DE1263447B

DE1263447B - Process for the production of a cyanate molten salt bath for the case hardening of steel

Info

Publication number: DE1263447B
Application number: DEG43871A
Authority: DE
Inventors: Robert Jacob Pietryka
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1964-06-15
Filing date: 1965-06-15
Publication date: 1968-03-14

Description

Verfahren zur Herstellung eines cyanathaltigen Salzschmelzbades für die Einsatzhärtung von Stahl Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines cyanathaltigen Salzschmelzbades mit Zusätzen an Alkali- und/oder Erdalkali-cyaniden und/oder -carbonaten und gegebenenfalls auch -halogeniden für die Einsatzhärtung von Stahl bei Temperaturen zwischen etwa 455 und 593'C.Process for the preparation of a cyanate molten salt bath for the case hardening of steel The invention relates to a method of manufacture a cyanate molten salt bath with additions of alkali and / or alkaline earth cyanides and / or carbonates and optionally also halides for case hardening of steel at temperatures between about 455 and 593'C.

Es ist bekannt, Werkstücke aus Stahl dadurch zu nitrieren, daß man sie bei Temperaturen zwischen etwa 500 und 600°C in ein Salzbad taucht, welches aus Cyanid und Cyanat besteht. Die Bäder enthalten normalerweise auch Alkalicarbonat und können auch noch Chlorid enthalten, um an wertvollem Canid und Cyanat zu sparen oder den Schmelzpunkt herabzusetzen. Zur besseren Durchmischung wird bei der Nitrierung durch das Bad Luft oder freien Sauerstoff enthaltendes Gas in feiner Verteilung hindurchgeleitet. Die Nitrierschicht auf der Oberfläche der Stahlwerkstücke verbessert die Dauerermüdungsfestigkeit und Verschleißfestigkeit.It is known to nitride workpieces made of steel in that one it is immersed in a salt bath at temperatures between about 500 and 600 ° C, which consists of cyanide and cyanate. The baths usually also contain alkali carbonate and can also contain chloride in order to save valuable canide and cyanate or lower the melting point. For better mixing, nitration is used through the bath air or gas containing free oxygen in fine distribution passed through. The nitriding layer on the surface of the steel workpieces is improved the fatigue strength and wear resistance.

Cyanat ist verhältnismäßig teuer, jedoch andererseits zum Nitrieren unbedingt erforderlich, so daß es bis jetzt in der Schmelze nicht gänzlich durch billigere Salze ersetzbar ist, obwohl dies höchst erwünscht wäre.Cyanate is relatively expensive, but on the other hand for nitriding absolutely necessary, so that until now it has not completely melted cheaper salts are substitutable, although this would be highly desirable.

Das Verfahren der Erfindung besteht nun darin, daß das Cyanat in der Schmelze in situ durch Reaktion von Harnstoff mit Alkali- und/oder Erdalkali-cyaniden und/oder -carbonaten gebildet wird.The method of the invention now consists in that the cyanate in the Melt in situ by reacting urea with alkali and / or alkaline earth cyanides and / or carbonates is formed.

Vorzugsweise wird der Harnstoff der Schmelze in geschmolzener Form oder in Form von harnstofff haltigem Salz zugesetzt. Die zuzusetzende Harnstoff= menge wird vorzugsweise so abgestimmt, daß die Cyanatsalzkonzentration im Bad letztendlich 10 bis 60 und besonders 25 bis 50 °/o beträgt.Preferably the urea is in molten form in the melt or added in the form of a urea-containing salt. The urea to be added = amount is preferably adjusted so that the cyanate salt concentration in the bath ultimately 10 to 60 and especially 25 to 50%.

