Procédé pour le durcissement par nitruration des surfaces d'articles en métaux ferreux. La présente invention a pour objet un procédé pour le durcissement des sui-faces d'articles en métaux ferreux, par nitruration.
Le durcissement par nitruration est très pratiqué industriellement pour le durcisse ment des surfaces d'alliages d'aciers divers, aussi bien que d'autres alliages à base fer reuse. Les procédés utilisés actuellement con sistent généralement à chauffer un alliage d'acier, ou autre alliage ferreux en contact avec le gaz ammoniac à une température élevée, habituellement aux environs de 490 à 5500 C. Pour produire une couche nitrurée d'épaisseur suffisante pour la plupart des usages commerciaux, on considère comme nécessaire de prolonger le traitement par l'ammoniaque pendant une période de temps de 36 à<B>1.00</B> heures, suivant l'épaisseur de la couche désirée.
Pendant le traitement avec l'ammoniaque à la température de nitrura tion, des nitrures de, fer et d'autres éléments présents sont produits et précipités entre les plans des cristaux de fer, d'où résulte la for mation d'une couche extrêmement dure et résistante à l'usure.
Une très faible quantité seulement de l'azote de l'ammoniaque introduite dans la zone de réaction est absorbée par l'article en alliage ferreux soumis à la nitruration. Néan moins, un volume important d'ammoniaque doit être employé pour circuler continuellement à travers la zone de nitruration en vue de s'assurer que la réaction de nitruration se produit à un taux satisfaisant. Le traitement devant être continué pendant une période de temps considérable, le procédé est prodigue d'ammoniaque et la dépense d'ammoniaque consommée entre d'une faon appréciable dans le prix de revient de la nitruration.
Les procédés de nitruration, utilisés jus qu'à. présent, ont été généralement limités au traitement d'alliage ferreux de composition spéciale. Les alliages ferreux employés le plus fréquemment contiennent de faibles propor tions, plus ou moins exactement contrôlées, d'aluminium, de chrome, de molybdène et, quelquefois, de nickel et de vanadium.
La présente invention permet d'appliquer la nitruration à un plus grand nombre d'al liages à base ferreuse qu'il n'a été possible jusqu'à présent.
Elle permet aussi d'effectuer la nitrura tion en un temps plus court que celui exigé par les procédés actuels et de produire en même temps une couche nitrurée dont les caractéristiques de profondeur, de dureté et les propriétés physiques seront en tous points aussi satisfaisantes que celles obtenues par les procédés usuels.
Elle permet également de former des cou ches nitrurées sur divers aciers austénitiques et inoxydables sans avoir à pratiquer un trai tement préliminaire de dépassivation.
Il a été trouvé que la présence dans la zone où s'effectue la nitruration, de com posés chimiques, non carbonés et non oxy- génés, d'un métal alcalin ou d'un métal alcalino-terreux avec l'azote, rend plus active la nitruration d'articles ferreux dans une atmosphère ou courant d'une matière gazeuse engendrant de l'azote, telle qué l'ammoniaque, avec production d'une couche nitrurée présen tant des caractéristiques satisfaisants.
Ces composés chimiques peuvent être présents sous forme gazeuse dans le courant d'ammoniaque ou autre gaz convenable engendrant de l'azote, circulant sur l'objet à durcir pendant l'opé ration de nitruration, ou bien ils peuvent être présents sous une forme solide, dans le voisinage immédiat, ou en contact avec l'ob jet. Lorsque le composé est présent sous forme solide, mais pas en contact avec l'objet à nitrurer, il est de préférence placé de telle faon que le gaz engendrant l'azote se trouve en contact avec ce composé avant l'être amené à réagir avec les pièces à nitrurer.
Le composé peut aussi être présent comme partie constituante d'un bain de sels fondus dans lequel l'objet est immergé en vue du traitement avec l'ammoniaque gazeux ou un autre agent engendrant de l'azote. Lesdits composés des métaux alcalins et alcalino-ter reux peuvent également être obtenus en pla çant le métal alcalin ou alcalino-terreux lui- même dans le four à nitrurer, où il réagit avec l'ammoniaque ou un autre gaz approprié contenant de l'azote pour produire le composé désiré.
Les composés de n'importe quel métal al calin ou alcalino-terreux (ce dernier terme englobant également le béryllium et le magné sium) avec l'azote, ou l'azote et l'hydrogène, peuvent être employés pour réaliser l'inven tion.
