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Verfahren und Vorrichtung zum Nitrieren von Metallen, insbesondere
Eisenlegierungen, in alkalicyanid-und alkalicyanathaltigen
Salzbädern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nitrieren von Metallen, insbesondere
Eisenlegierungen, in alkalicyanid-und alkalicyanathaltigen Salzbädern, wodurch eine wesentliche Stei- gerung der Nitrierwirkung erreicht wird.
Es ist bekannt, Werkstücke aus Stahl dadurch zu nitrieren, dass man sie bei Temperaturen zwischen etwa 500 und 6000 C in ein Salzbad taucht, welches aus Cyanid und Cyanat besteht. Solche Bäder wer- den in der Praxis mit Cyanatgehalten zwischen 20 und 40 %, berechnet als KCNO, und Cyanidgehalten zwischen 60 und 30 0/0, berechnet als NaCN, betrieben. Der Rest besteht aus Alkalicarbonat, das durch Oxydation beim Betrieb der Bäder von selbst entsteht. Solche Bäder können auch noch Chlorid enthalten, um an wertvollem Cyanid und Cyanat zu sparen oder den Schmelzpunkt herabzusetzen.
Es stellte sich nun heraus, dass die. Nitrierwirkung solcher Bäder von der Tiefe der Badbehälter abhängig ist. Je tiefer die Bäder sind, desto schlechter nitrieren sie.
Beispielsweise wurde in einem Ofen von 40 cm Tiefe in 90 Minuten auf dem behandelten Stahl eine aus Nitriden und Carbiden bestehende sogenannte Verbindungsschicht von 6 - 10 f. l Dicke je nach Alter des Bades erzielt. Bei Öfen von etwa 1 m Tiefe kann man dagegen erfahrungsgemäss auf die Dauer so dicke Schichten nicht erzielen. Auch Bewegen des Bades durch elektrische oder mechanische Mittel führt nicht zu einem technisch ins Gewicht fallenden Erfolg.
Es wurde nun gefunden, dass eine wesentliche Steigerung der Nitrierwirkung derartiger Salzbäder dadurch erreicht werden kann, dass durch das Bad Luft oder freien Sauerstoff enthaltende Gase in feiner Verteilung hindurchgeleitet werden. Bei solchen Bädern ist eine Abhängigkeit der Nitrierwirkung von der Tiefe der Badbehälter nicht mehr vorhanden.
Weitere Vorteile der Erfindung sind im folgenden an Hand eines Beispieles erläutert :
Ein Ofen von 60 cm Durchmesser und 1 m Tiefe mit einem Bad von 35 % KCNO und 40 % NaCN, Rest Alkalicarbonat, liefert z. B. Verbindungszonen von 2 bis 3 p Dicke. Wird durch ein in das Bad tauchendes Rohr, welches auf dem Grund des Bades eine Schleife bildet, die mit vielen kleinen Löchern versehen ist, Luft in das Bad eingeleitet, so steigt die Nitrierwirkung sofort und auf die Dauer derart an, dass Verbindungszonen von 8 bis 12 f. l Dicke erzielt werden,
Günstig ist ein Kaliumgehalt des Salzgemisches von 18 %, mindestens 10 %. höchstens 30 %. Dabei ist der Kaliumgehalt als reines K berechnet, wobei dieser Stoff an CN oder CNO gebunden ist.
Der Rest des Alkalimetalls liegt in der Salzmischung als Na vor.
Durch Dosierung der Luftmenge kann in gewissem Umfange die Nitrierwirkung geregelt werden. Im allgemeinen wird man aus wirtschaftlichen Gründen die Nitrierwirkung auf das höchstmögliche Mass steigern.
Für die Bestimmung der Luftmenge L ist eine Formel anwendbar, die berücksichtigt, dass der Durchmesser des Badbehälters von grösserem Einfluss ist als dessen Tiefe. Sie lautet wie folgt :
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in dieser Formel bedeutet r den Radius des Badbehälters, d die Tiefe des Bades in cm und l/h Liter pro Stunde.
Bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens hat es sich als günstig erwiesen, als erste Füllung des Behälters solche Salzmischungen zu verwenden, die 25 - 40 % KCNO und 75-60 % NaCN ent- halten, Weiterhin empfiehlt es sich, für das erfindungsgemässe Verfahren beim Nachfüllen des Bades solche Salzmischungen zuzusetzen, die 0-10 % KCNO, 20 - 30 % KCN und 70 - 60 % NaCN enthalten.
Die feine Verteilung der Luft in kleine Bläschen wird zweckmässig dadurcn erzielt, dass man sie aus einem mit vielen feinen Bohrungen versehenen Rohr ausströmen lässt, welches auf dem Grunde des Badbehälters liegt. Zu diesem Zwecke sieht die Erfindung einen Salzbadofen vor, der im wesentlichen derart ausgebildet ist, dass im Badbehälter in der Nähe seines Bodens ein im wesentlichen horizontal verlaufendes, vorzugsweise der Umfangslinie des Behälterbodens folgendes, mit einer Vielzahl kleiner Löcher versehenes Gaseinleitungsrohr vorgesehen ist.
Bei Ausfuhrung des erfindungsgemássen Verfahrens kann man in der Praxis auch so vorgehen, dass man die Luft oder das freien Sauerstoff enthaltende Gas nur dann hindurchleitet, wenn man eine starke Nitrierwirkung wünscht, oder dass man die Menge der hindurchgeleiteten Luft so dosiert, dass die Jeweils günstigste Nitrierwirkung erreicht wird.