Vorzugsweise wird auch bei der Einsatzhärtung unter Anwendung des Verfahrens der Erfindung das Salzschmelzbad durch Einblasen von Luft während der Zugabe des Harnstoffes in Bewegung gehalten. Ein bevorzugtes Salzbad ist eine Mischung aus Natriumcyanid und Kaliumcyanid, insbesondere aus 75 Gewichtsprozent Natriumcyanid und 25 Gewichtsprozent Kaliumcyanid. Vorzugsweise enthält das geschmolzene Salzbad auch Alkalichlorid und/oder Erdalkalichlorid.It is also preferred for case hardening using the Method of the invention the molten salt bath by blowing air during the Addition of urea kept moving. A preferred salt bath is a mixture from sodium cyanide and potassium cyanide, in particular from 75 percent by weight sodium cyanide and 25 weight percent potassium cyanide. Preferably the molten salt bath contains also alkali chloride and / or alkaline earth chloride.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn das zu härtende Stahlwerkstück 1 bis 5 Stunden in das Salzschmelzbad des Verfahrens der Erfindung getaucht wird.It has proven to be useful if the steel workpiece to be hardened Is immersed in the molten salt bath of the method of the invention for 1 to 5 hours.

Das Cyanat im Salzschmelzbad wird durch Reaktion zwischen dem Salzbad und den thermischen Zersetzungsprodukten von Harnstoff' bei der Schmelztemperatur des Bades gebildet. Dieses Cyanat gibt dann naszierenden Stickstoff ab, der die gewünschte Nitrierung der Werkstückoberfläche bewirkt. Die Zusammensetzung des Salzbades -muß derart sein, daß es bei oder unter der gewünschten Nitriertemperatur schmilzt, so daß es also flüssig ist und das Werkstück getaucht werden kann. Im allgemeinen sollte das Bad bei einer Temperatur zwischen 455 und 593°C und für die Einsatzhärtung der meisten Eisenlegierungen, SAE 1020- oder SAE 4027-Stahl zweckmäßigerweise bei einer Temperatur zwischen 510 und 593'C schmelzen. Die bevorzugte Betriebstemperatur des Verfahrens der Erfindung, die ja mit der Temperatur der Einsatzhärtung identisch ist, liegt zwischen 538 und 565'C.The cyanate in the molten salt bath is produced by reaction between the salt bath and the thermal decomposition products of urea at the melting temperature of the bath. This cyanate then gives off nascent nitrogen, which the causes the desired nitriding of the workpiece surface. The composition of the salt bath - must be such that it melts at or below the desired nitriding temperature, so that it is liquid and the workpiece can be immersed. In general the bath should be at a temperature between 455 and 593 ° C and for case hardening most iron alloys, SAE 1020 or SAE 4027 steel melt at a temperature between 510 and 593'C. The preferred operating temperature of the method of the invention, which is identical to the case hardening temperature is between 538 and 565'C.

Das Verfahren der Erfindung ist für die Anwendung bei der Einsatzhärtung von Stahl bestimmt, wobei allgemein eine Tauchzeit zwischen 1 und 5 Stunden brauchbar ist, je nach den anderen Verfahrensvariablen und der gewünschten Dicke der Nitrierschicht. Im allgemeinen steigt Dicke und Härte der Nitrierschicht mit zunehmender Tauchzeit.The method of the invention is for use in case hardening determined by steel, with an immersion time between 1 and 5 hours generally usable is, depending on the other process variables and the desired thickness of the nitriding layer. In general, the thickness and hardness of the nitrided layer increase with increasing immersion time.

Natriumcyanid und Kaliumcyanid werden als Cyanide zur Verwendung im Verfahren der Erfindung bevorzugt, und Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat und Bariumcarbonat sind bevorzugte Carbonate. Man kann jedoch auch Cyanide oder Carbonate von Lithium, Calcium oder Strontium in der Salzmasse verwenden, wenn man dies wünscht. Auch im Verfahren der Erfindung kann das Salzbad ferner ein anderes relativ billiges Salz oder mehrere solche Salze, wie Alkali- oder Erdalkali-chloride, z. B. Kaliumchlorid, Natriumchlorid, Bariumchlorid oder Calciumchlorid enthalten, um die Kosten zu verringern und den Schmelzpunkt des Bades herabzusetzen.Sodium cyanide and potassium cyanide are known as cyanides for use in Process of the invention preferred, and sodium carbonate, potassium carbonate and barium carbonate are preferred carbonates. However, one can also use cyanides or carbonates of lithium, Use calcium or strontium in the salt mass if you so wish. Even in the method of the invention, the salt bath can also be another relatively inexpensive one Salt or more such salts as alkali or alkaline earth chloride, e.g. B. Potassium Chloride, Include sodium chloride, barium chloride, or calcium chloride to reduce cost and lower the melting point of the bath.

