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Verfahren und Vorrichtung zum Karhnrieren (Zementieren) metallhaltiger Gegenstände oder Sehipliten.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Karburieren (Zementieren) von metallischen oder metallhaltigen Gegenständen oder Schichten, die ein oder mehrere karbidbildende Elemente, wie z. B. Chrom, enthalten. Hiedureh soll der behandelte Gegenstand als Ganzes oder zumindest in Oberflächenschichten (letzteres Zementierung genannt) insbesondere veredelt oder vergütet werden.
Es wurde bereits vorgeschlagen, solche Gegenstände oder auf diesen vorhandene oder besonders erzeugte Schichten, die aus einem oder mehreren Karbide bildenden Elementen bestehen oder solche enthalten, einer ein-oder mehrmaligen Karburierung dieser Elemente bei erhöhter Temperatur durch thermische Dissoziation kohlenstoffhaltiger Gase oder Dämpfe und vorteilhaft bei erhöhtem Druck zu unterwerfen.
Diese thermische Dissoziation ist regelmässig mit solchen Temperaturerhöhungen verbunden, dass auch die zu karburierende Schicht ausreichend erwärmt wird, um die Reaktion der Karbidbildung ausreichend rasch ablaufen zu lassen.
Als karbidbildendeElemente kommen insbesondere Chrom, Eisen, Silizium, Bor, Zer. Titan, Zirkon, Vanadium, Tantal, Wolfram, Molybdän, Uran in Betracht, die allein oder in beliebigen geeigneten Mischungen in den zu behandelnden Schichten anwesend sein können. Sind verschiedene Elemente vorhanden, so müssen diese nicht in denselben Schichten liegen, sondern können auch in verschiedenen untereinander liegenden Schichten grösserer oder geringerer Stärke, jedenfalls aber im Tiefenwirkungsbereich der gebildeten Thermionen liegen. Eine solche Tiefenwirkung hängt ebensowohl vom Grade der Dissoziation als auch vom Druck ab, der bei der Dissoziation entsteht, ausserdem auch von der Durchdringungsfähigkeit der Schichten selbst, die wiederum von Material zu Material verschieden sein mag.
Die Erfindung umfasst insbesondere auch Gegenstände, deren zu behandelnde Schichten aus einem oder mehreren Elementen in Mischung oder Legierung oder chemischer Verbindung bestehen, von denen eines oder mehrere der Karbidbildung fähig ist.
Weiterhin umfasst die Erfindung Gegenstände, deren zu karburierende Schicht mit dem übrigen Körper verwachsen ist und in einem Stück homogen mit ihm besteht oder besonders auf ihn aufgetragen ist und dabei aus gleichem oder aber verschiedenem Stoff besteht. Hiebei kann jede Art der Auftragung und Verbindung der Schicht mit dem Gegenstand verwendet werden, die ausreichend fest ist, um bei bestimmungsgemässem Gebrauch des Gegenstandes weder eine mechanische noch, wenn der Gegenstand chemisch beansprucht wird, eine chemische Loslösung zuzulassen.
Des weiteren erfasst die Erfindung auch Gegenstände, die durch Schmelzen oder durch Sinterung, ganz oder teilweise, erzeugt sind, gleichgültig, ob sie darauffolgend irgendeiner mechanischen Bearbeitung unterworfen wurden oder nicht.
Soll ein nicht homogener Körper in seinen Aussenschiehten gemäss der Erfindung karburiert werden, dann können die karbidbildenden Elemente in jedem geeigneten Auftrag- oder Verbindungsverfahrel1 aufgebracht, insbesondere warm oder kalt aufgetragen, aufgespritzt, aufgepresst oder aufgewalzt werden.
Sie können auf chemischem oder elektrolytischem Wege abgesetzt werden. Sie können durch Schmelzflusselektrolyse, Diffusion oder in irgendeiner ändern geeigneten Weise, insbesondere in einem Plattierungsverfahren, aufgebracht sein. Sie können schliesslich auch aufgesintert oder aufgeschmolzen werden.
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Es ist für die Erfindung nicht erforderlich, dass die zu karburierende Schicht ihrerseits auf einem metallhaltigen Gegenstand mittelbar oder unmittelbar aufgebracht wird. Vielmehr kann als Unterlage auch beispielsweise Porzellan oder ein sonstiger keramischer Stoff, ebenso auch Marmor und sonstiges naturgewachsenes Gestein dienen. Aber auch Sinterlegierungen und Pressmassen, wie z. B. Kunststeinund Kunstharzmassen, können als Unterlage dienen.