Das beschriebene Verfahren hat noch den Vorteil, dass es den Cyanidgehalt des Bades zu Cyanat oxydiert. Beim Nachfüllen des Bades gibt man daher im wesentlichen Cyanid nach, während man bisher z. B. ein Gemisch von 4 Teilen Cyanat und 6 Teilen Cyanid nachgeben musste, um ein wenigstens in nicht zu tiefen Öfen wirksames Bad zu erzielen. Alkalicyanid ist aber wesentlich billiger als Alkalicyanat.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform eines Nitrierofens zur Ausübung des erfin-
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dargestellt. Hierin zeigt du ; Fig. l einen Ofentungskörper im Axialschnitt und Fig. 2 in der Draufsicht.
Bei dem dargestellten Ofen ist in einem Gehäuse l ein Badbehälter 2 angeordnet. Der Raum zwischen den beiden Teilen 1 und 2 ist mit Wärmeisolationsmaterial ausgefüllt, in welches ein nicht dargestellter
Widerstandsheizkörper eingebettet ist, der das Salzbad aufheizt. In den Behälter 2 ist von oben ein Rohr 3 eingeführt, das zur Zuführung der Luft oder des freien Saueistoff enthaltendet : Gases dient. An dieses ver- tikale Rohr 3 ist ein horizontal verlaufendes Rohr 4 angeschlossen, das am Rande der Bodenfläche des Bad- behälters verläuft. In den horizentalen Teil sind beispielsweise im Abstand von 20 mm Löcher von 0, 5 mm
Durchmesser gebohrt, aus denen Luft bzw. Gas austreten kann.
Durch die dargestellte Ausführung wird eine feine Verteilung der Luft bzw. des Gases it. dem genannten Salzbad erreicht, wodurch eine wesent- liche Erhöhung der Nitrierwirkung bewirkt wird. Gleichzeitig wird aber der nutzbare Innenraum des Bad- behälters 2 nur unwesentlich verkleinert.
In dem Rohr 4 können weiterhin auswechselbare Düsen vorgesehen sein, um bei längerer Betriebszeit durch Auswechseln derselben einen konstanten Gasdurchtritt zu gewährleisten.
Die verbesserte Nitrierwirkung zeigt folgendes Beispiel : In einem Stahltiegel von 600 mm Durchmes- ser und 1000 mm Tiefe wurde ein Bad mit 5 % NaCN, 32 % KCNO and 23 % Na2 CO3 eingeschmolzen.
Durch das Badwurden feinverteilt durch Düsen stündlich 700 1 Luft hindurchgeleitet.
In der Schmelze wurden Proben aus unlegiertem Stahl mit u, 15 % Kohle zur Feststellung der Verbin- dungszone und der Diffusionszone, Dauerbiegeproben aus unlegiertem Stahl zur Festellung der bis zum
Bruch ertragenen Lastwechsel, eine Probe aus chromlegiertem Vergütungsstahl (0, 35 % C, 1 % Cr, 0, 7 % Mn) zur Prüfung der erzielten Härtesteigerung und eine Verschleissprobe zur Feststellung der bis zum Fressen ertragenen Last eingehängt.
. e Teile wurden erfindungsgemass 90 Minuten bei 570 C behandelt und alle in Wasser abgeschreckt.
Der gleiche Versuch wurde auch ohne Einleiten von Luft durchgeführt. Es ergaben sich folgende Resultate :
EMI2.2
<tb>
<tb> mit <SEP> Luft <SEP> : <SEP> ohne <SEP> Luft <SEP> : <SEP>
<tb> Dicke <SEP> der <SEP> Verbindungszone <SEP> 10 <SEP> j-t <SEP> 2p <SEP>
<tb> Nadelzonentiefe <SEP> 0, <SEP> 39 <SEP> mm <SEP> 0, <SEP> 23 <SEP> mm <SEP>
<tb> Vickershärte <SEP> HV <SEP> 1550 <SEP> kg/mm2 <SEP> HV <SEP> 1541 <SEP> kg/mm2
<tb> Belastung <SEP> der <SEP> Verschleissprobe <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Fressen <SEP> 350 <SEP> kg <SEP> 145 <SEP> kg
<tb> Lastwechsel <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> nach <SEP> 7, <SEP> 4 <SEP> Mill. <SEP> nach <SEP> 53.
<SEP> 000 <SEP> Last- <SEP>
<tb> der <SEP> Dauerbiegeprobe <SEP> Lastwechseln <SEP> wechseln <SEP> gebrochen
<tb> noch <SEP> nicht <SEP> gebrochen
<tb>
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Aus dieser Zusammenstellung geht der ausserordentliche Vorteil der Belüftung des Bades hervor. Die Härte ist sehr wenig gestiegen.
Unter denAusdrücken"Nadelzonentiefe"und"Verschleissprobe' sind übliche Untersuchungsmethoden auf die Oberflächeneigenschaften von nitrierten Werkstoffen zu verstehen. Unter Nadelzonentiefe ist die Tiefe der Zone zu verstehen, in der durch die Diffusion des Stickstoffs hervorgerufene, nadelförmige Gebilde im Ferrit eben noch auftreten. Unter Verschleissprobe ist eine Belastungsuntersuchung zu verstehen, durch die das Verschleissverhalten der Oberflächenschichten bestimmt wird, z. B. mit einer Maschine von Faville-Levally. Ein in einem Lager gelagertes, rotierendes Werkstück wird so lange belastet, bis ein Fressen an der Lagerstelle eintritt. Aus dem Beispiel geht hervor, dass die Verschleissfestigkeit durch das Nitrieren wesentlich erhöht wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Nitrieren von Metallen, insbesondere von Eisenlegierungen, in alkalicyanid- und alkalicyanathaltigen Salzbädern bei Temperaturen zwischen etwa 500 und 6000 C, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Bad Luft oder freien Sauerstoff enthaltende Gase in feiner Verteilung hindurchgeleitet werden.