Ein Beispiel für eine Salzmasse zur Verwendung in dem Verfahren der Erfindung ist eine Mischung von 75 Gewichtsprozent Natriumcyanid und 25 Gewichtsprozent Kaliumcyanid. Der Schmelzpunkt von Natriumcyanid liegt bei 557°C und der von Kaliumcyanid bei 632°C, während der Schmelzpunkt der 75: 25-Mischung nur 510°C beträgt und also niedrig genug ist, um eine Nitrierung von Stahlgegenständen ohne Auftreten von zu großen Verformungen zu ermöglichen.An example of a mass of salt for use in the method of the invention is a mixture of 75 weight percent sodium cyanide and 25 weight percent potassium cyanide. The melting point of sodium cyanide is at 557 ° C and of potassium cyanide at 632 ° C, while the melting point of the 75: 25 mixture only 510 ° C and is therefore low enough to nitriding steel articles without occurrence of excessive deformations enable.

Ein Bad, in dem das Cyanatsalz in sitze aus Harnstoff gemäß der Erfindung gebildet wird, ist billiger als ein Bad, dem ein Cyanatsalz als solches von Anfang an als Bestandteil zugesetzt ist, da Cyanatsalze relativ teuer sind. Das Verfahren der Erfindung stellt also eine relativ billige Methode zur Erzeugung von Nitrierschichten auf Stahlgegenständen dar und gestattet es, die Flüssignitrierung für viele Zwecke anzuwenden, für die sie wegen der relativ hohen Kosten der Cyanatsalze bisher als unwirtschaftlich angesehen worden sein mag. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf eine große Vielzahl von Stahlgegenständen anwenden, z. B. auf Flußstahlgetriebe und stählerne Kraftfahrzeug-Kurbelwellen, und führt in vielen Fällen zu einer größeren Verbesserung der Dauerermüdungsfestigkeit und Verschleißfestigkeit, als sie normalerweise mit den herkömmlichen Flüssignitrierverfahren oder durch Gasnitrierverfahren unter Verwendung von Ammoniak erzielt werden. Der Harnstoff kann zu der Salzmasse, z. B. der Mischung von Natriumcyanid und Kaliumcyanid, wie bereits erwähnt wurde, nach verschiedenen Verfahren zugesetzt werden, jedoch besteht die bevorzugte Methode darin, pulverisierten kristallinen Harnstoff direkt in die Salzmasse einzuführen, nachdem diese zu einem Schmelzbad geschmolzen worden ist. Da sich Harnstoff' schnell zersetzt und Ammoniak bei Temperaturen oberhalb seines Schmelzpunktes von 132°C entwickelt, erfolgt die Zugabe des Harnstoffes zu der geschmolzenen Salzmasse vorzugsweise langsam, um die Ammoniakentwicklung herabzusetzen und ein gefährliches Verspritzen des geschmolzenen Salzbades zu verhüten. Vorzugsweise wird das Schmelzbad bewegt, wenn der Harnstoff zugegeben wird, um eine bessere Verteilung des Harnstoffes in dem Bad zu erreichen: dies kann zweckmäßigerweise durch Hindurchleiten von trockener Luft durch das Bad bewirkt werden. Die Zugabe von Harnstoff direkt zu der geschmolzenen Salzmasse führt dazu, daß annähernd ein Fünftel des Gewichtes des Harnstoffes als Gewichtserhöhung in der resultierenden Salzbadzusammenset--zung erscheint.A bath in which the cyanate salt is made of urea according to the invention is cheaper than a bath containing a cyanate salt as such from the start is added as an ingredient because cyanate salts are relatively expensive. The procedure the invention thus provides a relatively cheap method for producing nitriding layers on steel objects and allows liquid nitriding for many purposes apply for which they have been considered so far because of the relatively high cost of the cyanate salts may have been viewed as uneconomical. The inventive method leaves apply to a wide variety of steel objects, e.g. B. on mild steel gear and steel motor vehicle crankshafts, and in many cases leads to a larger one Improve fatigue strength and wear resistance than they normally would with the conventional liquid nitriding process or by gas nitriding process under Use of ammonia can be achieved. The urea can be added to the salt mass, e.g. B. the mixture of sodium cyanide and potassium cyanide, as already mentioned, after can be added to various methods, but the preferred method is in introducing powdered crystalline urea directly into the salt mass, after it has been melted into a molten bath. Because urea 'moves up quickly decomposes and ammonia at temperatures above its melting point of 132 ° C developed, the urea is preferably added to the molten salt mass slowly in order to reduce the ammonia development and a dangerous splash to prevent the molten salt bath. Preferably the weld pool is moved when the urea is added to better distribute the urea in To reach the bath: this can be expediently achieved by passing through drier Air can be caused by the bath. The addition of urea directly to the melted Salt mass results in approximately one fifth of the weight of urea as An increase in weight in the resulting salt bath composition appears.