Gemäss der Erfindung werden also die zu behandelnden Schichten der Einwirkung durch thermische Dissoziation aus gasförmigen oder verdampften kohlenstoffhaltigen Verbindungen abgeschiedenen Kohlenstoffs ausgesetzt, und die thermische Dissoziation wird durch Explosion, z. B. mit Hilfe eines elektrischen Zündfunkens, bewirkt.
Die Spaltung oder Abscheidung wird vorteilhaft in neutraler Atmosphäre vorgenommen.
Besonders vorteilhaft ist es, den zu behandelnden Gegenstand in ein Gefäss einzubringen, das so weit als möglich luftleer gemacht und in das sodann die dampf-oder gasförmige Kohlenstoffverbindung (oder Verbindungen) eingelassen oder in dem diese dann erzeugt werden. Durch Arbeiten im Vakuum sollen zunächst die zu behandelnden Schichten von okkludierten Gasen befreit werden. Diese Entgasung kann durch Erwärmung eines Metallkörpers durch Hochfrequenz ebenso wie durch Behandlung des Gegenstandes mit hochgespanntem Wechselstrom beschleunigt werden. Vorteilhaft geht die Entgasung im Vakuum der Einleitung der karburierenden Gase voraus.
Besonders vorteilhaft ist es, Azetylengas zur Karburierung zu verwenden, das im geschlossenen Raum zur Explosion gebracht wird, wobei sich Kohlenstoff abscheidet. Da die Explosion einen exothermischen Vorgang darstellt und von bedeutender Druckerhöhung begleitet ist, wird ebensowohl der zu karburierende Körper zumindest in den Oberfläehenschichten ausreichend erwärmt als auch die gebildeten Thermionen (Kohlenstoff) in die zu karburierenden Schichten eingedrückt, so dass Karbide auf gewünschte Tiefe entstehen. Natürlich kann diese Behandlung beliebig wiederholt werden.
Gemäss der Erfindung ist es möglich, korrosionsfeste und erosionsfeste Oberfläehenschiehten zu erzeugen. Durch geeignete Auswahl des oder der karbidbildenden Elemente kann die Oberfläche auch sehr verschleissfest und hart gemacht werden. Durch geeignete Mischung der Elemente können Verschleissfestigkeit und Härte beliebig variiert und insbesondere Misehkristallbildung bei der Karburierung unterstützt werden. Je grösser die Besetzung der Oberfläche mit karbidbildenden Elementen ist, desto grösser wird die Härte der Oberfläche. Je grösser der Zusatz nichtkarbidbildender Elemente zwischen diesen letzteren in den zu behandelnden Schichten ist, desto geringer wird diese Härte, während ihre Zähigkeit vergrössert werden mag.
Durch geeignete Wahl oder Mischung der Elemente kann die Oberfläche insbesondere warmfest gemacht und eine mit der Unterlage haltfest verbundene Oberfläche gesehaffen werden.
Durch die Erfindung werden lange Wärme-und Hitzebehandlungen des Gegenstandes vermieden, da die Karburierung in kürzester Zeit, wenn man will, sogar schlagartig, vor sich geht. Sohin kann man aber auch den Gegenstand längere Zeit der Einwirkung der Thermionen aussetzen, indem man durch
Nachschub kohlenstoffabspaltender Gase und Wiederholung der thermischen Dissoziation für fortgesetzte Einwirkung der naszierenden Kohlenstoffthermionen auf den zu behandelnden Gegenstand sorgen, ebenso wie man nach einmaliger Einwirkung die Behandlung alsbald unterbrechen kann. Auf jeden Fall wird hiebei die Karburierung in viel kürzerer Zeit durchgeführt als dies beim Zementieren durch Ein- setzen oder aus einer am erhitzten Gegenstand vorbeistreichenden kohlenstoffhaltigen Gasatmosphäre sonst möglich wäre.
Darum kann man gemäss der Erfindung metallhaltige Gegenstände und Legierungen auch in den Eigenschaften ihrer Randschichten wesentlich verändern, ohne sie im übrigen, insbesondere in ihrer
Struktur, zu ändern. So kann man gemäss der Erfindung hitzebeständige und zunderfest karbidhaltige
Oberflächen und Überzüge, letztere sogar oft ohne künstliche Zwischenschicht, aufbringen.
