CH332227A - Process for cementing iron and steel and their alloys in a gas atmosphere - Google Patents

Process for cementing iron and steel and their alloys in a gas atmosphere

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CH332227A
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Whybrow Palethorpe Loui George
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Wild Barfield Electr Furnaces
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Description

  

      Verfahren    zum Zementieren von Eisen und     Stahl    und deren Legierungen  in einer Gasatmosphäre    Die Zementierung von     Eisenprodukten    in  einer Gasatmosphäre hat sich in der Industrie  gut eingeführt.  



  Die Erfahrung hat gezeigt, dass gleichblei  bende gute Ergebnisse bei Verwendung einer       Casatmosphäre    erzielt werden, die aus Stadt  gas hergestellt ist. Wiewohl die Zusammen  setzung je nach dem Stadtgas, von dem aus  gegangen wird, etwas     schwankt,    kann man  feststellen, dass     diese    Atmosphäre etwa 45-55       Volumprozente    Wasserstoff,     10-25        Volum-          prozente    Kohlenoxyd, 10-25     Volumprozente     Methan und den Rest,     rund    1.0      /o"    an prak  tisch     inerten    Gasen enthält.  



  Ein,     Ofenhärtungsverfahren,    das     als        Car-          bonitrierung    bezeichnet werden kann, ist  gleichfalls durchführbar, indem man der  Atmosphäre ein nitrierendes Gas, wie Ammo  niak, beifügt.  



  Es ist auch     bekannt,    eine für die Zemen  tierung geeignete Atmosphäre dadurch her  zustellen, indem man flüssige     Kohlenwasser-          stoffe    in den Ofen für die     IIitzebehandlung          eintropfen    lässt und sie dort     krackt.    In der  Praxis werden zu diesem Zweck hauptsäch  lich     aliphatische    Verbindungen benutzt.

   Wie  wohl damit brauchbare Ergebnisse erzielt  werden können, besteht doch eine Neigung  zu starker     Verrussung    der Werkstücke mit  den sich daraus ergebenden Schädigungen,    die nur durch eine ausserordentlich sorgfäl  tige Überwachung der     Zuflussbedingungen     vermieden werden können.  



  Die vorliegende Erfindung hat sich nun  das Ziel gesetzt, ein Verfahren ausfindig zu  machen, mit dem eine Gasatmosphäre ge  schaffen werden kann, die ebenso gute Eigen  schaften aufweist wie diejenige, welche aus  Stadtgas gewönnen wird. .  



  In dieser . Absicht wurde     zunächst    ge  prüft, welche von den unzähligen organischen       Flüssigkeit,    die imstande sind, beim     Krak-          ken    bzw. in     pyrolytischen    Reaktionen bei  den Behandlungstemperaturen, welche in der  Nähe von     700-1100e    C liegen, C0,     CII4    und  112 zu liefern, wirtschaftlich brauchbar     und          theäretisch    wirksam sein könnten.  



       Die    Erfahrung mit     Zementierungsatmo-          Sphären,    die aus Stadtgas hergestellt sind,  führt zu folgenden -Forderungen       a)    Die Atmosphäre soll vollständig frei  von     Decarburierungsgasen,    wie     C02    und 02,  sowie von Wasserdampf sein.  



       b)'Schädliche;        Schwefelverbindungen,    sollen  nicht vorhanden sein.  



  c) Es soll keine     Verrussung    eintreten,  da sie die     Carburierung    hindert.  



  d) Die Atmosphäre soll, soweit dies nur  möglich ist, von solcher Art sein, dass man  zur Erzielung befriedigender Ergebnisse      nicht genötigt ist, eine bestimmte oder kri  tische     Strömungsgeschwindigkeit    einzuhalten.  



       Diese        Bedingungen    engten den Bereich  auf diejenigen     Kohlenstoff,    Wasserstoff,  Sauerstoff und Stickstoff enthaltenden Flüs  sigkeiten oder Flüssigkeitsgemische ein, welche  frei von allen andern Elementen,. insbesondere  Schwefel sind.  



  Die beiden Hauptklassen von Flüssig  keiten, welche nun in Betracht kamen, waren       aliphatische        und    aromatische oder Ring  verbindungen.  



  Die letztgenannte Klasse umfasst die     Ben-          zoid-,    N     aphtenoid-    und ähnliche Ringverbin  dungen, welche, da sie ungesättigt sind, bei  der     Spaltung        unerwünschten        I,#öhlenstoff    in  Form von Russ abscheiden. Infolgedessen  wurden sie als ungeeignet angesehen. Die     Aüf-          merksamkeit    richtete sich daher auf die     ali-          phatischen    Verbindungen. Auch hier sind    verschiedene     Unterteilungen    gegeben.

   Es  wurde für zweckmässig erachtet, nun die voll  ständig gesättigten Verbindungen zu unter  suchen, da die     ungesättigten    Verbindungen  auch in der     aliphatischen    Klasse die     Neigung     haben, bei der Spaltung Kohlenstoff als Russ  abzuscheiden, wie es die aromatischen Ver  bindungen tun.  



  Von den     aliphatischen    Verbindungen ver  blieben die- einwertigen flüssigen Alkohole  und die     aliphatischen        Ketone.     



  Aus praktischen und wirtschaftlichen  Gründen wurde die erstgenannte Gruppe für  eine theoretische Abschätzung der möglichen  Reaktion bei der     Krackung    im Temperatur  bereich von 700-950  C ausgewählt. Die  nachfolgende Tabelle gibt     Auskunft    über das  wahrscheinlichste Verhalten einiger leicht zu  gänglicher Alkohole unter diesen Bedingun  gen.