Eine zweite Methode zur Einführung von Harnstoff in die Salzmasse besteht darin, den Harnstoff gleichzeitig mit der Salzmasse zu schmelzen. Dieses Verfahren führt jedoch im allgemeinen zu einer geringeren Ausbeute als die direkte Zugabe, da nur etwa ein Zehntel des Gewichtes des zu der Salzmasse zugegebenen Harnstoffes als Gewichtszunahme in der resultierenden Salzbadzusammensetzung erscheint. Andere Methoden, die in dem Verfahren .der Erfindung zur Einführung von Harnstoff in die Salzbadzusammen-.setzung angewandt werden können, bestehen darin, den Harnstoff getrennt zu schmelzen und ihn in dieser Form zu der geschmolzenen Salzmasse zuzusetzen oder ein vorher zubereitetes harnstoffhaltiges Salz zu der geschmolzenen Salzmasse zuzugeben.A second method of introducing urea into the mass of salt consists in melting the urea at the same time as the mass of salt. This However, the process generally results in a lower yield than the direct one Addition, since only about a tenth of the weight of the urea added to the salt mass appears as a weight gain in the resulting salt bath composition. Other Methods used in the process of the invention for introducing urea into the Salt bath compositions can be used, are the urea to melt separately and add it in this form to the molten salt mass or a previously prepared urea-containing salt to the molten salt mass admit.

Nach der Zugabe des Harnstoffes zu einer Salzmasse, die Cyanid enthält, wie Natriumcyanid und/ C oder Kaliumcyanid, wird bei Temperaturen über 132't Ammoniak entbunden und Cyansäure gebildet. Die Cyansäure trimerisiert jedoch unter diesen Bedingungen sehr schnell zu der stabileren Cyanursäure oder reagiert mit überschüssigem Harnstoff zu Biuret nach folgenden Gleichungen: Wenn jedoch Harnstoff in kleinen Mengen zu einer realtiv großen Menge von überschüssigem geschmolzenem Cyanid zugesetzt wird, nimmt man an, daß wenig oder gar kein Biuret entsteht, da überschüssiger Harnstoff nicht anwesend ist und die geschmolzenen Cyanidsalze mit Cyansäure oder Cyanursäure reagieren und Cyanatsalze, wie Kaliumcyanat und Natriumcyanat, nach folgenden Gleichungen bilden: NaCN -I- HCNO Natriumcyanid Cyansäure NaCNO HCN Natriumcyanat Cyanwasserstoff KCN -f- HCNO Kaliumcyanid Cyansäure KCNO -[- HCN Kaliumcyanat Cyanwasserstoff Bei den allgemein in dem Verfahren angewandten Temperaturen wird der Cyanwasserstoff, der in dem geschmolzenen Salzbad entsteht, schnell zu Wasser, Stickstoff und Kohlendioxyd oxydiert, wodurch verhindert wird, daß Blausäure als solche aus dem Bad entweicht.After adding the urea to a salt mass that contains cyanide, such as sodium cyanide and / or potassium cyanide, ammonia is released and cyanic acid is formed at temperatures above 132 °. However, the cyanic acid trimerizes very quickly under these conditions to the more stable cyanuric acid or reacts with excess urea to form biuret according to the following equations: However, when urea is added in small amounts to a relatively large amount of excess molten cyanide, it is believed that little or no biuret is produced since excess urea is absent and the molten cyanide salts react with cyanic acid or cyanuric acid and cyanate salts such as potassium cyanate and sodium cyanate, form according to the following equations: NaCN -I- HCNO Sodium cyanide cyanic acid NaCNO HCN Sodium cyanate hydrogen cyanide KCN -f- HCNO Potassium cyanide cyanic acid KCNO - [- HCN Potassium cyanate hydrogen cyanide At the temperatures generally used in the process, the hydrogen cyanide generated in the molten salt bath is rapidly oxidized to water, nitrogen and carbon dioxide, thereby preventing hydrogen cyanide from escaping as such from the bath.