Diese Erfindung soll in der Hauptsache einen verbesserten Schutz für Metalle oder Metalloberflächen ergeben, indem man in oder auf diesen eine Deckschicht, einen Belag oder einen Überzug erzeugt, die hart, dicht und korrosionsfest ist. Die Deckschicht kann auch besonders hohen Widerstand gegen
Verschleiss oder andere mechanische Abnutzung bei erhöhter oder gewöhnlicher Temperatur darbieten.
Die Deckschicht kann einen beliebig dünnen Belag oder eine beliebig dicke Schicht darstellen.
Des weiteren kann die Deckschicht gemäss der Erfindung ebenso hart als auch von hoher Hitze- beständigkeit sein, ohne dass sie abblättert oder abspringt.
Im besonderen erzeugt die Erfindung eine karbidische Deckschicht mit den soeben festgestellten
Eigenschaften, die im Gegensatz zu bisher hergestellten karbidischen Oberflächen, so z. B. von einsatz- gehärteten Eisengegenständen, glatt, regelmässig, frei von mikroskopischen Rissen und vollkommen gleichmässig dick ist. Die Dicke kann dabei nach Wunsch bemessen werden.
Gemäss der Erfindung wird weiterhin eine Deckschicht erzeugt, welche eine Mehrzahl von Schichten von verschiedenen metallischen Legierungen und Gemengen enthält, die so angeordnet sind, dass etwaige
Differenzen zwischen den Ausdehnungskoeffizienten aneinandergrenzender Schichten so herabgemindert sind, dass jede Gefahr des Splitterns oder Abtrennens einer der Schichten vermieden ist. Eine solche
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kungen, ohne abzuspringen.
Die Erfindung sei nun an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Ein Gegenstand aus Stahl sei vorher mit Chrom galvanisiert worden, und dieser Chromniederschlag soll nun ganz oder teilweise in eine karbidische Deckschicht umgewandelt werden. In der mehr schematischen Zeichnung sind Fig. 1 ein Schnitt durch ein zunächst galvanisch überzogenes Stück Stahl, Fig. 2 eine Ansieht einer Deckschicht, die durch Kohlung (Karburierung) im Sinne der Erfindung auf dem Grundmaterial (Stahl) entwickelt wurde, Fig. 3 eine ähnliche Ansieht, die eine Umwandlung der Deckschicht durch weitere Kohlung der in Fig. 2 gezeigten Schicht gemäss der Erfindung zeigt, Fig. 4 ein teilweiser Schnitt und teilweise Ansieht einer Apparatur zur Durchführung einer Ausführungsform der Erfindung, Fig.
5 eine schematische Skizze gewisser Einzelteile der Fig. 4 und verschiedener elektrischer Schaltungen und Zubehörteile zur Ausführung einer Kohlung durch automatisch wiederholtes schrittweises Kohlen, Fig. 6 ein senkrechter Schnitt, hauptsächlich längs der Linie 6-6 in Fig. 5, der weitere Einzelheiten zeigt, Fig. 7 eine der Fig. 4 ähnliche Ansicht einer andern Apparatur, um die Deckschicht an einer inneren Oberfläche, anstatt einer äusseren zu erzeugen.
In Fig. 1 trägt ein Stahlstüek 10 auf einer zu schützenden Oberfläche eine Chromplattierung 11.
Diese Plattierung wird vorteilhaft einem Reinigungsprozess unterworfen, um etwa eingeschlossene Gase zu entfernen ; am besten wird der plattierte Gegenstand im Vakuum etwa 30 Minuten lang auf etwa 300 C erhitzt. Die Plattierung kann in jeder geeigneten Weise vollzogen sein, z. B. durch Galvanisieren. Die Dicke der Chromsehieht kann nach den Erfordernissen gewählt werden ; sie soll jedenfalls einen dichten zusammenhängenden Niederschlag auf dem Stahl bilden.
Bei der galvanischen Verehromung entsteht an der Kathode eine starke Wasserstoffentwicklung und demzufolge ein Einschluss von etwas Wasserstoff in das niedergeschlagene Chrom. Überdies sind regelmässig mikroskopische Risse und Spalten in der Chromplattierung vorhanden. Aus diesem Grunde nimmt man gewöhnlich zuerst eine (galvanische) Vernicklung, Verkupferung od. dgl. vor und bringt auf dieser erst die Chromplattierung an, wenn der so plattierte Gegenstand gegen Rost oder Korrosion geschützt werden soll.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass eine solche Grundlage aus Nickel, Kupfer u. dgl. für eine Chromplattierung oder Deckschicht wegfallen kann, da alle Spalten und Risse während der Erzeugung der Schutzschicht gemäss der Erfindung gleichsam mit Kohlenstoff gefüllt werden und die Schutzschicht vollständig undurchdringlich gemacht wird.