L'amidure de sodium, l'amidure de potas- siiun, l'amidure de lithium, l'amidure de ba ryum, l'azoture de sodium, l'azoture de potas sium, le nitrure de lithium, les composés de calcium-ammonium, l'imidure de lithium, l'amidure de rubidium et l'amidure de césium, donneront des résultats satisfaisants. Les amidures de calcium et de strontium peuvent aussi être employés.
Le calcium et le stron- tiiun réagissent avec l'ammoniaque pour former en premier lieu des composés de calcium ou de strontium-ammonium et à la température de nitruration un mélange de ces composés et 5 d'amidure peut être présent dans la zone de réaction.
Pour exécuter le procédé, on peut placer l'un de ces composés sur le parcours d'un courant de gaz ammoniac, entre le réservoir ; et la zone chauffée dans laquelle s'effectue la nitruration. Ledit composé chimique est suffi samment chauffé pour s'assurer qu'une par tie en sera vaporisés et entraînée avec le gaz ammoniac pour être transporté de ce fait dans , la zone de réaction. Au lieu d'utiliser le com posé préalablement préparé, on peut employer une quantité appropriée du métal alcalin ou alcalino-terreux. Dans ce cas le métal réagit d'abord avec l'ammoniaque et le composé, @chiinique en résultant est entraîné, par le cou rant d'ammoniaque, dans la zone de nitru- ration.
Les effets désirés peuvent aussi être ob tenus en =plaçant, dans la chambre de nitru ration et dans le voisinage immédiat des pièces à nitrurer, des masses solides d'une matière de support chargée du composé choisi, et en laissant ensuite l'ammoniaque rentrer dans la chambre de la manière habituelle.
Toute matière qui ne fond pas aux tempéra- tures de nitruration (de 475 à 600 C) et qui est apte à absorber une quantité suffisante dudit composé et à le libérer sous forme de vapeurs dans les conditions où l'on opère, petit être employé dans ce but, Il a été trouvé, par exemple, que lorsque du verre pulvérisé et un amidure d'un métal alcalin ou alcalino-terreux sont chauffés en semble dans une atmosphère d'ammoniaque pendant un laps de temps convenable et à une température égale ou supérieure à la tempé rature de fusion de l'amidure, une masse solide peut être formée,
contenant des quantités variées et importantes d'amiditre du métal. En traitant par exemple, du verre pulvérisé avec de l'amidure de sodium, des masses solides contenant plus de 25 % d'amidure ont été produites. Des masses de ce genre, ne con tenant même qu'un faible pourcentage d'ami dure de métal activent la nitruration lors- qu'elles sont placées dans le four de nitrura- tion dans le voisinage des pièces à nitrurer. La silice broyée et l'alumine sont également des matériaux qui peuvent, comme le verre, servir de support.
Deux échantillons de métaux l'un de Nitralloy 135 modifié , l'autre d'acier inoxy dable 18-8 , on été placés dans un tube de verre dans lequel a été placé également une nacelle de nickel contenant une certaine quan tité de verre réfractaire traité avec de l'ami- dure de sodium de la manière décrite plus haut. La masse de verre contenant 7,3 d'amidure de sodium au début de l'expérience.
Le tube a été placé dans un four dans lequel la température était maintenue entre 525 et 540 C et du gaz ammoniac a été introduit dans le tube de manière à passer d'abord au dessus de la masse amidure de sodium-verre, et ensuite au-dessus des échantillons d'allia ges. Après un traitement continu pendant 20 heures, les échantillons ont été retirés. Des sections transversales des échantillons ont été préparées et examinées au microscope.
Pour l'échantillon de Nitralloy, la profondeur de pénétration totale de nitruration a été trouvé être de 0,51 mm. Cet échantillon a montré une dureté de surface de 92 sur l'échelle Rock- well 15 N. La couche blanche de nitrure, à la surface de l'échantillon, connue couramment sous le nom de couche blanche, avait une épaisseur de 0,025 mm. Un constituant foncé de nitrure aux limites des grains de fer était apparent d'un bout à l'autre de la couche. Une section transversale de l'échantillon d'acier inoxydable a été préparée de manière similaire et examinée.