Die folgenden Beispiele (in denen sich alle Prozentangaben als Gewichtsprozent verstehen) erläutern die Erfindung näher. Beispiel 1 11,4 kg pulverisierter kristalliner Harnstoff wurden langsam bei einer Temperatur von 538°C zu 43,1 kg einer geschmolzenen Cyanidsalzmischung hinzugesetzt, die aus 75 Gewichtsprozent Natriumcyanid und 25 Gewichtsprozent Kaliumcyanid bestand. Die Analyse der resultierenden Salzbadzusammensetzung, deren Gewicht 45,4 kg betrug, ergab, daß das Bad 69 Gewichtsprozent Cyanidsalze und 24 Gewichtsprozent Cyanatsalze enthielt, während der Rest aus Natrium-und Kaliumcarbonat bestand. Als Teststück wurde ein Stab aus SAE 1020-Stahl, im nachfolgenden als Probe A bezeichnet, etwa 2 Stunden bei einer Temperatur von 565'C in dieses Salzbad eingetaucht. Nach dieser Behandlung wurde die Probe A aus dem Bad herausgenommen und sofort anschließend mit Wasser abgeschreckt. Darauf zeigte die Probe A eine gehärtete äußere Schicht (weiße Schicht) mit einer Dicke von etwa 0,0125 mm und einer Rockwell-C-Härte von 27 bis 46. Die Röntgenstrahlanalyse ergab, daß die Nitrierschicht in erster Linie aus a-Eisennitrid (s-Fe3N-Fe2N) und Eisennitrid (Fe4N) bestand, wozu noch eine kleinere Menge Eisencarbid (Fe3C) kam. Eine Diffusionszone, die unmittelbar an die äußere weiße Schicht angrenzt, war ebenfalls erkennbar. Dies zeigte, daß eine Eindringung von Fe4N-Nadeln in den Kern der Probe A bis zu einer Tiefe von etwa 0,43 bis etwa 0,51 mm eingetreten war.The following examples (in which all percentages are percentages by weight understand) explain the invention in more detail. Example 1 11.4 kg of powdered crystalline Urea was slowly melted at a temperature of 538 ° C to 43.1 kg of a Added cyanide salt mixture, which consists of 75 percent by weight sodium cyanide and 25 Weight percent potassium cyanide consisted. The analysis of the resulting salt bath composition, whose weight was 45.4 kg, indicated that the bath was 69 percent by weight of cyanide salts and 24 percent by weight Contained cyanate salts while the rest were off Sodium and potassium carbonate consisted. A rod made of SAE 1020 steel, hereinafter referred to as sample A, about 2 hours at a temperature of 565'C immersed in this salt bath. After this treatment, sample A became off taken out of the bath and immediately quenched with water. Pointed to it Sample A has a hardened outer layer (white layer) with a thickness of about 0.0125 mm and a Rockwell C hardness of 27 to 46. X-ray analysis showed that the nitride layer consists primarily of a-iron nitride (s-Fe3N-Fe2N) and iron nitride (Fe4N), to which a smaller amount of iron carbide (Fe3C) was added. A diffusion zone, which is immediately adjacent to the outer white layer was also recognizable. this showed that a penetration of Fe4N needles into the core of sample A up to a Depth of about 0.43 to about 0.51 mm.