Nach der Erfindung wird vorzugsweise eine Chromplattierung, wie in Fig. 1 gezeigt, karburiert (gekohlt), bis eine Schutzschicht für das Stahlgrundmaterial M entwickelt ist, die eine äussere Chrom- karbidoberflächenschicht 12, darunter eine Chromschicht 1 : 3 und zuinnerst eine Grundschicht 14 aus einer Legierung von Chrom und Stahl aufweist, wie Fig. 2 zeigt. Die Tiefe (Dicke) der in Karbide umgewandelten Schicht 12 kann gewünscht eingestellt werden. In Fig. 3 ist gezeigt, wie nicht nur Schich- ten 12', 13', 14'entsprechend den Schichten 12, l"), 14 der Fig. 2, sondern auch eine Zwischenschicht 15 entwickelt werden, welch letztere eine Legierung von Chrom und Chromkarbiden zwischen den Schichten 12' und 13'darstellt.
Bei Durchführung der Erfindung wird beispielsweise ein Kohlenwasserstoff entweder gasförmig (wie z. B. Methan, Äthylen oder Acetylen) oder dampfförmig, wie Benzin oder Benzol, mit der chromierten oder aus Chrom bestehenden Schicht in Berührung gebracht und die Hitze oder der Druck oder beide, welche zur Dissoziation des Kohlenwasserstoffes notwendig sind, gleichzeitig dazu benutzt, um die Karburierung des Chroms auf gewünschte Tiefe zu bewirken. Vorteilhaft wird die Temperatur so hoch eingestellt, dass etwas Chrom schmilzt, ohne dass aber das ganze Chrom geschmolzen oder gar die Struktur des Grundmaterials (besonders, wenn diese kristallin ist) geändert wird. Die Tiefe der Umwandlung der Chromschieht kann durch Wahl des Drucks mitbestimmt werden.
Die Erhaltung einer neutralen oder reduzierenden Atmosphäre im Augenblick der Anlagerung des Kohlenstoffs an das Chrom geschieht in diesem Fall durch den frei werdenden Wasserstoff selbst.
Die in Fig. 4,5 und 6 dargestellte Apparatur stellt einen hermetisch verschlossenen Behälter dar mit einer Grundplatte 16 und einer Haube 15. In den geöffneten Behälter können ein oder mehrere Stücke (17) eingesetzt werden, in diesem Beispiel zwei Kolben, die auf einer äusseren Chromplattierung eine schützende Deck- oder Oberflächenschicht oder -struktur erhalten sollen. Durch Schrauben 18 werden die Teile 15 und 16 zusammengehalten ; 19 ist eine Dichtung. Ein Rohr 20 führt zu einer nicht gezeichneten Vakuumpumpe und eine Leitung 21 zu einem nicht dargestellten Tank, der einen Vorrat z. B. von Acetylengas unter einem Druck von 30 bis 50 fcjf/em2 enthält. 22 ist ein Manometer, 23 sind Zündkerzen.
In der Leitung 20 liegt ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil 24 mit Ventilstange 24 a, an der ein Magnetanker 24 b sitzt. Wenn dieser Anker durch zwei darüberliegende Elektromagnetspulen 24 c angezogen wird, ist das Ventil geöffnet ; wird der Anker durch zwei darunterliegende Spulen 24 d angezogen, so ist das Ventil geschlossen.
In der Leitung 21 sitzt ein ähnliches Ventil 25, das durch einen Anker 25 b auf der Ventilstange 25 a und darüber-und darunterliegende Spulen 25 c bzw. 25 d in gleicher Weise gesteuert wird. Am oberen
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Ende der Stange 25 a sitzt ein Kontakt 26, der auf einen feststehenden Gegenkontakt 26 auftrifft, wenn sich die Stange sus a in Schliessstellung befindet.
