeigt haben, bei der Behandlung von Werkstücken mit dem Dampf eines einzudiffundierenden
Metalls spröde Schichten, die zum Abblättern neigen und leicht verletzlich sind.
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Es ist bekannt, daß Oberflächenschichten nur dann mit dem Grundmetall
innig verbunden sind und. fest auf demselben haften, wenn das Grundmetall imstande
ist; mit dem einzudiäuindierenden Metall Mischkristalle zu bilden; und es ist nun
weiterhin erkannt worden, daß die Oberflächenschichten bei der Diffusionstemperatur
nur aus: solchen Mischkristallen bestehen dürfen. Wird aber bei :der Diffusionstemperatur
:auf der Oberfläche des zu veredelnden Werkstückes nicht.
ausschließlich
die Mischkristallphase, sondern auch noch eine weitere, die einer intermetallischen
Verbindung zukommt, bzw. nur :eine solche gebildet, so findet ein-- feste Verbin
Jung der Oberfläche mit dem Grundmetall nicht statt, sie ist also spröde und leicht
verletzlich und neigt zum Abblättern. Vor` aussetzung für die Erzeugung von innig
mit dem Grundmetall des Werkstücks verbundenen Oberflächenschichten durch Eindiffundieren
von gasförmigen Legierungsmetallen ist, wie weiter gefunden wurde, die Einhaltung
eines bestimmten Dampfdruckes des einzudiffundierenden Metalls in der das Werkstück
umgebenden Atmosphäre. Überschreitet nämlich der Dampfdruck in der -umgebenden Atmosphäre
einen zogleich zu definierenden Wert, so werden auf der Oberfläche des zu behandelnden
Werkstückes Schichten gebildet,.deren. Zusammensetzung nicht, mehr der Phase des
Grundmetalls entspricht.
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Erfindungsgemäß soll der Dampfdruck der einzudiffundierenden. Komponente
in der das Werkstück umgebenden Atmosphäre nicht größer sein als derjenige Dampfdruck,
den diejenige. Phase, der die die zu erzeugende Oberflächenschicht bildende Legierung
,angehört, in bezug auf die eindiffundierende Komponente bei der Behandlungstemperatur
höchstens erreichen kann: Eine nachträgliche etwa beim Erkalten in einer bei der
Diffusionstemperatur homogen entstandenen Schicht eintretende Ausscheidung einer
neuen Phase (Ausscheidungshärtung) führt nicht zum Abspringen -der :erfindungsgemäß
erzeugten Schicht.
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Von Bedeutung ist diese Erkenntnis für die Herstellung von Oberflächenschichten,
die aus zwei oder mehreren Metallen bestehen, die nach dem Zustandsdiagramm der
entsprechenden binären bzw. komplexen Systeme in mehreren Phasen verbunden auftreten
können. Ist das Metall A, das das Grundmetall des Werkstücks bildet, imstande, mit
dem einzudiffundierenden Metall B Legierungen zu bilden, die verschiedenen Phasengebieten
angehören, beispielsweise Legierungen, bestehend aus der Phase a (feste Lösungen
von B in A), und auch solche, bestehend aus ",der Phase ß (beispielsweise einer
.festen Lösung des Grundmetalls A, in einer Verbindung Ax, By) ... und endlich auch
solche, bestehend aus einer Phase ¢ (feste Lösungen von A in B), so ist der Dampfdruck
bei einer vorgegebenen Temperatur für die verschiedenen Phasen verschieden, und
zwar steigt er innerhalb des Existenzgebietes der einzelnen Phasen allein mit zunehmender
Konzentration derselben an ,ß und bleibt ohne Rücksicht auf die Konzentration von
B korstallt innerhalb derjenigen Gebiete, in denen zwei verschiedene Phasen (beispielsweise
a+ß, -oder ß+γ... oder s-; ¢) koexistieren.
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-Äuf den vorstehend geschilderten Erkennt
Bieren .eines anderen- räumlich vom Werkstück getrennten Metalls in Gasform, bei
dem der Dampfdruck der einzudiffundierenden Komponente in der das Werkstück umgebenden
Atmosphäre ebenso groß ist wie derjenige Dampfdruck, den die Phase, der die die
zu erzeugende Oberflächenschicht bildende Legierung angehört, in bezug auf die eindiffundierende
Komponente bei der Y Behandlungstemperatur höchstens erreichen kann.
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Die Durchführung dieses Verfahrens kann auf verschiedene Weise erfolgen:
Man kann beispielsweise den gewünschten Dampfdruck -der einzudiffundierenden Komponente
B dadurch erzeugen, daß man eine Legierung, die die durch Diffusion auf dem Werkstück
herzustellende Phase als Gefügebestandteil enthält;. auf die gleiche Temperatur
erhitzt; :auf die auch das Werkstück gebracht wird. Man kann aber 'auch als Spendenmetall
eine beliebige .an der einzudiffundierenden Komponente reichere Legierung oder sogar
die reine Komponente selbst wählen; wenn man dafür sorgt, daß das Spendenmetall
auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der der Dampfdruck des Spendermetalls in bezug
auf die einzudiffundierende Komponente der Bedingung gemäß Erfindung entspricht.
Diese Temperatur wird naturgemäß niedriger sein müssen als diejenige, auf die Blas
zu behandelnde Werkstück gebracht wird.