L'épaisseur totale de pénétration de nitruration a été trouvée être de 0,137 mm et la dureté de surface était entre 93 et 94 sur l'échelle Rockwell 15 N. Examinés à un grossissement de 500, ces échantillons, indiquaient, l'un et l'autre, une couche ayant, en général, de bonnes caracté ristiques. Une analyse de la masse verre-ami- dure, après achèvement de l'expérience, indi quait une quantité résiduaire d'amidure de sodium de<B>0,7%.</B>
Dans un autre essai, de l'alumine en pou- dre, traitée de la même manière que la masse de verre dans l'essai précédent a. été employée. L'alumine traitée contenait au début de l'essai 13,3 % d'amidure de sodium et 2 % à la fin. L'alumine en poudre était placée dans une nacelle de nickel .avec un échantillon de Nitralloy 135 modifié reposant sur de l'alu mine pulvérisée près de l'extrémité de la nacelle. Cette nacelle avec son contenu était placée dans un tube de ,verre et le tout chauffé dans un four à une température d'en viron 575 C pendant 24 heures.
Pendant ce temps, du gaz ammoniac était envoyé dans le tube dans la même direction et dans le même rapport avec l'alumine traitée que dans l'essai précédent, c'est-à-dire que l'ammoniaque pas sait d'abord sur une partie de l'alumine et entrait ensuite en contact avec l'échantillon, en circulant à travers le tube. Un examen de l'échantillon nitruré montrait une profondeur de pénétration totale de nitruration de 0,584 mm, pour l'échantillon de Nitralloy et une durée de surface de 94,5 sur l'échelle Rockwell 15 N.
Il a aussi été trouvé que lorsqu'un métal alcalin ou le baryum, par exemple, est placé dans une nacelle de nickel à l'intérieur d'un tube de verre, et que du gaz ammoniac est envoyé à travers le tube chauffé, l'amidure formé par la réaction de l'ammoniaque sur le métal alcalin ou le baryum, est absorbé par le verre du tube à un tel point que la réac tion de nitruration opérée par la suite dans le tube est favorablement influencée.
Par exemple, lorsqu'un échantillon de métal Nitralloy 135 modifié , placé dans un tube de verre réfractaire ayant préalablement ab sorbé de l'amidure de sodium, a été exposé à un courant de gaz ammoniac circulant dans le tube pendant 36 heures, à une température d'environ 520 à 550 C, on a obtenu une cou che nitrurée de plus de 1,067 mm. La couche montrait une dureté dépassant 90 sur l'échelle Rockwell 1.5N même à une profondeur de 0,33 mm et une dureté de plus de 85 sur la même échelle à une profondeur de 0,89 mm.
Dans une autre expérience, des échantil lons de Nitralloy 135 modifié et d'acier in- oxydable 18-8 ont été nitrurés dans un tube de verre préparé de façon analogue à celle décrite précédemment, mais en disposant du baryum dans la nacelle. De l'ammoniaque gazeux circulait dans le tube pendant 20 heu res, pendant que la température était main tenue de 520 à 570 C. L'échantillon de Nitralloy 135 modifié montrait une dureté de surface de 96 sur l'échelle Rockwell 15 N et une épaisseur de couche de 0,28 mm. L'échantillon d'acier inoxydable était muni d'iune couche d'une épaisseur de 0,094 mm.
Des échantillons de Nitralloy 135 modi fié et d'acier inoxydable 18-8 ont été également nitrurés en présence d'un composé azoté formé à partir de calcium et d'ammo niaque. Les échantillons étaient placés sur le dessus d'une nacelle en métal contenant du calcium métallique, avec une partie de l'échan tillon d'acier inoxydable dépassant le bord de la nacelle; la nacelle et les échantillons ont été exposés à un courant de gaz ammoniac à une température de 525 à 575 C.
Après une nitruration de 10 heures, l'échantillon de Nitralloy 135 modifié mon trait une dureté de surface de 92,5 sur l'échelle Rockwell 15 N et une couche d'épais seur de 0,46 mm. L'échantillon d'acier inoxy dable 18-8 , nitruré dans les mêmes condi- > tions pendant 24 heures, montrait une couche nitrurée de 0,152 mm.
Il est intéressant de noter que la partie de l'échantillon d'acier inoxydable qui dépassait le bord de la nacelle et qui, par conséquent, était exposée princi palement à l'ammoniaque seule, n'avait pas été nitrurée du tout pendant les 24 heures de traitement.