Im Manometergehäuse befinden sich drei Kontaktpaare A und A', B und B', C und C'. Die Kontakte A', B', C'sind durch die Leitungen 27, 28, 29 mit einer passenden Stromquelle verbunden bzw. geerdet. Der Kontakt A ist durch Leitungen 30, 31 mit den beiden Spulen 25 c verbunden und geerdet, und durch Leitungen. 32, 88 mit den beiden Spulen 24 d verbunden und geerdet. Der Kontakt B ist durch Leitungen. 34, 35 mit den beiden Spulen 25 d verbunden und geerdet und durch eine Leitung 36 mit dem Kontakt 26 auf der Ventilstange 25 a. Der feststehende Kontakt 26 ist durch Leitungen 37, 38 mit den Zündkerzen 23 verbunden. Der Kontakt C ist durch Leitungen 39, 40 an die beiden Spulen 24 c angeschlossen.
Die Manometernadel22 a zeigt normalerweise auf Null auf der Skala (Fig. 5). Sie zeigt den Gasdruck an. An der Zeigerspitze sitzt ein Mitnehmer 41, der eine Bürste 42 aus leitendem Material trägt, mit der je eines der drei Kontaktpaar A, A', B, B'bzw. C, C'überbrückt werden kann, wenn der Zeiger auf eine entsprechende Stelle der Skala weist. Die Kontakte haben zweckmässig bogenförmige Gestalt und sind im Kreise angeordnet. Wenn das Manometer einen passenden Überdruck zeigt, z. B. 2 Atm., dann möge das Kontaktpaar B, B'durch die Bürste 42 überbrückt sein.
Wenn das Manometer auf einen vorher festgesetzten tieferen Druck fällt, mögen die Kontakte A, A'durch die Bürste überbrückt werden ; wenn das Manometer auf höhere Werte zeigt, 4-20 Atm., mögen die Kontakte C und C'überbrückt werden.
Es sei angenommen, dass der Behälter 15, 16 nach Aufnahme der chromplattierten Kolben 17 (Fig. 4) luftdicht geschlossen und hierauf aufgeheizt wurde. Wenn vor den Kolben 17 andere Gegenstände im Apparat behandelt worden waren, ist das Ventil 25 der Acetylenleitung 21 zu schliessen und das Ventil 24 in der Vakuumpumpenleitung zu öffnen. Ebenso wird die Vakuumpumpe angelassen und am Schluss der Behandlung zweckmässig abgestellt.
Der Druck im Behälter 15, 16 sei zunächst gleich äusseremAtmosphärendruek (Null auf der Skala), obwohl das in der Pumpenleitung 20 befindliche Ventil offen ist. Infolgedessen nimmt die Bürste 42 die Stellung gemäss Fig. 5 ein, und alle Stromkreise sind offen.
Mit fortschreitender Evakuierung fällt der Druck in dem Gefäss 15, 16, bis eine vorbestimmte Grenze nahe dem absoluten Vakuum erreicht ist. Jetzt wird das Kontaktpaar A, A'durch-die Bürste 42 überbrückt, die beiden Magnetspulen 24 d werden erregt und schliessen das Ventil in der Vakuumleitung 20, während die Spulen 25 c das Ventil in der Acetylenleitung 21 öffnen. Nun strömt unter gewünschtem hohem Druck (gegebenenfalls über ein Reduzierventil) Acetylengas in das Gefäss 15, 16, so dass der Druck auf ungefähr 2 Atm. steigt. In diesem Augenblick mögen die Kontakte B, B'durch die Bürste 42 überbrückt werden, und die beiden Magnetspulen 25 d schliessen das Ventil in der Acetylenleitung 21.
Hiebei werden auch die Kontakte 26 geschlossen (Fig. 5) und die Zündkerzen 23 an Spannung gelegt, an denen der Funke überspringt und das Gas in dem Gefäss 15, 16 entzündet. Die nun erfolgende Explosion dissoziert
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beginnt. Die plötzliche Druckerhöhung in dem Behälter ist ausserordentlich gross, der Manometerzeiger wird auf einen viel höheren Druck zeigen, und dadurch wird fast augenblicklich die Bürste 42 von den Kontakten B, B'wieder weggerissen und im Uhrzeigersinn über die Kontakte C, C'geführt ; dabei verursachen die zwei Magnetspulen 24 c das Öffnen des Ventils in der Pumpenleitung 20, wodurch der Explosionsdruck gemindert wird und eine Temperatursenkung fast augenblicklich der Explosion folgt.
Die Bürste 42 schlägt so schnell nach rechts aus, dass es wünschenswert ist, die Kontakte (wie dargestellt) über einen beträchtlichen Teil des Bürstenweges auf der Skala auszudehnen, um die zwei Magnetspulen 24 c mit Sicherheit zu erregen und das Ventil in der Pumpenleitung 20 zu öffnen.