    
EMI0002.0026     
  
    Alkohol <SEP> Vermutliche <SEP> Theoretische <SEP> Gaszusammensetzung <SEP> (Vol. <SEP> / <SEP> )
<tb>  Spaltprodukte <SEP> CO <SEP> CH4 <SEP> Ha
<tb>  Methylalkohol <SEP> CO <SEP> + <SEP> 2H2 <SEP> <B>3313%</B> <SEP> - <SEP> 66,6
<tb>  Äthylalkohol <SEP> CO <SEP> -E- <SEP> CH4 <SEP> + <SEP> H2 <SEP> 33,3 <SEP> % <SEP> 33,3 <SEP> % <SEP> 33,3
<tb>  Isopröpylalkohol <SEP> CO <SEP> -f- <SEP> 2 <SEP> CH4 <SEP> <B>3323% <SEP> 6636%</B> <SEP> (P)
<tb>  CO <SEP> + <SEP> CH4 <SEP> -E- <SEP> 2112+ <SEP> C <SEP> 25% <SEP> <B>25% <SEP> 50%</B> <SEP> (S)       Es soll hervorgehoben werden, dass bei den  vorstehenden Betrachtungen folgende Annah  men gemacht wurden       a)    Die     Krackung    hat in     einem    Ofen statt  gefunden,

   der frei von Luft und praktisch  frei von Eisen war.  



  b) Die     Flüssigkeit    wurde mit konstanter       Geschwindigkeit    in den Ofen     eintropfen    ge  lassen.  



       c)    Die Temperatur des Ofens wurde prak  tisch konstant gehalten, nämlich     auf    925    10  C.  



  d) Es     wurde    nur     dieprimäre    Spaltung (P)  in Betracht gezogen; bloss im letzten Fall ist  es wahrscheinlich, dass sekundäre oder Neben  reaktionen eintreten, wie es bei (S) angedeu  tet ist.    Eine Betrachtung der theoretisch     wahr-          seheinlichen    Gaszusammensetzung bei der       Krackung,    wie sie in der vorstehenden Tabelle  gegeben ist, zeigt, dass der     Isopropylalkohol     ein Gas liefert, welches der als     wirksam    be  kannten Atmosphäre am nächsten kommt,  wiewohl die Summe der Prozentzahlen für CO  und     CH4    etwas hoch liegt und,

   wie aus einer  langen Erfahrung mit vorbereitetem Stadt  gas geschlossen werden kann,     Russbildung    er  wartet werden muss, wenn nicht für eine ge  naueste Überwachung der     Zuflussgeschwin-          digkeit    gesorgt wird.  



  Es war also wesentlich, eine     Flüssigkeit    zu  finden, die, wenn sie     gekrackt    -wird, einen  niedrigeren Betrag an     CH4    liefert, um- die       unerwünschte        Russbildung    auch dann zu un-           terdrücken,    wenn keine so genaue     überwa-          chung    der Arbeitsbedingungen     stattfindet.     



  Entsprechend der vorliegenden Erfindung  wird nun die Atmosphäre für die Gasze  mentierung von Eisen und Stahl und deren  Legierungen hergestellt, indem man einen ein  wertigen     aliphatischen        Alkohol    und Wasser  in einer Menge von     5r30        Voliunprozenten,    be  zogen auf den Alkohol, in einem Glühofen bei  einer Temperatur zwischen 700 und 950" C  kracht.  



  Eine stickstoffhaltige Flüssigkeit, die mit  der     Alkohol-Wasser-Mischung    vollständig  mischbar ist, kann der Mischung zugefügt  werden.  



  Eine solche stickstoffhaltige Flüssigkeit  wird dort verwendet, wo es sich um Car  bonitrierung anstelle von . reiner     Carburie-          rung    handelt. Die bevorzugte Flüssigkeit für  diesen. Zweck ist     Ammoniak    vom     spez.        Gew.     0,880 (15  C), das in solchen Mengen zugesetzt  werden kann, dass der     Ammoniakgehalt    der       entstehenden    Atmosphäre 2,5-7,5      /a    beträgt.  



  Das     Ammoniakgas    kann ebensogut einer       Stahlflasche        entnommen        und    in Gasform zu  gesetzt werden.  



  In dem ganzen oben -angegebenen Bereich  von 5-30     Volumprozenten    Wasser des ein  wertigen Alkohols können gute Gasatmosphä  ren erhalten werden. Beim     Isopropylalkohol     erhält die bevorzugte     Flüssigkeit    für die       Krackung    im Ofen einen Zusatz von 15-25       Volumprozenten    Wasser; wenn es sich um  reine     Carburierung    handelt, während eine  ähnliche Menge von Wasser und Ammoniak  zusammen benutzt wird, wenn eine     Carboni-          trierung    durchgeführt werden soll.  



  Methylalkohol ist, wiewohl er technisch  hergestellt wird, gewissen     Beschränkungen     unterworfen und auch bei Beschaffung in  grossen Quantitäten teuer. Auch     Äthylalkohol     ist im Handel erhältlich, aber sowohl in seiner  100     1/aigen    Form als auch in niedrigeren  Graden ruhen auf ihm in den     meisten    Län  dern Zoll- und Steuergebühren..  



  Infolgedessen richtete sich die Aufmerk  samkeit auf den     Isopropylalkohol,    der leicht  zu beschaffen, billig und- wohl überall zoll-    und steuerfrei zu beziehen sowie keinen be  sonderen     Verwendungsvorschriften    unterwor  fen ist.  



  Selbstverständlich können auch die an  dern     einwertigen        Alkohole    in entsprechender  Mischung     mit    Wasser zur Erzielung einer  guten     Carburierung    herangezogen werden,  und der Zusatz von     wässrigem    Ammoniak       (spez.        Gew.    0,880 bei 15" C) im geeigneten  Verhältnis oder die Einführung von     gasför=          migem    Ammoniak in den Ofen geben wirk  same Atmosphären für die     Carbonitrierung.     



  Wenn man nun die beim     Irracken    einer  Mischung von     Isopropylalkohol    und Wasser  unter- den - oben angeführten Bedingungen  <I>a</I> bis<I>d</I> vermutlich eintretende Reaktion über  legt, kommt man zu folgender Gleichung:  
EMI0003.0048     
    Die theoretische     Gaszusammensetzung     müsste also sein:  CO = 33,3 %     CH4    = 16,6<B>0</B>/<B>0</B>     1-12    =     50e/0     Ein solches Gas würde sich vorzüglich für  die Zementierung von Eisenwaren eignen.  