L'acier à nitrurer, employé dans ces expé riences, et vendu aux Etats-Unis sous le nom commercial de Nitralloy 135 modifié , con tient Carbone 0,38-0,45 Manganèse 0,40-0,70% Silicimn 0,30 % maximum Chrome 1,40-1,80 Aluminium 0,95-1,45% NQlybdène 0,30-0,45 Les échantillons d'acier inoxydable étaient formés d'un alliage contenant 18 % de chrome et 8 % de nickel.
La présence d'alcali caustique dans la zone <B>de</B> réaction pendant la nitruration influence défavorablement la dureté de la surface nitrurée et doit, de préférence, être évitée. Si, par exemple, les conditions sont telles qu'elles conduisent à la formation, par exem ple, d'hydroxyde de sodium, il est recomman dable de prendre des mesures pour éviter cette formation où du moins l'accès de l'alcali caus tique aux pièces en traitement. Il a été trouvé que le verre du mélange amidure de sodium- verre, décrit précédemment, agissait à cet effet de manière satisfaisante.
Le même résul tat est obtenu quand la nacelle, contenant la matière activant la réaction de nitruration, , est placée suffisamment en avant de la pièce à nitrurer dans le tube de verre, dans la direction de l'arrivée de l'ammoniaque. Dans ce cas on peut être assuré que tout hydroxyde de sodium ou autre alcali caustique éven tuellement formé aura réagi avec les com posants silicieux du tube de verre avant de pouvoir être entraîné par le courant d'ammo niaque et mis en contact avec l'objet à nitrurer.
Dans le cas où la matière activant la réaction de nitruration est une de celles qui forment un hydroxyde ayant une faible tension de vapeur, tel que l'hydroxyde de baryum, l'hydroxyde de magnésium et l'hy droxyde de calcium, l'objet à nitrurer peut. être placé en contact direct avec de telles matières, ces dernières étant sous forme liquide ou solide, sans crainte d'affecter défa vorablement la dureté de la surface du métal nitruré. Il en est de même lorsque le composé utilisé pour activer la nitruration est porté par du verre réduit en poudre.
Les composés activant la réaction de nitru ration spécifiés ci-dessus peuvent aussi être employés sous forme de constituants d'un bain dans lequel est immergée la pièce à. nitrurer. Pendant l'opération de nitruration, un courant de gaz approprié, dégageant de l'azote, de préférence du gaz ammoniac, est mis en circulation à travers le bain à un taux approprié, suivant la température et la composition du bain.
Le bain peut être préparé en faisant pas ser du gaz ammoniac à travers un métal alcalin fondu ou un métal. alcalino-terreux ou un mélange de métaux. Dans certains cas, il est avantageux de former le bain directe ment dans le récipient dans lequel doit s'ef fectuer la nitruration. Le récipient peut être rempli avec le métal jusqu'au niveau désiré et le four amené à la température voulue. Le courant d'ammoniaque peut alors barboter à travers le métal fondu pendant un temps suffisant pour transformer effectivement tout le métal ou composés du métal avec l'azote ou l'azote et l'hydrogène.
En employant. un bain de composé métal lique fondu, il est préférable d'utiliser un mélange de métaux choisis pour produire un degré optimum de fluidité avec un minimum. de vaporisation. Par exemple, un bain d'amidu- res de métaux tel qu'un mélange d'amidure de calcium et d'amidure de baryum donnera un résultat très satisfaisant.
De même, du calcium peut être ajouté à un bain d'amidure de sodium, pour former un mélange de Ca.iN_II,,, avec l'amidure de sodium, ou bien du magnésium peut être ajouté à un bain d'amidure de sodium pour former Na.-,Mg (NH) .,, 2NH.,. lia présente invention n'est pas limitée aux conditions opératoires exposées ci-dessus, notamment en ce qui concerne les composés azotés activant la nitruration et les matières de support énumérés, la durée du traitement, etc.
Le procédé est applicable aux alliages ferreux de compositions autres que celles men tionnées plus haut, y compris non seulement de nombreux autres alliages d'acier, mais aussi divers types d'alliages de fonte qui, jusqu'à présent., n'ont pas été considérés eomme susceptibles de nitruration.
