DD296967B5

DD296967B5 - Verfahren zur Vorbehandlung von Eisenwerkstoffoberflaechen fuer das Nitrieren in gasfoermigen ammoniakhaltigen Gasmischungen

Info

Publication number: DD296967B5
Application number: DD32635589A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Dr-Ing Lerche; Hartmut Dr-Ing Bombach
Original assignee: Ipsen Ind Int Gmbh
Priority date: 1989-03-08
Filing date: 1989-03-08
Publication date: 1995-11-16

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbehandlung von Eisenwerkstoffoberflächen für das Nitrieren in gasförmigen ammoniakhaltigen Gasmischungen zur Erzeugung von nitridhaltigen Randschichten.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bei der thermisch-chemischen Oberflächenbehandlung von Eisenwerkstoffen durch Nitrieren in gasförmigen ammoniakhaltigen Gasmischungen treten insbesondere bei mittleren und höheren Legierungsanteilen von Chrom oder Chrom und Nickel infolge von hemmend wirkenden Oberflächenzuständen Probleme bei der Erzeugung nitridhaltiger Randschichten in der Art auf, daß sich diese Werkstoffe nicht oder nur nach langer Behandlungsdauer und dann meist auch nur sehr ungleichmäßig nitrieren lassen. Für die Beseitigung dieser die Nitrierung in gasförmigen ammoniakhaltigen Gasmischungen hemmenden Oberflächenzustände wurde bisher eine Vielzahl von Lösungen vorgeschlagen. Sie betreffen mechanische oder chemische Vorbehandlungen (Sidan, H.: Nitrieren von rost-und säurebeständigen Stählen, Technische Rundschau [1966] Nr. 24, S.9-13; Nr.28 S.3-7; Nr.42 S.33-37 und 45; DE-AS 1275336; Gerscha, A., und H.G.Weidinger: Metalloberfläche 22 [1968], Heft 11, S.336-341), die Zugabe von Halogenverbindungen (DE 882097) bzw. Schwefelwasserstoff (DE-AS 1229814) zum Reaktionsgas, das Aktivieren der Reaktionsatmosphären durch Berührung des Nitriergases mit einer speziellen Paste (DE-OS 1521162), das Einbringen von Verbindungen in den Reaktionsraum (DE-OS 1521139-Trägermaterialien mit Aminosäuren bzw. Aminosalzen) und das Aufbringen von Überzügen aus Kupfer (Jones, B.: Stahl u. Eisen 58 [1938] S.40) bzw. Überzügen zum Freisetzen schichtzerstörender Verbindungen (DD 156 718-dichlormethan-aceton-haltige Polyvinylchloridlösung) oder zur Schichtumwandlung (DD 152 947- Konversionsschicht aus beispielsweise Ferrooxalat). Die Ergebnisse all dieser Verfahren zur Beseitigung der das Nitrieren in gasförmigen ammoniakhaltigen Gasmischungen hemmenden Oberflächenzustände sind unbefriedigend, da durch das jeweilige Verfahren keine generelle Wirkung bei allen Werkstoffen erreicht wird und die einzelnen

Methoden nicht reproduzierbar sind. Darüber hinaus erlauben beispielsweise Zusätze zum Reaktionsgas keine kontrollierte Prozeßführung oder sind Vorbehandlungen wie das kombinierte Bad/Gasnitrieren zu aufwendig.

Hemmende Oberftächenzustände infolge von fertigungsbedingten Rückständen auf zu nitrierenden Oberflächen bewirken ebenfalls die Ausbildung einer ungleichmäßigen nitridhaltigen Randschicht (Chatterjee-Fischer, R.: „Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen, Nitrieren und Nitrocarburieren", expert-Verlag, Sindelfingen, 1986, S. 267-276; Schreiner, A.: Härterei-Techn.-Mitt. 41 [1986] H.6, S.399-410). Die oftmals vorgeschlagene Maßnahme zur Beseitigung dieser Art von hemmenden Oberflächenzuständen durch eine dem Nitrieren in gasförmigen ammoniakhaltigen Gasmischungen vorangehende Oxidation der zu behandelnden Oberflächen oberhalb 300⁰C ist auch nur bedingt wirksam. Sie erfordert zudem einen zusätzlichen Arbeitsgang und verlängert bei einer Integration in den Prozeßablauf die Behandlungsdauer.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, durch Nitrieren in einer ammoniakhaltigen Gasmischung nitridhaltige Randschichten auch auf schwer nitrierbaren Eisenwerkstoffen zu erzeugen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, unterschiedlich verursachte, die thermisch-chemische Behandlung in gasförmigen ammoniakhaltigen Gasmischungen hemmende Oberflächenschichten einfach und umfassend zu beseitigen.

Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe dadurch gelöst, daß vor dem Nitrieren in gasförmigen ammoniakhaltigen Gasmischungen die zu nitrierenden Eisenwerkstoffoberflächen im entfetteten Zustand mit einer Mischung aus 0,1-0,9 Masseanteilen an Derivaten des Melamins (2,4,6-Triamino-1,3,5-triazin) und/oder organischen Verbindungen, die im Temperaturbereich von 100-600⁰C Derivate des Melamins bilden, und 0,9-0,1 Masseanteilen Carbonaten und/oder Hydrogencarbonaten beschichtet werden. Dabei wird pro cm² Eisenwerkstoffoberfläche >0,1 mg Beschichtungsmischung aufgetragen.

Als Derivate des Melamins werden Melamin selbst bzw. thermische Umwandlungsprodukte des Melamins, insbesondere Melam, Meiern und Melon, eingesetzt. Verbindungen, die im Temperaturbereich von 100-600⁰C Derivate des Melamins bilden, sind insbesondere Dicyandiamid und/oder Cyanamid. Als Carbonate werden Alkalicarbonate bzw. Erdalkalicarbonate, insbesondere Natriumcarbonat und Kaliumcarbonat bzw. Magnesiumcarbonat und Calciumcarbonat, und als Hydrogencarbonate Alkalihydrogencarbonate, insbesondere Natriumhydogencarbonat und Kaliumhydrogencarbonat, eingesetzt.

Das Beschichten der zu nitrierenden Oberfläche erfolgt beim Einsatz von wasserlöslichen Carbonaten und/oder Hydrogencarbonaten, insbesondere beim Einsatz von Natrium- und/oder Kaliumcarbonat und/oder Natrium- und/oder Kaliumhydrogencarbonat, und Melamin mit einer wäßrigen Lösung mit einer Temperatur von 20-100⁰C, die 0,005-0,06 Masseanteile Melamin und 0,005-0,01 Masseanteile Carbonate und/oder Hydrogencarbonate enthält, durch Tauchen, Spritzen oder Bestreichen. In diesem Falle ist es vorteilhaft, die beschichteten Oberflächen in eine niedrig siedende, mit Wasser mischbare organische Flüssigkeit, insbesondere in Ethanol, Methanol bzw. Aceton zu tauchen, um dadurch die Trocknung der Werkstoffoberfläche zu beschleunigen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß hemmende und die Gasnitrierung behindernde Oberflächenschichten durch eine einfache Beschichtung für das Gasnitrieren aktiviert werden. Dadurch ist es möglich, ansonsten schwer oder überhaupt nicht nitrierbare Eisenwerkstoffe, wie Chrom- und Chrom-Nickel-Stähle reproduzierbar mit einer nitridhaltigen Randschicht unter normalen Nitrierbedingungen zu versehen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand der folgenden 3 Beispiele näher erläutert werden:

Beispiel 1

Die geschliffenen Oberflächen von 2 Proben aus dem Stahl X45CrNiW 18.9 wurden nach dem Entfetten wie folgt vorbereitet:

Probe 1 — ohne Beschichtung

Probe 2 - durch zweimaliges Tauchen in einer wäßrigen Lösung, die 0,03 Masseanteile Melamin und 0,015 Masseanteile Natriumcarbonat und 0,015 Masseanteile Kaliumcarbonat enthält, bei einer Temperatur von 95°C und bei einer Tauchdauer von je 30 Sekunden wurde die Probe mit 1 mg Feststoff/cm² beschichtet. Nach jeder Tauchung wurde die Probe in Ethanol getaucht um damit die Trocknung zu beschleunigen.

Beide Proben wurden dann gemeinsam 18 Stunden lang bei einer Temperatur von 570⁰C bei einer Zusammensetzung der Nitriergasatmosphäre entsprechend der Nitrierkennzahl von 3 gasoxynitriert. Folgendes Nitrierergebnis wurde erreicht:

Probe 1 Probe 2

Nitrierhärtetiefe

h(kH + 50HV0,1)inmm - 0,1

Beispiel 2

Zwei Proben aus dem Stahl 38CrMoV21,14 im gehärteten und angelassenen Werkstoffzustand wurden unter Verwendung des Fertigungshilfsmittels KC20 beiderseitig geschliffen. Nach dem Entfetten in Perchlorethylen wurde sie wie folgt vorbereitet:

Probe 1 - ohne Beschichtung

Probe 2- durch dreimaliges Tauchen in einer wäßrigen Suspension von 0,045 Masseanteilen Melamin, 0,005 Masseanteilen Melon, 0,045 Masäeanteilen Natriumcarbonat und 0,005 Masseanteilen Kaliumhydrogencarbonat bei einer Temperatur der Suspension von 9O⁰C während einer Tauchdauer von je 20 Sekunden wurde die Probe mit 0,8 mg Feststoff/cm² beschichtet. Probe 1 und Probe 2 sind dann gemeinsam bei einer Temperatur von 550⁰C während 24 Stunden bei einer Zusammensetzung der Nitrieratmosphäre entsprechend der Nitrierkennzahl von 6 gasoxynitriert worden. Folgendes Nitrierergebnis wurde erreicht:

Probe 1 Probe

Oberflächenhärte HV10 621 855

Dicke der Verbindungsschicht

(VS) in цт 0-1 4

Nitrierhärtetiefe

h(kH + 50HV0,1)inmm 0,12 0,3

Beispiel 3

Die geschliffenen Oberflächen von 2 Proben aus dem Stahl X40Cr 13 wurden nach dem Entfetten wie folgt vorbereitet:

Probe 1 -ohne Beschichtung

Probe 2 - Durch das Spritzen einer heißen wäßrigen Lösung mit einem Gehalt an 0,03 Masseanteilen Dicyandiamid und 0,03 Masseanteilen Natriumkaliumcarbonat in der Zeit von 1 Minute und nachfolgendem Trocknen im 8O⁰C heißen Luftstrom wurden die Oberflächen mit 0,8 mg Feststoff/cm² beschichtet.

Beide Proben wurden dann gemeinsam 8 Stunden lang bei einer Temperatur von 59O⁰C bei einer Zusammensetzung der Nitriergasatmosphäre entsprechend der Nitrierkennzahl von 3 gasoxynitriert. Folgendes Nitrierergebnis wurde erreicht:

Probe 1 Probe

Nitrierhärtetiefe

h(kH + 50HV0,1)inmm 0,05 0,1

Claims

1. Verfahren zur Vorbehandlung von Eisenwerkstoffoberflächen für das Nitrieren in gasförmigen ammoniakhaltigen Gasmischungen, indem die Werkstoffoberflächen im entfetteten Zustand beschichtet werden, gekennzeichnet dadurch, daß die zu nitrierenden Eisenwerkstoffoberflächen mit einer Mischung aus 0,1-0,9 Masseanteilen an Derivaten des Melamins (2,4,6-Tria'mino-1,3,5-triazin) und/oder organischen Verbindungen, die im Temperaturbereich von 100-600⁰C Derivate des Melamins bilden, und 0,9-0,1 Masseanteilen Carbonaten und/oder Hydrogencarbonaten beschichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß pro cm² Eisenwerkstoffoberfläche >0,1 mg Beschichtungsmischung aufgetragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß Suspensionen aus Melaminderivaten und/oder Dicyandiamid und/oder Cyanamid und Carbonaten und/oder Hydrogencarbonaten in Wasser bzw. polaren organischen Lösungsmitteln, wie Methanol, Ethanol bzw. Aceton, zum Beschichten eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Derivate des Melamins Melamin selbst bzw. thermische Umwandlungsprodukte des Melamins, insbesondere Melam, Meiern und Melon eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Verbindungen, die im Temperaturbereich von 100-600⁰C Derivate des Melamins bilden, insbesondere Dicyandiamid und/oder Cyanamid eingesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Carbonate Alkalicarbonate bzw. Erdalkalicarbonate, insbesondere Natriumcarbonat und Kaliumcarbonat bzw. Magnesiumcarbonat und Calciumcarbonat, eingesetzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß als Hydrogencarbonate Alkalihydrogencarbonate, insbesondere Natriumhydrogencarbonat und Kaliumhydrogencarbonat, eingesetzt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß beim Einsatz von wasserlöslichen Carbonaten und/oder Hydrogencarbonaten und von Melamin mit einer wäßrigen Lösung mit einer Temperatur von 20-100°C, die 0,005-0,06 Masseanteile Melamin und 0,005-0,01 Masseanteile Carbonate und/oder Hydrogencarbonate enthält, durch Tauchen, Spritzen oder Bestreichen beschichtet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Melaminderivate und/oder Dicyandiamid und/oder Cyanamid und die Carbonate und/oder Hydrogencarbonate getrennt in abwechselnden dünnen Schichten auf die Eisenwerkstoffoberfläche aufgetragen werden.