  Man muss nun auch die oben angegebene       Gleichung    unter folgendem     Gesichtspunkt    be  trachten: -    Das     Molekulargewicht    von     C3H70H    ist 60  Das     Molekulargewicht    von     H20    ist 18    Wenn also     äquimolekulare    Mengen von       Isopropylalkohol    und     Wasser    gemischt . wer  den, ergibt dies eine Mischung von 60 Ge  wichtsteilen     Isopropylalkohol    und 18 Ge  wichtsteilen Wasser.

   Da das     spez.        Gew.    von       Isopropylalkohol    rund 0,8 und das von  Wasser 1 beträgt, enthält die     äquimolekulare          Mischung,    bezogen auf     Isopropylalkohol,     
EMI0003.0069     
    oder  
EMI0003.0070     
    Im Hinblick auf die theoretischen Möglich  keiten     wurden    Versuche durchgeführt, um die  im praktischen Betrieb tatsächlich zu erhal  tenden Resultate     festzustellen..         Zu den Versuchen wurde eine vollstän  dige     technische    Ausrüstung benutzt, nämlich  ein     Gascarburierungsofen    mit Retorte,

   Venti  lator und     Flüssigkeitstropfvorrichtung,    wobei  die ganze Einrichtung aus hochfeuerfestem  Material, praktisch frei- von Eisen, hergestellt  war.  



  Die Versuche wurden bei     einer-    Tempera  tur von 925  C ausgeführt. Diese Temperatur  wurde gewählt, da sie eine der Standard  temperaturen darstellt, die in der Technik    für die     Gascarburierung    von Stählen unter       Benutzung    von     präpariertem    Stadtgas an  gewendet werden.  



  \ Im nachstehenden sind die erhaltenen Re  sultate zusammengefasst. Es handelt sich da  bei nicht um Einzelversuche, sondern um Er  gebnisse, die mindestens in zwei Versuchen,  in den meisten Fällen aber in einer Mehrzahl  von Versuchen überprüft worden sind. Die       Analyse    der Gase wurde am Austritt aus der  Retorte vorgenommen.  
EMI0004.0009     
  
     Die     Angaben    für den     Isopropylalkohol     sind das     Eegebuis    von     15-20    verschiedenen    Versuchen, d. h. 45-60 gesonderten Gas  analysen.

      Der Vergleich" dieser Ergebnisse mit den theoretischen Zahlen ist von Interesse:  
EMI0004.0014     
  
    <B>Co,</B> <SEP> O, <SEP> C.H. <SEP> CO <SEP> CH, <SEP> HZ
<tb>  Theoretisch <SEP> - <SEP> - <SEP> _ <SEP> ,- <SEP> 33,3 <SEP> 16,6 <SEP> 50
<tb>  Praktisch <SEP> 0,2-0.,4 <SEP> 0-0,4 <SEP> 0,2-0,6 <SEP> 29-32 <SEP> 11,5-13,5 <SEP> 54-58       Die Gegenwart kleiner Mengen von     C02,     02 und     C"Hm        (ungesättigten    Kohlenwasser  stoffgasen) kann man sekundären Reaktio  nen zuschreiben.

   Der Unterschied der prak  tisch ermittelten Werte für C0,     CH4        und    112  gegenüber den theoretischen Zahlen ist durch  die     Aufspaltung    eines Teils des     CH4    zu er  klären, gemäss der     Gleichung     .

       CH4    +     3Fe    =     Fe3C    (Zementft) +     2H2          sowie'    eines Teils des CO im     Sinne    von    2C0     #        C02    + C    Die Richtigkeit dieser Auffassung wird  durch die Einwirkung bestätigt, welche diese  Gase auf     Strahlmuster    ausüben, die zur me  tallurgischen     Behandlung    in die Retorte ge  bracht werden.

      Eine weitere Reihe von Versuchen wurde  durchgeführt, um festzustellen, ob die me  tallurgischen Ergebnisse, welche man mit der  Atmosphäre aus     Isopropylalkohol    und 25     Vo-          ltunprozenten    Wasser erhalten kann, denjeni  gen entsprechen, die man mit zubereitetem  Stadtgas erzielt.  



  In der folgenden Tabelle sind die Er  gebnisse dargestellt, die man an dem Stahl  EN-32 erhielt.     Dieser    Stahl ist in der     $ri-          tish    Standards Liste<B>970</B> (EN-Serien) an  geführt. T ist die bei der Behandlung ins  gesamt aufgewendete Zeit, t ist die Zeit der       aktiven    Behandlung, die gegebenenfalls von  einer Diffusionsperiode gefolgt wird.  



  T = 29,75 Stunden,     Tit    = 1    
EMI0005.0001     
  
    Carburierungsmittel <SEP> Temperatur <SEP> Härtungs- <SEP> Tiefe <SEP> des <SEP> Bemerkungen
<tb>  tiefe <SEP> Eutectoids
<tb>  Präpariertes <SEP> Stadtgas <SEP> 925  <SEP> C <SEP> 0,100 <SEP> cm <SEP> 0,056 <SEP> cm <SEP> Freier <SEP> Zementit.
<tb>  Isopropylalkohol
<tb>  -f- <SEP> 25 <SEP> VolA <SEP> Wasser <SEP> 925  <SEP> C <SEP> 0,114 <SEP> cm <SEP> 0,061 <SEP> cm <SEP> Spuren <SEP> von <SEP> freiem <SEP> Zementit
<tb>  Isopropylalkohol
<tb>  25 <SEP> Vol.% <SEP> Wasser <SEP> 925  <SEP> C <SEP> 0,100 <SEP> <B>cm</B> <SEP> 0,056 <SEP> cm <SEP> Spuren <SEP> von <SEP> freiem <SEP> Zementit
<tb>  Isopropylalkohol
<tb>  25 <SEP> Vol.% <SEP> Wasser <SEP> 925  <SEP> C <SEP> 0,098 <SEP> cm <SEP> 0,

  041 <SEP> ein <SEP> Spuren <SEP> von <SEP> freiem <SEP> Zementit       Aus den vorstehenden Resultaten geht  klar hervor, dass das     Kracken    einer Mischung  von     Isopropylalkohol    und Wasser nicht nur       Gaszusammensetzungen    ähnlich denen von  präpariertem Stadtgas, sondern auch     me-          tallurgische    Ergebnisse der gleichen Art lie  fert.