Nach Öffnen des Ventils in der Leitung 20 werden die Gasrückstände des Behälters 15, 16 durch die Vakuumpumpe abgesogen. Der Druck in diesem Behälter fällt, und der Manometerzeiger fällt wieder auf Unterdruck, wo die Kontakte A, A'wieder durch die Bürste 42 überbrückt werden. Bei diesem Rückgang kann die Bürste 42 den Zündstromkreis über die Kontakte B, B'aber nicht schliessen, weil dieser infolge des wieder geöffneten Kontaktpaares 26 unterbrochen ist.
Bei der Beendigung der Linksdrehung der Bürste 42 während des Druckabfalles werden die Kontakte A, A'wieder überbrückt, und es wiederholt sich der beschriebene Kreislauf.
Wenn diese Kreisläufe gewünscht oft wiederholt sind, wird der Chromüberzug der Kolben 17 auf beabsichtigte Tiefe gekohlt (karburiert) sein. Nunmehr wird die Vakuumpumpe abgestellt. Um eine Kohlung zu erreichen, wie sie z. B. in Fig. 2 dargestellt wurde, genügen etwa 5-10 Wiederholungen, eine Operation, die etwa 1-2 Minuten erfordert. Um eine Kohlung z. B. nach Fig. 3 zu erzielen, genügen 50-100 Wiederholungen des Kreislaufes, was etwa 10-15 Minuten erfordert.
Beim Abstellen der Vakuumpumpe, z. B. von Hand, bleiben die Teile der Apparatur (Fig. 4,5 und 6) immer in der für Beginn und Fortsetzung einer neuen automatischen Operation erforderlichen Stellung (d. i. mit dem Manometerzeiger 22 a auf Null Atmosphären Überdruck, mit offenem Ventil 24 in der Pumpenleitung und geschlossenem Ventil 25 in der Acetylenleitung). Wird z. B. die Pumpe abgestellt, so schwenkt die Bürste 42 nach rechts von den Kontakten A, A'hinweg nach den Kontakten B, B'unter
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dem Druck des in die Kammer 15, 16 einströmenden Acetylens. da das Ventil 25 offen ist. Das Ventil 24 ist aber geschlossen und die Pumpe, ob sie läuft oder nicht, ohne Einfluss.
Daher wird die Bürste 42 ihre Rechtsbewegung fortsetzen, die Kontakte B, B'überbrücken, hiedurch das Ventil 25 in der Acetylenleitung schliessen und das Acetylen in dem Behälter 15, 16 zum Explodieren bringen. Danach wird, als Folge der Explosion, die Bürste 42 die Kontakte C, C'überbrücken, die das Ventil in der Pumpenleitung öffnen, aber das Ventil 25 in der Acetylenleitung noch geschlossen lassen. Mit nun offenem Ventil in der Pumpenleitung sinkt der Druck in dem Behälter, und die sich daraus ergebende Linksbewegung der Nadel 22 a setzt sich nur so weit fort, bis Atmosphärendruck im Behälter herrscht ; die Bürste 42 wird also nicht bis zu den Kontakten A, A'gelangen, und dadurch wird das Ventil 24 nicht wieder geschlossen und das Ventil 25 nicht wieder geöffnet.
Der in Fig. 7 gezeigte Apparat arbeitet wie der eben beschriebene. Er soll hauptsächlich zur Kohlung verchromter Oberflächen im Innern hohler Gegenstände dienen, wie es etwa ein Rohr 4,) ist. Das Innere solcher Gegenstände kann also einen Teil des Explosionsraumes bilden. Ein solches ausreichend festes Rohr ruht an seinen beiden Enden auf Dichtungsringen, so dass der Innenraum hermetisch abgeschlossen wird, wenn die Verschlussstücke 45 und 46, die auf diesen Dichtungen sitzen, zusammengepresst werden, indem man z. B. den Deckel 45 auf einen Träger 47 montiert, der fest an einer hydraulischen Presse 48 sitzt, während man den Deckel 46 auf den Presskolben 49 montiert.