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Ein Nachteil des erstgenannten Verfahrens in praktischer Beziehung
ist unter Umständen darin zu erblicken, daß bei fortschreitender Verarmung des Spendermetalls
an der in das Werkstück einzudiffundierenden Komponente früher oder später in ihm
eine Konzentration in bezug auf die letztere erreicht wird, bei der eine weitere
Verdraxnpfüng, der Komponente nicht mehr stattfindet, da das Gleichgewicht der umgebenden
Atmosphäre sowohl mit dem Werkstück als auch mit dem Spendenmetall erreicht ist;
es wird also dann zwecks Fortsetzung des Verfahrens eine Erneuerung bzw. Auffrischung
des Spendenmetalls :erforderlich. Dieser Nachteil wird durch das zweitgenannte Verfahren
vermieden: Zwar findet auch hier eine allmähliche Verarmung des Spendenmetalls in
bezug auf die einzudiffundierende Komponente statt; der für Fortsetzung des Verfahrens
erforderliche Dampfdruck in Bezug auf das letztere kann jedoch durch @entsprechende
Steigerung
der Temperatur des Spendermetalls stets wiederhergestellt werden.
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Soweit die zur . Durchführung :des beschriebenen Verfahrens in: seiner
zweiten Aus-' erforderliche Kenntnis .'-der Dampfdrucke -nicht ,aus bestehenden
Veröffentlichungen :entnommen werden kann, muß die Temperatur, auf die 'das Spendermetall
jeweils . zu erhitzen ist, durch Probieren :ermittelt werden. Zu diesem Zwecke wird
bei konstant gehaltener Temperatur des Werkstücks das Spendenmetall fortschreitend
auf höhere Temperaturen erhitzt und das Werkstück von Zeit zu Zeit -zwecks: Untersuchung
der gebildeten Oberflächenschicht aus der Apparatur entnommen. Beginnt sich auf
Bern Werkstück eine spröde, leicht abblätternde Schicht zu bilden, so ist dies ein
Zeichen dafür, daß die. für die Erhitzung des: Spendenmetalls zuletzt gewählte Temperatur
bereits zu 'hoch war. Beispiele -i. Zwecks Erzeugung einer harten, festhaftenden,
zinnhaltigen Oberflächenschicht aus a-Bronze ,auf einem Werkstück aus Kupfer wird
das Werkstück zusammen mit -einer Cu-Sn-Legierung, die 23 Gewichtsprozent Zinn enthält,
in einem luftleer gemachten Rohr aus Quarzglas während- 6o Stunden auf 745' erhitzt.
Eine Berührung der Kupferprobe mit dem Spendenmetall ist dabei zu vermeiden. Die
Temperatur liegt dicht unterhalb der Temperatur, bei der nach denn Zustandsdiagramm
die flüssige Phase aufzutreten beginnt. Unter den Versuchsbedingungen verdampft-
aus dem Spendermetall zunächst so viel Zinn, bis zwischen dem Spendermetall und-
der es umgebenden Atmosphäre in Bezug -auf 'den Dampfdruck des Zinns Gleichgewicht
erreicht ist. Das Zinn
diffundiert nun unter Bildung des bei der Versuchstemperatur
gesättigten a-Mischkristalls (i 3, 9 % Zinn) - aus der' Gasphase in das reine Kupfer
'hinein, wobei die Tiefe der ,bildeten Schicht von der Versuchsdauen abhängig ,ist.
Das Kupferstück ist nach der Behandlung vollständig glatt, hat seine ursprüngliche
Form beibehalten, und: nur die Farbe des Kupfers ist in das helle Rot der Bronze
Übergegangen. Die Härte des Werkstücks aus Kupfer ist durch die Behandlung beträchtlich
gestiegen: mach der Methode von Vickers, die sich für die Bestimmung der Härte dünner
Schichten .eignet, ermittelt, ist die Härte von 43,9 kg/mm2 für reines Kupfer auf
9ö kg/mm2 ,gestiegen.
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Führt man den Versuch dagegen unter sonst gleichen Bedingungen mit
reinem Zinn als Spendenmetall durch, so bildet sieh auf der Kupferprobe eine Kupfer-Zinn-Legierung,
deren Zusammensetzung schwankt und jedenfalls nicht der a-Phase .entspricht. Die
Form der Probe ist nach der Behandlung wesentlich verändert, -die gebildete Schicht
weist eine metallisch graue Farbe auf, sie ist spröde und blättert leicht ab.
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z. In ;einem beiderseits geschlossenen und luftleer gemachten Quarzrohr
. ist an einem Ende ein Werkstück aus Kupfer, _ am anderen Ende dagegen ein Stück
reinen Zinks angeordnet. Das das kupferne Werkstück enthaltende Ende wird auf eine
Temperatur von 85o°- erhitzt. Das das reine Zink enthaltende Ende des Rohres wird
dagegen auf -eine Temperatur von 702' erhitzt, bei. der der Zinkdampfdruck
etwa 62 mm Hg/abs. beträgt. Dieser Zinkdampfdruck entspricht dem Dampfdruck, bezogen
auf Zink, " 'an der oberen Grenze- des -Existenzbereichs der a-Phase .im Zustandsdiagramm
Cu-Zn, bei 85o° (vgl. Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 44 [1938]> S-98 bis 102,
insbesondere Fig.3). Es bildet sich -demzufolge ,auf der Oberfläche des kupfernen
Werkstückes eine an Zink gesättigte Schicht aus a-Mischkristallen, die auf dem Werkstück
fest haftet, ohne daß dessen ursprüngliche Form verändert wird.