   Der Fachmann wird es zu schätzen  wissen, dass bei gleicher     Carburierungstem-          peratur    die gleiche     Härtungstiefe    erzielt  werden kann, wobei die Härtung völlig  frei von     Hypereutectoid    (freiem     Zementit)     ist, wenn man den Wert von     T/t    entsprechend  regelt, d. h. die Diffusionsperiode verlängert.  



  Die in der oben gegebenen Tabelle ent  haltenen Zahlen sind somit     zufriedenstellend.     Sie zeigen aber einen gewissen Mangel an       Cleiehmässigkeit    in den Werten für die     Ge-          samteindringungstiefe        und    noch mehr in den  Werten Für die     a'utectoidtiefe.     



  Weitere Überlegungen über das Problem  haben     zu.    der Anschauung geführt, dass die  Menge des     Wassers    in dem Gemisch von     Iso-          propylalkohol        und    Wasser vielleicht etwas  zu hoch gewesen sein und daher zur Bildung  von zu grossen Beträgen an     C02    in der Ofen  atmosphäre Anlass gegeben haben könnte.

      Eine Anzahl von Versuchen zeigte, dass  der     C02-Gehalt    der den Ofen verlassenden       Gase.        ein        Minimum        von        0-0;3'%        erreichte,     wenn man eine Wassermenge von 15     Volum-          prozenten    anwendete. Bei 30     Volumprozenten     Wasser war der C02 Gehalt     0,4-10/a,    mit  25     VolumprozentenWasserbetruger0,4-0,70/0     und bei 20     Volumprozenten    Wasser machte er       0,4-0,6!%        aus.     



  In weiteren Versuchsreihen wurde eine  bemerkenswerte Konstanz sowohl für die     Ge-          samteindringungstiefe    als auch für die     Eu-          tectoidtiefe    erhalten. Bei einer Versuchs  reihe an     EN-32-Stahl    bei 92'5  C     unter    Be  nutzung von 15     Volumprozenten        Wasser,    be  zogen auf     Isopropylalkohol,        schwankte    die  Ges     ainteindringungstiefe    um nicht mehr als  0,0025 cm.  



  Es wurde nun ein weiterer Vergleich     im          Carburieren    von     EN-32-Stahl    bei 950  C, mit  präpariertem Stadtgas als Vergleichsmass  stab, durchgeführt. Die nachstehende Tabelle  zeigt die erhaltenen Resultate.  



  T = 2,75 Stunden;     T/t    = 1  
EMI0005.0055     
  
       Für den     Fachmann    sei -noch     darauf--hin=-          gewiesen,    dass das Auftreten von freiem       Zementit        (Hypereutectoid.)    vollständig un  terdrückt werden kann, wenn man das Ver  hältnis     T/t    entsprechend einstellt, d. h. die  Diffusionsperiode verlängert, wie es bei Be  nutzung von präpariertem Stadtgas die Regel  ist.  



  Um zu prüfen ob die erwähnten Resultate  über den ganzen Bereich der normalen Stahl  legierungen,- die der     Carbniierung    unterzo  gen     werden    (die     British    Standards     EN-Stahl-          reihen        EN-32    bis EN 39) zutreffen, wurden    - die in-     der    Industrie- am meisten verwendeten  Stahlsorten,     nämlich        EN-34,    36 und 39, aus  gewählt und     untersucht.    Die nachfolgende ;  Tabelle enthält die Ergebnisse.

   In allen Fällen  wurden die Gesamtzeit T und das Diffusions  verhältnis     T/t    so eingehalten, wie es für die  genannten Stahlsorten bei Benutzung von  präpariertem Stadtgas üblich ist. Die Tempe  ratur betrug 950  C. Von den beiden angege  benen Werten entspricht immer der erste  dem Stadtgas und der zweite dem Gemisch       aus    15     Volumprozenten    Wasser     und    85     Vo-          lumprozenten        Isopropylalkohol.     
EMI0006.0024     
  
    Stahlsorte <SEP> T <SEP> in <SEP> Stunden <SEP> T/t <SEP> Härtungstiefe <SEP> Eutectoidtiefe
<tb>  in <SEP> ein- <SEP> <B>m <SEP> cm</B>
<tb>  EN-34 <SEP> 3,20 <SEP> 1,55 <SEP> 0,101 <SEP> 0,063
<tb>  - <SEP> o,

  107 <SEP> 0,066
<tb>  EN-34 <SEP> 3,10 <SEP> 1,75 <SEP> <B>0</B>,127 <SEP> 0,081
<tb>  0,127 <SEP> 0,081
<tb>  EN-36 <SEP> 5,25 <SEP> 1,60 <SEP> 0,127 <SEP> 0,097
<tb>  0,127 <SEP> 0,094
<tb>  EN-36 <SEP> 4,75 <SEP> 1,85 <SEP> 0,152 <SEP> 0,112
<tb>  0,152 <SEP> 0,114
<tb>  EN-39 <SEP> 9,0 <SEP> - <SEP> 2,0 <SEP> 0,160 <SEP> 0,114
<tb>  0,165 <SEP> 0,114
<tb>  EN-39 <SEP> 9,2 <SEP> 2,3 <SEP> 0,178 <SEP> 0,140
<tb>  0,185 <SEP> 0,142       Es ist jedem Fachmann     klar,    dass durch  Hinzufügung eines entsprechenden Betrages  an     Ammoniak    zum Wasser     eine        Carbonitrie-          rungsatmosphäre    mit einem     Ammoniakgehalt     von 2,5-7,

  5     Volumprozenten    erhalten werden  kann.  



  Es wurde nun eine Versuchsreihe be  treffend die     Carbonitrierung    durchgeführt,    bei welcher ein Gemisch von     Isopropylalkohol     von     -I-    15     Volumprozenten    Wasser angewandt  und das Ammoniak       a)    als Gas der Atmosphäre im Ofen,  b) als     Ammoniaklösung        (spez.        Gew.    0,880  bei 15  C) der Flüssigkeit zugesetzt wurde. Die  Zeit betrug durchwegs 1 Stunde.