Wie bereits gesagt, kann die Salzmasse des geschmolzenen Salzbades an Stelle von einem oder mehreren Cyanidsalzen wie im Beispiel 1 auch ein oder mehrere Alkali- und/oder Erdalkali-carbonate enthalten. Diese Carbonate reagieren in einer geschmolzenen Salzmischung ebenfalls mit den Zersetzungsprodukten von Harnstoff zu Cyanatverbindungen, die die gewünschte Nitrierwirkung zeigen. Außerdem können diese carbonathaltigen Salzbäder noch billiger sein als die cyanidhaltigen Bäder, da die Carbonate im allgemeinen weniger als die Cyanide kosten. Die chemischen Reaktionen, die auftreten, wenn Harnstoff zu einer Salzmischung mit Natriumcarbonat zugesetzt wird, sind wie folgt: Beispie12 Eine Salzmischung aus 50 Gewichtsprozent Natriumcarbonat und 50 Gewichtsprozent Kaliumchlorid mit einem Schmelzpunkt von etwa 510°C wurde gemäß der Erfindung zur Bildung eines Flüssignitriersalzbade5 verwendet, indem pulverisierter kristalliner Harnstoff direkt zu der geschmolzenen Salzmischung zugesetzt wurde. Das Kaliurnchlorid wurde in das Bad aufgenommen, um dessen Schmelztemperatur herabzusetzen, da Natriurncarbonat bei etwa 850'C schmilzt. Die Menge des zu diesem geschmolzenen Salzgemisch bei etwa 538'C zugesetzten Harnstoffes reichte aus, um zu einer resultierenden Badzusamrnensetzung zu führen, die 30 Gewichtsprozent Natriumcyanat,15 Gewichtsprozent Natriumearbonat, 50 Gewichtsprozent Kaliumchlorid und 5 Gewichtsprozent Natriumcyanid enthielt.As already stated, the salt mass of the molten salt bath can also contain one or more alkali and / or alkaline earth carbonates instead of one or more cyanide salts as in Example 1. In a molten salt mixture, these carbonates also react with the decomposition products of urea to form cyanate compounds, which show the desired nitriding effect. In addition, these carbonate-containing salt baths can be even cheaper than the cyanide-containing baths, since the carbonates generally cost less than the cyanides. The chemical reactions that occur when urea is added to a salt mixture with sodium carbonate are as follows: Example12 A salt mixture of 50 percent by weight sodium carbonate and 50 percent by weight potassium chloride with a melting point of about 510 ° C was used according to the invention to form a liquid nitrating salt bath5 by adding powdered crystalline urea directly to the molten salt mixture. The potassium chloride was added to the bath in order to lower its melting temperature, since sodium carbonate melts at about 850 ° C. The amount of urea added to this molten salt mixture at about 538 ° C. was sufficient to result in a resultant bath composition containing 30 weight percent sodium cyanate, 15 weight percent sodium carbonate, 50 weight percent potassium chloride, and 5 weight percent sodium cyanide.

Ein Teststück, im nachstehenden als Probe B bezeichnet, nämlich ein Stab aus Stahl SAE 1020 mit den gleichen Abmessungen wie Probe A, wurde 2 Stunden bei einer Temperatur von 565°C in dieses Bad eingetaucht. Nach dieser Behandlung wurde die Probe B aus dem Bad entfernt und sofort abgeschreckt. Die so behandelte Probe B zeigte eine gehärtete äußere Schicht (»weiße Schicht«) mit einer Dicke von etwa 0,0125 mm und einer Rockwell-C-Härte von 24 bis 50.A test piece, hereinafter referred to as Sample B, namely a Bar made of steel SAE 1020 with the same dimensions as sample A, was 2 hours immersed in this bath at a temperature of 565 ° C. After this treatment Sample B was removed from the bath and immediately quenched. The treated like that Sample B showed a hardened outer layer ("white layer") with a thickness of about 0.0125 mm and a Rockwell C hardness of 24 to 50.

Die Röntgenstrahlanalyse ergab, daß die Nitrierschicht hauptsächlich aus --Eisennitrid (E-Fe3N-Fe2N) und Eisennitrid (Fe4N) bestand, wozu noch eine kleinere Menge Eisencarbid (Fe3C) kam.The X-ray analysis revealed that the nitriding layer was mainly consisted of iron nitride (E-Fe3N-Fe2N) and iron nitride (Fe4N), plus a smaller one Amount of iron carbide (Fe3C) came.