Des propositions antérieures ayant pour objet l'usage de cyanamide de calcium et de divers composés azotés organiques, comme activeurs de nitruration, sont connues, mais il ne parait pas que les résultats obtenus aient été suffisamment probants pour per mettre l'adoption de ces propositions dans l a pratique commerciale.
A process for the nitriding hardening of the surfaces of articles made of ferrous metals. The present invention relates to a process for the hardening of the sui-faces of articles made of ferrous metals, by nitriding.
Nitriding hardening is widely practiced industrially for hardening surfaces of alloys of various steels, as well as other iron base alloys. The methods currently used generally consist in heating a steel alloy, or other ferrous alloy in contact with ammonia gas to a high temperature, usually around 490 to 5500 C. To produce a nitrided layer of sufficient thickness for the production. In most commercial uses, it is considered necessary to extend the ammonia treatment for a period of 36 to <B> 1.00 </B> hours, depending on the thickness of the layer desired.
During the treatment with ammonia at the nitriding temperature, nitrides of iron and other elements present are produced and precipitated between the planes of the iron crystals, resulting in the formation of an extremely hard layer. and wear resistant.
Only a very small amount of the nitrogen from the ammonia introduced into the reaction zone is absorbed by the ferrous alloy article subjected to nitriding. Nevertheless, a large volume of ammonia must be employed to continuously circulate through the nitriding zone in order to ensure that the nitriding reaction occurs at a satisfactory rate. Since the treatment must be continued for a considerable period of time, the process is lavish on ammonia and the expense of ammonia consumed enters appreciably into the cost of nitriding.
Nitriding processes, used up to. present, have generally been limited to the processing of ferrous alloys of special composition. The most frequently used ferrous alloys contain low and more or less exactly controlled proportions of aluminum, chromium, molybdenum and, sometimes, nickel and vanadium.
The present invention makes it possible to apply nitriding to a greater number of ferrous-based alloys than has been possible heretofore.
It also makes it possible to carry out nitriding in a shorter time than that required by current processes and at the same time to produce a nitrided layer whose characteristics of depth, hardness and physical properties will be in all points as satisfactory as those. obtained by the usual methods.
It also makes it possible to form nitrided layers on various austenitic and stainless steels without having to carry out a preliminary depassivation treatment.
It has been found that the presence in the zone where nitriding takes place of chemical compounds, non-carbonaceous and non-oxygenated, of an alkali metal or of an alkaline earth metal with nitrogen, makes more activates the nitriding of ferrous articles in an atmosphere or stream of a gaseous material generating nitrogen, such as ammonia, with the production of a nitrided layer having satisfactory characteristics.
These chemical compounds may be present in gaseous form in the stream of ammonia or other suitable nitrogen-generating gas flowing over the object to be hardened during the nitriding operation, or they may be present in solid form. , in the immediate vicinity, or in contact with the object. When the compound is present in solid form, but not in contact with the object to be nitrided, it is preferably placed such that the gas generating nitrogen is in contact with this compound before it is reacted with. the parts to be nitrided.
The compound may also be present as part of a molten salt bath in which the object is immersed for treatment with gaseous ammonia or other nitrogen generating agent. Said compounds of the alkali and alkaline earth metals can also be obtained by placing the alkali or alkaline earth metal itself in the furnace to be nitrided, where it reacts with ammonia or another suitable gas containing nitrogen. to produce the desired compound.
Compounds of any alkali metal or alkaline earth metal (the latter term also encompassing beryllium and magnesium) with nitrogen, or nitrogen and hydrogen, can be employed to carry out the invention. .
Sodium amide, potassium amide, lithium amide, ba ryum amide, sodium azide, potassium azide, lithium nitride, calcium compounds- ammonium, lithium imide, rubidium amide and cesium amide, will give satisfactory results. Calcium and strontium amides can also be used.
Calcium and strontium react with ammonia to first form calcium or strontium ammonium compounds and at the nitriding temperature a mixture of these compounds and amide may be present in the reaction zone. .
To carry out the process, one can place one of these compounds on the path of a stream of ammonia gas, between the reservoir; and the heated zone in which the nitriding takes place. Said chemical compound is heated enough to ensure that a part of it will be vaporized and entrained with the ammonia gas to be thereby transported into the reaction zone. Instead of using the compound prepared beforehand, an appropriate amount of the alkali or alkaline earth metal can be employed. In this case the metal first reacts with the ammonia and the resulting chemical compound is carried by the stream of ammonia into the nitration zone.