    
EMI0006.0040     
  
     
EMI0007.0001     
  
    Atmosphäre <SEP> aus <SEP> Stahlsorte <SEP> Temperatur <SEP> Härtungstiefe <SEP> in <SEP> cm
<tb>  Gemisch <SEP> + <SEP> 2,5 <SEP>  1o <SEP> NH3 <SEP> (Gas) <SEP> 0,056
<tb>  Gemisch <SEP> -E- <SEP> 2,5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> (Flüss.) <SEP> EN-32 <SEP> 875  <SEP> C <SEP> 0,056
<tb>  Stadtgas <SEP> + <SEP> 2,5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> 0,056
<tb>  Gemisch <SEP> -f- <SEP> 5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> (Gas) <SEP> 0,038
<tb>  Gemisch <SEP> + <SEP> 5 <SEP> % <SEP> <B>NH3</B> <SEP> (Flüss.) <SEP> EN-32 <SEP> 825  <SEP> C <SEP> 0,038
<tb>  Stadtgas <SEP> + <SEP> 5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> 0,038
<tb>  Gemisch <SEP> + <SEP> 5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> (Gas) <SEP> 0,045
<tb>  Gemisch <SEP> + <SEP> 5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> (Flüss.) <SEP> EN-32 <SEP> 850  <SEP> C <SEP> 0,043
<tb>  Stadtgas <SEP> -f- <SEP> 5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> 0,

  043
<tb>  Gemisch <SEP> + <SEP> 5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> (Gas) <SEP> 0,053
<tb>  Gemisch <SEP> -f- <SEP> 5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> (Flüss.) <SEP> EN-32 <SEP> 875  <SEP> C <SEP> 0,048
<tb>  Stadtgas <SEP> + <SEP> 5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> 0,056
<tb>  Gemisch <SEP> -f- <SEP> 7,5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> (Gas) <SEP> 0,038
<tb>  Gemisch <SEP> -f- <SEP> 7,5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> (Flüss) <SEP> EN-32 <SEP> 825  <SEP> C <SEP> - <SEP> 0,038
<tb>  Stadtgas <SEP> -f- <SEP> 7,5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> 0,038
<tb>  Gemisch <SEP> -E- <SEP> 7,5 <SEP> % <SEP> NHa <SEP> (Gas) <SEP> 0,043
<tb>  Gemisch <SEP> -f- <SEP> 7,5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> (Flüss.) <SEP> EN-32 <SEP> 850  <SEP> C <SEP> 0,040
<tb>  Stadtgas <SEP> + <SEP> 7,5 <SEP> % <SEP> <B><I>NE,</I></B> <SEP> 0,043
<tb>  Gemisch <SEP> + <SEP> 7,5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> (Gas) <SEP> 0,056
<tb>  Gemisch <SEP> + <SEP> 7,

  5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> (Flüss.) <SEP> EN-32 <SEP> 875  <SEP> C <SEP> 0,045
<tb>  Stadtgas <SEP> + <SEP> 7,5 <SEP> % <SEP> NH3 <SEP> 0,056       Wie schon oben erwähnt,     besteht    die be  gründete Überzeugung, dass andere einwer  tige Alkohole, wenn sie mit Wasser-in einem  geeigneten Verhältnis gemischt werden, mit  Erfolg in gleicher Weise verwendet werden  können. Wirtschaftliche und andere Erwä  gungen lassen sie aber gegenwärtig als weni  ger interessant erscheinen.



      Method of Cementing Iron and Steel and Their Alloys in a Gas Atmosphere Cementing iron products in a gas atmosphere has become well established in industry.



  Experience has shown that consistently good results are achieved when using a Casatmosphäre made from town gas. Although the composition fluctuates somewhat depending on the town gas from which you start, you can determine that this atmosphere is about 45-55 percent by volume hydrogen, 10-25 percent by volume carbon oxide, 10-25 percent by volume methane and the rest, round 1.0 / o "of practically inert gases.



  An oven hardening process that can be referred to as carbon nitriding can also be carried out by adding a nitriding gas, such as ammonia, to the atmosphere.



  It is also known to produce an atmosphere suitable for cementing by dripping liquid hydrocarbons into the furnace for heat treatment and cracking them there. In practice, mainly aliphatic compounds are used for this purpose.

   How usable results can be achieved with it, there is a tendency for heavy sooting of the workpieces with the resulting damage, which can only be avoided by extremely careful monitoring of the inflow conditions.



  The present invention has now set itself the goal of finding a method with which a gas atmosphere can be created that has properties that are just as good as that which is obtained from town gas. .



  In this . Initially, the intention was examined which of the innumerable organic liquids capable of supplying C0, CII4 and 112 in cracking or in pyrolytic reactions at treatment temperatures in the vicinity of 700-1100 ° C, economically useful and theoretically effective.



       Experience with cementing atmospheres made from town gas leads to the following requirements a) The atmosphere should be completely free of decarburization gases, such as C02 and 02, as well as water vapor.



       b) 'Harmful; Sulfur compounds should not be present.



  c) There should be no soot, since it prevents carburization.



  d) As far as this is possible, the atmosphere should be of such a type that one is not required to maintain a certain or critical flow velocity in order to achieve satisfactory results.



       These conditions narrowed the range to those liquids or liquid mixtures containing carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen which were free of all other elements. in particular are sulfur.



  The two main classes of liquids which now came into consideration were aliphatic and aromatic or ring compounds.