Leitungen 20 a, 21 a entsprechen der Pumpenleitung 20 bzw. der Acetylenleitung 21 in Fig. 4, Zündkerzen 23 a entsprechen den Zündkerzen 23 in Fig. 4, ein Manometer 22'entspricht dem Manometer 22. Die Leitungen 20 a, 21 a sind mit Ventilen versehen, wie die Ventile 24 und 25 in Fig. 4, und das Manometer 22'hat entsprechende Kontakte und eine Schleifbürste am Zeiger. Mit diesem Teile sind elektrische Leitungen verbunden wie in Fig. 4, 5 und 6. Der Apparat wird in gleicher Weise wie der zuerst beschriebene benutzt, in dem natürlich gleichfalls Innenflächen karburiert werden könnten.
Acetylen ist ein ungesättigter Kohlenwasserstoff, der unter Hitze oder Druck oder infolge einer Entzündung in seine Komponenten Wasserstoff und Kohlenstoff zerfällt. Diese thermische Dissoziation
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Druck, wenn das Acetylen z. B. durch ein entsprechend erhitztes Rohr geleitet wird. Bei einer Temperatur von 900 C und einem Überdruck von nur 1 Atm. verläuft die Dissoziation explosiv. Wenn Acetylen mit einem elektrischen Funken oder Glühdraht in Berührung gelangt, unter normalem Druck bei konstantem Volumen, so erfolgt die explosive Dissoziation nur in der Nähe des Drahtes oder des Funkens. Bei höherem Druck und konstantem Volumen verursacht die Zündung jedoch eine vollständige Dissoziation. Eine solche thermische Dissoziation bei konstantem Volumen wird bei der Erfindung benutzt und trägt wesentlich zur sauberen Erzeugung von Chromkarbiden bei.
Zunächst überschreitet die Dissoziationstemperatur des explodierten reinen Acetylens 3000 C.
Diese Temperatur gewährleistet an und für sieh die Kohlung des Chroms, d. h. die Bildung eines oder mehrerer Chromkarbide, die bereits bei viel niedrigeren Temperaturen erfolgt (wenn Chrom und Kohlenstoff anwesend sind). Ferner wird eine entsprechende Menge Wasserstoffs frei und bleibt gasförmig anwesend. Frei werdender Kohlenstoff wird auch durch den Wasserstoffdruck in die Poren der Chromschicht gedrückt. Der Wasserstoff gewährleistet somit nicht nur eine neutrale Atmosphäre um die zu karburierende Schicht, sondern wirkt mit seinem hohen Druck bei konstantem Volumen wie ein Treiber, welcher die abgespaltenen Kohlenstoffteilchen tief in alle Poren, Spalten und ausserdem in das zu behandelnde Material selbst treibt. Wenn die beschriebenen Vorgänge wiederholt werden, so wird die Chromoberfläche bei hohen und höheren Temperaturen auf immer grössere Tiefe karburiert.
Die folgende
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stantem Volumen erhalten wurden.
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<tb>
<tb>
Zündüberdruek <SEP> Druck <SEP> unmittelbar <SEP> nach <SEP> der <SEP> Dissoziationsdauer <SEP> Verhältnis <SEP> von
<tb> in <SEP> Atm. <SEP> Dissoziation <SEP> in <SEP> Atm. <SEP> (in <SEP> 1/1000 <SEP> see-) <SEP> Zünd- <SEP> zu <SEP> Enddruck
<tb> 2-23 <SEP> 8'77 <SEP> - <SEP> 3'93
<tb> 2-23 <SEP> 10-73-4-8]
<tb> 3-50 <SEP> 18-58 <SEP> 77-8 <SEP> 5-31
<tb> 3#73 <SEP> 19#33 <SEP> - <SEP> 5#53
<tb> 5#98 <SEP> 41#13 <SEP> 66#7 <SEP> 6#90
<tb> 5'98 <SEP> 43'43 <SEP> - <SEP> 7'26
<tb> 5-98 <SEP> 4J-53 <SEP> 45-9 <SEP> 6-94
<tb> 11-23 <SEP> 92-73 <SEP> 26-1 <SEP> 8-24
<tb> 11-23 <SEP> 91-73 <SEP> 39-2 <SEP> 8-0
<tb> 21-13 <SEP> 213-70 <SEP> 16-6 <SEP> 10-13
<tb> 21-13 <SEP> 212-60 <SEP> 18-2 <SEP> 10-13
<tb>
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Diamantritzmethode Härtegrade festgestellt, die etwa 3800 Brinell-Graden entsprechen.
Die Härte von Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0'8% entspricht nur 220 Brinell-Graden. Der Schmelzpunkt von reinem Chrom liegt bei etwa 1615 C, derjenige der Chromkarbide bei etwa 2000 C. Ferner werden Chromkarbide nicht durch Salpetersäuren angegriffen, während sogar Schwefelsäure, wenn auch nur schwer, und Salzsäure sehr schnell Chrom auflöst.