The desired effects can also be obtained by placing, in the nitration chamber and in the immediate vicinity of the parts to be nitrided, solid masses of a support material charged with the chosen compound, and then allowing the ammonia to enter. in the bedroom in the usual way.
Any material which does not melt at nitriding temperatures (from 475 to 600 C) and which is capable of absorbing a sufficient quantity of said compound and of releasing it in the form of vapors under the conditions in which one operates, small be used For this purpose, it has been found, for example, that when pulverized glass and an amide of an alkali or alkaline earth metal are heated together in an atmosphere of ammonia for a suitable period of time and at an equal temperature. or greater than the melting temperature of the amide, a solid mass can be formed,
containing various and significant amounts of amiditer of the metal. By treating, for example, sprayed glass with sodium amide, solid masses containing more than 25% amide have been produced. Masses of this kind, containing even a small percentage of hard metal friend, activate nitriding when placed in the nitriding furnace in the vicinity of the parts to be nitrided. Ground silica and alumina are also materials that can, like glass, serve as a support.
Two samples of metals, one of modified Nitralloy 135, the other of 18-8 stainless steel, were placed in a glass tube in which was also placed a nickel boat containing a certain quantity of refractory glass. treated with sodium amide as described above. The glass mass containing 7.3 sodium amide at the start of the experiment.
The tube was placed in an oven in which the temperature was maintained between 525 and 540 C and ammonia gas was introduced into the tube so as to pass first over the sodium amide-glass mass, and then to above allia ges samples. After continuous treatment for 20 hours, the samples were removed. Cross sections of the samples were prepared and examined under a microscope.
For the Nitralloy sample, the total nitriding penetration depth was found to be 0.51mm. This sample showed a surface hardness of 92 on the Rockwell 15 N scale. The white layer of nitride on the surface of the sample, commonly known as the white layer, was 0.025 mm thick. A dark component of nitride at the boundaries of the iron grains was apparent throughout the layer. A cross section of the stainless steel sample was similarly prepared and examined.
The total nitriding penetration thickness was found to be 0.137 mm and the surface hardness was between 93 and 94 on the Rockwell 15 N scale. Examined at a magnification of 500, these samples, indicated, one and one other, a layer having, in general, good characteristics. Analysis of the glass-amide mass after completion of the experiment indicated a residual sodium amide amount of <B> 0.7%. </B>
In another test, powdered alumina, treated in the same way as the mass of glass in the previous test a. been employed. The treated alumina contained at the start of the test 13.3% sodium amide and 2% at the end. The powdered alumina was placed in a nickel boat with a sample of modified Nitralloy 135 resting on sprayed aluminum near the end of the boat. This boat with its contents was placed in a glass tube and the whole heated in an oven at a temperature of about 575 C for 24 hours.
During this time, ammonia gas was sent through the tube in the same direction and in the same ratio with the treated alumina as in the previous test, i.e. ammonia not know first about part of the alumina and then came into contact with the sample, circulating through the tube. Examination of the nitrided sample showed a total nitriding penetration depth of 0.584 mm, for the Nitralloy sample and a surface life of 94.5 on the Rockwell 15N scale.
It has also been found that when an alkali metal or barium, for example, is placed in a nickel boat inside a glass tube, and ammonia gas is sent through the heated tube, l The amide formed by the reaction of ammonia with the alkali metal or barium is absorbed by the glass of the tube to such an extent that the nitriding reaction subsequently carried out in the tube is favorably influenced.
For example, when a sample of modified Nitralloy 135 metal, placed in a refractory glass tube which had previously sorbed sodium amide, was exposed to a stream of ammonia gas flowing through the tube for 36 hours, to a temperature of about 520 to 550 ° C., a nitrided layer of more than 1.067 mm was obtained. The layer showed a hardness exceeding 90 on the Rockwell 1.5N scale even at a depth of 0.33 mm and a hardness of over 85 on the same scale at a depth of 0.89 mm.
In another experiment, samples of modified Nitralloy 135 and 18-8 stainless steel were nitrided in a glass tube prepared analogously to that previously described, but with barium in the boat. Ammonia gas flowed through the tube for 20 hours, while the temperature was kept at 520-570 C. The modified Nitralloy 135 sample showed a surface hardness of 96 on the Rockwell 15 N scale and a 0.28mm layer thickness. The stainless steel sample was provided with a layer having a thickness of 0.094 mm.