  The last-mentioned class comprises the benzoid, naphtenoid and similar ring compounds which, since they are unsaturated, deposit undesirable carbon in the form of soot when they break down. As a result, they were deemed unsuitable. Attention therefore turned to the aliphatic connections. Here, too, there are various subdivisions.

   It was considered expedient to now look at the fully saturated compounds, since the unsaturated compounds, even in the aliphatic class, have a tendency to deposit carbon as soot when splitting, as the aromatic compounds do.



  Of the aliphatic compounds, the monohydric liquid alcohols and the aliphatic ketones remained.



  For practical and economic reasons, the first group was selected for a theoretical estimate of the possible reaction during cracking in the temperature range 700-950 C. The following table provides information about the most likely behavior of some easily accessible alcohols under these conditions.

    
EMI0002.0026
  
    Alcohol <SEP> Probable <SEP> Theoretical <SEP> gas composition <SEP> (Vol. <SEP> / <SEP>)
<tb> Fission products <SEP> CO <SEP> CH4 <SEP> Ha
<tb> Methyl alcohol <SEP> CO <SEP> + <SEP> 2H2 <SEP> <B> 3313% </B> <SEP> - <SEP> 66.6
<tb> Ethyl alcohol <SEP> CO <SEP> -E- <SEP> CH4 <SEP> + <SEP> H2 <SEP> 33.3 <SEP>% <SEP> 33.3 <SEP>% <SEP> 33 , 3
<tb> Isopropyl alcohol <SEP> CO <SEP> -f- <SEP> 2 <SEP> CH4 <SEP> <B> 3323% <SEP> 6636% </B> <SEP> (P)
<tb> CO <SEP> + <SEP> CH4 <SEP> -E- <SEP> 2112+ <SEP> C <SEP> 25% <SEP> <B> 25% <SEP> 50% </B> < SEP> (S) It should be emphasized that the following assumptions were made in the above considerations a) The cracking took place in a furnace,

   which was free of air and practically free of iron.



  b) The liquid was dropped into the oven at a constant rate.



       c) The temperature of the furnace was kept practically constant, namely at 925 10 C.



  d) Only the primary cleavage (P) was considered; only in the latter case is it likely that secondary or side reactions will occur, as indicated by (S). A consideration of the theoretically probable gas composition during cracking, as given in the table above, shows that isopropyl alcohol delivers a gas which comes closest to the atmosphere known to be effective, although the sum of the percentages for CO and CH4 is a bit high and

   How long experience with prepared town gas can lead to the conclusion that soot formation must be expected if the inflow speed is not monitored very precisely.



  It was therefore essential to find a liquid which, when cracked, supplies a lower amount of CH4 in order to suppress the undesired formation of soot even if the working conditions are not monitored very closely.



  According to the present invention, the atmosphere for the gas cementation of iron and steel and their alloys is now produced by adding a monohydric aliphatic alcohol and water in an amount of 5 to 30 percent by volume, based on the alcohol, in an annealing furnace at a temperature between 700 and 950 "C crashes.



  A nitrogen-containing liquid that is completely miscible with the alcohol-water mixture can be added to the mixture.



  Such a nitrogen-containing liquid is used where there is carbonitration instead of. pure carburization. The preferred liquid for this one. Purpose is ammonia from spec. Weight 0.880 (15 C), which can be added in such amounts that the ammonia content of the resulting atmosphere is 2.5-7.5 / a.



  The ammonia gas can just as easily be taken from a steel cylinder and put in gaseous form.



  In the entire range of 5-30 percent by volume of water of the monohydric alcohol given above, good gas atmospheres can be obtained. In the case of isopropyl alcohol, the preferred liquid for cracking in the oven is an addition of 15-25 percent by volume of water; when it is pure carburization, while a similar amount of water and ammonia is used together when carbonization is to be carried out.



  Although it is technically produced, methyl alcohol is subject to certain restrictions and is expensive even when it is procured in large quantities. Ethyl alcohol is also commercially available, but both in its 100% form and in lower grades it is subject to duty and tax charges in most countries.



  As a result, attention turned to isopropyl alcohol, which is easy to get hold of, cheap and probably free of duty and tax everywhere, and which is not subject to any special regulations.



  Of course, the other monohydric alcohols can also be used in an appropriate mixture with water to achieve good carburization, and the addition of aqueous ammonia (specific weight 0.880 at 15 ° C) in a suitable ratio or the introduction of gaseous ammonia in the furnace provides effective atmospheres for carbonitriding.



  If you now consider the reaction that will probably occur when a mixture of isopropyl alcohol and water is cracked under the conditions <I> a </I> to <I> d </I> listed above, the following equation is obtained:
EMI0003.0048
    The theoretical gas composition should therefore be: CO = 33.3% CH4 = 16.6 <B> 0 </B> / <B> 0 </B> 1-12 = 50e / 0 Such a gas would be ideal for the Cementing iron goods.



  The equation given above must now also be considered from the following point of view: - The molecular weight of C3H70H is 60 The molecular weight of H20 is 18 If equimolecular amounts of isopropyl alcohol and water are mixed. who the, this results in a mixture of 60 Ge weight parts isopropyl alcohol and 18 Ge weight parts water.

   Since the spec. The weight of isopropyl alcohol is around 0.8 and that of water is 1, the equimolecular mixture contains, based on isopropyl alcohol,
EMI0003.0069
    or
EMI0003.0070
    With a view to the theoretical possibilities, tests were carried out to determine the results actually to be obtained in practical operation. For the tests, complete technical equipment was used, namely a gas carburization furnace with retort,

   Fan and liquid dripping device, the entire device being made of highly refractory material, practically free of iron.



  The tests were carried out at a temperature of 925 C. This temperature was chosen because it represents one of the standard temperatures used in technology for the gas carburization of steels using prepared town gas.