Obwohl Chrom Alkalien widersteht, schützt ein auf elektrolytischem Wege aufgebrachter Chrom- überzug die plattierte Oberfläche dennoch nicht vollständig, weil der Überzug nicht porenfrei ist. Weiterhin ist elektrolytisch niedergeschlagenes Chrom übersättigt mit dem bei der Galvanisierung entstehenden Wasserstoff, der die Zwischenräume, zwischen den Chromkristallen ausfüllt und von diesen eingeschlossen wird. Schwache Temperaturänderungen verursachen verschiedene Ausdehnung des Chroms und des darin eingeschlossenen Wasserstoffs, wodurch ein Ablösen der Chromplattierung von der darunterliegenden Oberfläche unterstützt wird.
Durch die Erfindung wird ein elektrolytisch niedergeschlagener Chrom- überzug in Chromkarbide verwandelt und ein Chromkarbidüberzug erzeugt, der ein idealer Schutz für ein darunterliegendes Metall ist. Ein derartiger Überzug hat ausserordentliche Härte, sehr hohen Schmelzpunkt und weist eine absolut homogene und gleichmässige Struktur auf. Die Umwandlung eines auf elektrolytischem Wege hergestellten Chromüberzuges in Chromkarbid erfolgt in einer bewährten Ausführung der Erfindung nach Erhitzung des Chromüberzuges auf hohe Temperaturen im Vakuum, wobei der interkristalline Wasserstoff ausgetrieben wird und die Poren und Risse im Chrom offen lässt, die nunmehr das tiefe Eindringen des Kohlenstoffes in das Chrom erleichtern. Dieses Erhitzen im Vakuum wird am besten ausgeführt, nachdem die mit dem Chromüberzug versehenen Gegenstände abgespült und getrocknet wurden.
Hiezu wird vorteilhaft im Explosionsraum eine Vorwärmevorrichtung für die zu kohlenden Oberflächen vorgesehen. Am besten verwendet man dazu einen entsprechend geschützten elektrischen Heizwiderstand. Bei Anwendung der Erfindung hängt die Anzahl der auszuführenden Explosionen von der Dicke der Chromschicht und dem gewünschten Kohlungsgrad ab. Wenn die Explosionen genug oft wiederholt worden sind, schreitet die Umwandlung von Chrom in Chromkarbid fort, so dass man eine Schutzdeckschicht erhält, die eine Oberflächenschicht von Chromkarbid, darunter eine Schicht von Chrom und Chromkarbid und darunter eine Chromschicht enthält, wie z. B. in Fig. 4 gezeigt wurde.
Wenn das Chrom auf eine Eisen-oder Stahloberfläche aufgebracht wurde, wird es auch, wie in Fig. 3 gezeigt, eine unterste Schicht von Chrom und Eisenlegierungen geben, welche die Chromkarbide von dem Eisen trennen und doch zugleich eine feste Verbindung zwischen der Chromschieht und dem Eisen bilden.
Wenn die Oberfläche nur gegen Korrosion geschützt werden soll, werden einige Explosionen genügen, und in diesem Fall wird auch eine sehr dünne Chromschieht (0'025-0'0025 mm) ausreichend sein. Wenn man einen Schutz gegen mechanische Abnutzung und Verschleiss schaffen will, ist es ratsam, mit einer dickeren Chromschicht (ungefähr mehrere Zehntel eines Millimeters dick) anzufangen und durch eine grössere Anzahl von Explosionen eine dickere Chromkarbidschicht entstehen zu lassen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Karburieren (Zementieren) von metallischen oder metallhaltigen Gegenständen oder Schichten, die ein oder mehrere karbidbildende Elemente, wie z. B. Chrom enthalten, durch thermische Dissoziation von kohlenstoffhaltigen Gasen, wie Acetylengas, oder Dämpfen, wie Benzoldampf, vorteilhaft bei erhöhtem Druck, dadurch gekennzeichnet, dass diese kohlenstoffhaltigen Substanzen beispielsweise durch elektrische Zündung ein oder mehrmals über dem zu karburierenden Stück zur Explosion gebracht werden, wobei das Stück selbst nur so weit erwärmt wird, dass es ohne wesentliche Beeinflussung seines Gefüges zur Kohlenstoffaufnahme bis zur gewünschten Tiefe befähigt wird.