Samples of modified Nitralloy 135 and 18-8 stainless steel were also nitrided in the presence of a nitrogen compound formed from calcium and ammonia. The samples were placed on top of a metal boat containing metallic calcium, with part of the stainless steel sample protruding from the edge of the boat; the boat and the samples were exposed to a stream of ammonia gas at a temperature of 525 to 575 C.
After 10 hours nitriding, the Nitralloy 135 sample modified my mark with a surface hardness of 92.5 on the Rockwell 15 N scale and a layer thickness of 0.46 mm. The sample of 18-8 stainless steel, nitrided under the same conditions for 24 hours, showed a nitrided layer of 0.152 mm.
It is interesting to note that the part of the stainless steel sample which protruded from the edge of the basket and which, therefore, was exposed mainly to ammonia alone, had not been nitrided at all during the 24 hours. hours of treatment.
The steel to be nitrided, used in these experiments, and sold in the United States under the trade name of Nitralloy 135 modified, contains Carbon 0.38-0.45 Manganese 0.40-0.70% Silicon 0.30 Maximum% Chromium 1.40-1.80 Aluminum 0.95-1.45% NQlybdenum 0.30-0.45 Stainless steel samples were formed from an alloy containing 18% chromium and 8% nickel.
The presence of caustic alkali in the <B> reaction </B> zone during nitriding adversely influences the hardness of the nitrided surface and should preferably be avoided. If, for example, the conditions are such as to lead to the formation of, for example, sodium hydroxide, it is advisable to take measures to avoid this formation where at least the access of alkali causes tick to parts being treated. It has been found that the glass of the sodium amide-glass mixture described above works satisfactorily for this purpose.
The same result is obtained when the boat, containing the material activating the nitriding reaction, is placed sufficiently in front of the part to be nitrided in the glass tube, in the direction of the arrival of ammonia. In this case we can be sure that any sodium hydroxide or other caustic alkali possibly formed will have reacted with the silica components of the glass tube before it can be entrained by the current of ammonia and brought into contact with the object. to be nitrided.
In the case where the material activating the nitriding reaction is one which forms a hydroxide having a low vapor pressure, such as barium hydroxide, magnesium hydroxide and calcium hydroxide, the object to nitride can. be placed in direct contact with such materials, the latter being in liquid or solid form, without fear of adversely affecting the hardness of the surface of the nitrided metal. The same is true when the compound used to activate nitriding is carried by powdered glass.
The compounds activating the nitru ration reaction specified above can also be used as constituents of a bath in which the part is immersed. nitride. During the nitriding operation, a suitable gas stream, evolving nitrogen, preferably ammonia gas, is circulated through the bath at an appropriate rate, depending on the temperature and composition of the bath.
The bath can be prepared by passing ammonia gas through a molten alkali metal or metal. alkaline earth or a mixture of metals. In some cases, it is advantageous to form the bath directly in the vessel in which the nitriding is to take place. The container can be filled with the metal to the desired level and the oven brought to the desired temperature. The ammonia stream can then bubble through the molten metal for a time sufficient to effectively transform all of the metal or compounds of the metal with nitrogen or nitrogen and hydrogen.
Employing. molten metal compound bath, it is preferred to use a mixture of metals selected to produce an optimum degree of fluidity with a minimum. vaporization. For example, a bath of metal amides such as a mixture of calcium amide and barium amide will give a very satisfactory result.
Likewise, calcium can be added to a sodium amide bath, to form a mixture of Ca.iN_II ,,, with the sodium amide, or magnesium can be added to a sodium amide bath. to form Na .-, Mg (NH). ,, 2NH.,. The present invention is not limited to the operating conditions set out above, in particular as regards the nitrogenous compounds which activate nitriding and the support materials listed, the duration of the treatment, etc.
The process is applicable to ferrous alloys of compositions other than those mentioned above, including not only many other steel alloys, but also various types of cast iron alloys which heretofore have not had. been considered susceptible to nitriding.
Previous proposals for the use of calcium cyanamide and various organic nitrogen compounds, as nitriding activators, are known, but it does not appear that the results obtained have been sufficiently convincing to allow the adoption of these proposals. in commercial practice.