  \ The results obtained are summarized below. It is not about individual experiments, but rather results that have been checked in at least two experiments, but in most cases in a plurality of experiments. The analysis of the gases was done at the exit from the retort.
EMI0004.0009
  
     The data for isopropyl alcohol are the result of 15-20 different experiments, i. H. 45-60 separate gas analyzes.

      It is interesting to compare "these results with the theoretical figures:
EMI0004.0014
  
    <B> Co, </B> <SEP> O, <SEP> C.H. <SEP> CO <SEP> CH, <SEP> HZ
<tb> Theoretically <SEP> - <SEP> - <SEP> _ <SEP>, - <SEP> 33.3 <SEP> 16.6 <SEP> 50
<tb> Practical <SEP> 0.2-0., 4 <SEP> 0-0.4 <SEP> 0.2-0.6 <SEP> 29-32 <SEP> 11.5-13.5 < SEP> 54-58 The presence of small amounts of C02, 02 and C "Hm (unsaturated hydrocarbon gases) can be ascribed to secondary reactions.

   The difference between the practically determined values for C0, CH4 and 112 compared to the theoretical numbers can be explained by the splitting of part of the CH4, according to the equation.

       CH4 + 3Fe = Fe3C (cement) + 2H2 as well as a part of the CO in the sense of 2C0 # C02 + C The correctness of this view is confirmed by the action that these gases exert on jet patterns that are used for metallurgical treatment in the retort be brought.

      Another series of tests was carried out to determine whether the metallurgical results obtained with the atmosphere of isopropyl alcohol and 25 percent water correspond to those obtained with prepared town gas.



  The table below shows the results obtained on EN-32 steel. This steel is listed in the $ ritish standards list <B> 970 </B> (EN series). T is the total time expended in the treatment, t is the time of active treatment, possibly followed by a diffusion period.



  T = 29.75 hours, Tit = 1
EMI0005.0001
  
    Carburizing agent <SEP> Temperature <SEP> Hardening <SEP> Depth <SEP> of <SEP> Comments
<tb> deep <SEP> eutectoids
<tb> Prepared <SEP> town gas <SEP> 925 <SEP> C <SEP> 0.100 <SEP> cm <SEP> 0.056 <SEP> cm <SEP> Free <SEP> cementite.
<tb> isopropyl alcohol
<tb> -f- <SEP> 25 <SEP> VolA <SEP> water <SEP> 925 <SEP> C <SEP> 0.114 <SEP> cm <SEP> 0.061 <SEP> cm <SEP> traces <SEP> of <SEP> free <SEP> cementite
<tb> isopropyl alcohol
<tb> 25 <SEP> vol.% <SEP> water <SEP> 925 <SEP> C <SEP> 0.100 <SEP> <B> cm </B> <SEP> 0.056 <SEP> cm <SEP> traces < SEP> from <SEP> free <SEP> cementite
<tb> isopropyl alcohol
<tb> 25 <SEP> vol.% <SEP> water <SEP> 925 <SEP> C <SEP> 0.098 <SEP> cm <SEP> 0,

  041 <SEP> a <SEP> traces <SEP> of <SEP> free <SEP> cementite From the above results it is clear that cracking a mixture of isopropyl alcohol and water not only has gas compositions similar to those of prepared town gas, but also me - provides metallurgical results of the same kind.

   The person skilled in the art will appreciate that the same hardening depth can be achieved with the same carburizing temperature, the hardening being completely free of hypereutectoid (free cementite) if the value of T / t is regulated accordingly, i.e. H. the diffusion period is extended.



  The figures given in the table above are therefore satisfactory. But they show a certain lack of cleverness in the values for the total penetration depth and even more so in the values for the a'utectoid depth.



  Have more thought about the problem too. led to the view that the amount of water in the mixture of isopropyl alcohol and water was perhaps a little too high and therefore gave rise to the formation of too large amounts of C02 in the furnace atmosphere.

      A number of tests have shown that the CO 2 content of the gases leaving the furnace. a minimum of 0-0; 3% was reached when a quantity of water of 15 percent by volume was used. With 30 percent by volume of water the C02 content was 0.4-10 / a, with 25 percent by volume of water fraudulators 0.4-0.70 / 0 and with 20 percent by volume of water it was 0.4-0.6%.



  In further series of tests, a remarkable constancy was obtained for both the total penetration depth and the eutectoid depth. In a series of tests on EN-32 steel at 92'5 C using 15 volume percent water, based on isopropyl alcohol, the total penetration depth did not vary by more than 0.0025 cm.



  Another comparison has now been made in the carburizing of EN-32 steel at 950 C, with prepared town gas as a benchmark. The table below shows the results obtained.



  T = 2.75 hours; T / t = 1
EMI0005.0055
  
       For those skilled in the art it should be pointed out that the occurrence of free cementite (hypereutectoid.) Can be completely suppressed if the ratio T / t is set accordingly, i.e. H. the diffusion period is extended, as is the rule when using prepared town gas.



  In order to check whether the results mentioned apply over the whole range of normal steel alloys - which are subjected to carbonization (the British Standards EN steel series EN-32 to EN 39), - the in-industry am Most of the steel types used, namely EN-34, 36 and 39, were selected and examined. The following; Table contains the results.

   In all cases, the total time T and the diffusion ratio T / t were adhered to as is customary for the steel types mentioned when using prepared town gas. The temperature was 950 C. Of the two values given, the first always corresponds to town gas and the second to the mixture of 15 percent by volume water and 85 percent by volume isopropyl alcohol.
EMI0006.0024
  
    Steel grade <SEP> T <SEP> in <SEP> hours <SEP> T / t <SEP> hardening depth <SEP> eutectoid depth
<tb> in <SEP> a <SEP> <B> m <SEP> cm </B>
<tb> EN-34 <SEP> 3.20 <SEP> 1.55 <SEP> 0.101 <SEP> 0.063
<tb> - <SEP> o,

  107 <SEP> 0.066
<tb> EN-34 <SEP> 3.10 <SEP> 1.75 <SEP> <B> 0 </B>, 127 <SEP> 0.081
<tb> 0.127 <SEP> 0.081
<tb> EN-36 <SEP> 5.25 <SEP> 1.60 <SEP> 0.127 <SEP> 0.097
<tb> 0.127 <SEP> 0.094
<tb> EN-36 <SEP> 4.75 <SEP> 1.85 <SEP> 0.152 <SEP> 0.112
<tb> 0.152 <SEP> 0.114
<tb> EN-39 <SEP> 9.0 <SEP> - <SEP> 2.0 <SEP> 0.160 <SEP> 0.114
<tb> 0.165 <SEP> 0.114
<tb> EN-39 <SEP> 9.2 <SEP> 2.3 <SEP> 0.178 <SEP> 0.140
<tb> 0.185 <SEP> 0.142 It is clear to every person skilled in the art that by adding an appropriate amount of ammonia to the water, a carbonitration atmosphere with an ammonia content of 2.5-7,

  5 percent by volume can be obtained.



