CH261440A - A process for the nitriding hardening of the surfaces of articles made of ferrous metals. - Google Patents

A process for the nitriding hardening of the surfaces of articles made of ferrous metals.

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CH261440A
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nitriding
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ammonia
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Loevenstein Hirsch
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Loevenstein Hirsch
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24Nitriding
    • C23C8/26Nitriding of ferrous surfaces

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Description

  

  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.

 

Claims (1)

REVENDICATION Procédé pour le durcissement, par nitru- ration, des surfaces d'articles en métaux fer reux, caractérisé en ce que l'on chauffe les dits articles dans des conditions telles qu'ils soient. en contact avec un gaz générateur d'azote pendant le chauffage et, durant au moins une partie de celui-ci, avec au moins un composé non carboné et non oxygéné de l'azote avec un métal du groupe des alcalins et alcalino-terreux. SOZTS-REVENDICATION S 1. Procédé selon la revendication, carac térisé en ce que l'on amène ledit composé de l'azote en contact avec les articles à nitrurer, sous la forme de vapeurs portées par un courant de gaz ammoniac. 2. CLAIM A process for the hardening, by nitriding, of the surfaces of articles of iron metal, characterized in that said articles are heated under such conditions. in contact with a nitrogen-generating gas during the heating and, during at least a part thereof, with at least one non-carbonaceous and non-oxygenated compound of nitrogen with a metal from the group of alkali and alkaline earth. SOZTS-CLAIM S 1. A method according to claim, charac terized in that said nitrogen compound is brought into contact with the articles to be nitrided, in the form of vapors carried by a stream of ammonia gas. 2. Procédé selon la revendication, carac térisé en ce que ledit composé de l'azote est fixé sur Lin matériau de support solide, sous forme granulaire. 3. Procédé selon la revendication, earac- térisé en ce que l'on soumet les articles fer reux à la nitruration en les plongeant dans un bain liquide contenant ledit composé de l'azote, ce bain étant traversé par un courant du gaz générateur d'azote. 4. Procédé selon la revendication, carac térisé en ce que ledit composé de l'azote est un composé azote-hydrogène-calcium. 5. A method according to claim, characterized in that said nitrogen compound is attached to solid support material, in granular form. 3. Method according to claim, acterized in that the iron articles are subjected to nitriding by immersing them in a liquid bath containing said nitrogen compound, this bath being traversed by a stream of gas generating d. 'nitrogen. 4. Method according to claim, charac terized in that said nitrogen compound is a nitrogen-hydrogen-calcium compound. 5. Procédé selon la revendication, carac térisé en ce que les articles traités sont consti tués en un acier austénitique et sont soumis à la nitruration sans dépassivation préalable de l'acier. 6. Procédé selon la revendication, carac térisé en ce que les articles traités sont eonsti- tués en un acier inoxydable et sont soumis à la nitruration sans dépassivation préalable de l'acier. Process according to claim, characterized in that the treated articles are made of an austenitic steel and are subjected to nitriding without prior depassivation of the steel. 6. Method according to claim, characterized in that the treated articles are made of stainless steel and are subjected to nitriding without prior depassivation of the steel.
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