  A series of experiments has now been carried out with regard to carbonitriding, in which a mixture of isopropyl alcohol of -I- 15 percent by volume of water is used and the ammonia a) as a gas in the furnace, b) as an ammonia solution (specific weight 0.880 at 15 ° C.) ) was added to the liquid. The time was consistently 1 hour.

    
EMI0006.0040
  
     
EMI0007.0001
  
    Atmosphere <SEP> made of <SEP> steel type <SEP> temperature <SEP> hardening depth <SEP> in <SEP> cm
<tb> Mixture <SEP> + <SEP> 2.5 <SEP> 1o <SEP> NH3 <SEP> (gas) <SEP> 0.056
<tb> Mixture <SEP> -E- <SEP> 2.5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> (liquid) <SEP> EN-32 <SEP> 875 <SEP> C <SEP> 0.056
<tb> Town gas <SEP> + <SEP> 2.5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> 0.056
<tb> Mixture <SEP> -f- <SEP> 5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> (gas) <SEP> 0.038
<tb> Mixture <SEP> + <SEP> 5 <SEP>% <SEP> <B> NH3 </B> <SEP> (liquid) <SEP> EN-32 <SEP> 825 <SEP> C <SEP > 0.038
<tb> Town gas <SEP> + <SEP> 5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> 0.038
<tb> Mixture <SEP> + <SEP> 5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> (gas) <SEP> 0.045
<tb> Mixture <SEP> + <SEP> 5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> (liquid) <SEP> EN-32 <SEP> 850 <SEP> C <SEP> 0.043
<tb> Town gas <SEP> -f- <SEP> 5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> 0,

  043
<tb> Mixture <SEP> + <SEP> 5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> (gas) <SEP> 0.053
<tb> Mixture <SEP> -f- <SEP> 5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> (liquid) <SEP> EN-32 <SEP> 875 <SEP> C <SEP> 0.048
<tb> Town gas <SEP> + <SEP> 5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> 0.056
<tb> Mixture <SEP> -f- <SEP> 7.5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> (gas) <SEP> 0.038
<tb> Mixture <SEP> -f- <SEP> 7.5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> (liquid) <SEP> EN-32 <SEP> 825 <SEP> C <SEP> - <SEP > 0.038
<tb> Town gas <SEP> -f- <SEP> 7.5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> 0.038
<tb> Mixture <SEP> -E- <SEP> 7.5 <SEP>% <SEP> NHa <SEP> (gas) <SEP> 0.043
<tb> Mixture <SEP> -f- <SEP> 7.5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> (liquid) <SEP> EN-32 <SEP> 850 <SEP> C <SEP> 0.040
<tb> Town gas <SEP> + <SEP> 7.5 <SEP>% <SEP> <B><I>NE,</I> </B> <SEP> 0.043
<tb> Mixture <SEP> + <SEP> 7.5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> (gas) <SEP> 0.056
<tb> Mixture <SEP> + <SEP> 7,

  5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> (liquid) <SEP> EN-32 <SEP> 875 <SEP> C <SEP> 0.045
<tb> Town gas <SEP> + <SEP> 7.5 <SEP>% <SEP> NH3 <SEP> 0.056 As already mentioned above, there is a well-founded belief that other monohydric alcohols, if they are mixed with water in one suitable ratio can be used with success in the same way. However, economic and other considerations make them less interesting at present.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Verfahren zur Zementierung von Eisen und Stahl oder deren Legierungen in einer Gasatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Herstellung der Gasatmosphäre ein-en einwertigen aliphatischen Alkohol und Wasser in einer Menge von 5 bis 30 Volumprozenten des Alkohols in einem. Glühofen bei einer Temperatur zwischen 700 und 950 C krackt. UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass man der Alkohol- Wassermischung eine damit in allen Ver hältnissen mischbare stickstoffhaltige Flüssig keit zusetzt. 2. A method for cementing iron and steel or their alloys in a gas atmosphere, characterized in that one monohydric aliphatic alcohol and water in an amount of 5 to 30 percent by volume of the alcohol in one to produce the gas atmosphere. Annealing furnace cracks at a temperature between 700 and 950 C. SUBClaims 1. The method according to claim, characterized in that a nitrogen-containing liquid which is miscible in all proportions is added to the alcohol-water mixture. 2. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass man so viel Ammo niak zusetzt, um in der entstehenden At mosphäre einen Ammoniakgehalt von 2,5-7,5 Volumprozenten zu erhalten. 3. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass man in den Ofen Ammoniakgas einführt. 4. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass man Isopropyl- alkohol mit einem Wasserzusatz von 5-30 Volumprozänten benutzt. 5. Verfahren nach Patentanspruch und Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man 15 Volumprozente Wasserzusatz an wendet. A method according to claim, characterized in that sufficient ammonia is added to obtain an ammonia content of 2.5-7.5 percent by volume in the resulting atmosphere. 3. The method according to claim, characterized in that ammonia gas is introduced into the furnace. 4. The method according to claim, characterized in that isopropyl alcohol is used with a water addition of 5-30 percent by volume. 5. The method according to claim and dependent claim 5, characterized in that 15 percent by volume of water is added.
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