Ferner wurde eine Diffusionszone unmittelbar an der Nitrierschicht angrenzend festgestellt. Dies zeigte, daß Fe4N-Nadeln in den Kern der Probe B bis zu einer Tiefe von etwa 0,43 bis 0,46 mm eingedrungen waren. Der erzielte Einsatzhärtungseffekt war also sehr ähnlich wie bei Probe A unter Verwendung der gleichen Verfahrensbedingungen von Temperatur, Eintauchzeit und Abkühlungsbehandlung wie im Beispiel 1.Furthermore, a diffusion zone was created directly on the nitrided layer noted adjacent. This showed that Fe4N needles into the core of sample B bis penetrated to a depth of about 0.43-0.46 mm. The case hardening effect achieved so was very similar to Sample A using the same process conditions of temperature, immersion time and cooling treatment as in Example 1.

Der Einsatzhärtungseffekt, der bei einem Stahlgegenstand durch das Verfahren der Erfindung erzielt werden kann, kann je nach den gewünschten Resultaten und den angewandten Verfahrensbedingungen, wie Zusammensetzung des Gegenstandes, Zusammensetzung des Bades, Badbetriebstemperatur und Kontaktzeit von Gegenstand und Bad, beträchtlich variiert werden. Außerdem können Nitrierbadzusammensetzungen, die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, auch von Anfang an sowohl Cyanide als auch Carbonate vor der Zugabe des Salzes enthalten.The case hardening effect that is created on a steel object by the The method of the invention can be achieved depending on the results desired and the procedural conditions used, such as the composition of the object, Composition of the bath, bath operating temperature and contact time of the object and bath, can be varied considerably. In addition, nitriding bath compositions, which are used for the method according to the invention, both from the start Contain cyanides as well as carbonates before adding the salt.

Höhere Verfahrenstemperaturen innerhalb des vorgenannten Arbeitstemperaturbereiches von 510 bis 593'C führen gewöhnlich zu einer Erhöhung der Härte der Schicht. Außerdem verstärken höhere Verfahrenstemperaturen allgemein die Haftung der Schicht und erhöhen die Dauerermüdungsfestigkeit des Gegenstandes, weil die Diffusionsgeschwindigkeit von Stickstoff in den Kern des Gegenstandes unter der äußeren Schicht oder »weißen Schicht« erhöht wird. Im allgemeinen werden die Härte und die Dicke der Nitrierschicht mit steigender Cyanatkonzentration in dem Flüssignitrierbad ansteigen, weil die Geschwindigkeit des Eindiffundierens von Stickstoff in den Stahlgegenstand erhöht ist. Auch nimmt die Bildung von Eisencarbid im allgemeinen mit der Erhöhung der Cyanatkonzentration in dem Bad ab.Higher process temperatures within the aforementioned working temperature range from 510 to 593 ° C usually leads to an increase in the hardness of the layer. aside from that Higher process temperatures generally strengthen the adhesion of the layer and increase it the fatigue strength of the object because of the rate of diffusion of nitrogen in the core of the object under the outer layer or »white Layer «is increased. In general, the hardness and the thickness of the nitriding layer increase with increasing cyanate concentration in the liquid nitriding bath, because the Increased the rate of diffusion of nitrogen into the steel object is. The formation of iron carbide also generally decreases with the increase in the Cyanate concentration in the bath.

Um den Einfluß der Cyanatkonzentration in der Badzusammensetzung auf die Eigenschaften der Nitriersehicht an einem Stahlgegenstand zu zeigen, wurden drei verschiedene SAE 1020-Stahl-Proben einerFlüssignitrierung gemäß der Erfindung unterworfen, wobei das Salzbadgemisch aus 75 Gewichtsprozent Natriumcyanid und 25 Gewichtsprozent Kaliumcyanid nach Beispiel 1 benutzt wurde, jedoch jeweils mit einer anderen Konzentration an Cyanatverbindungen. Die Konzentration an Natriumcyanat und Kaliumeyanatverbindungen, die in den einzelnen Bädern bei Zugabe verschiedener Harnstoffmengen gebildet wurden, betrugen 25, 35 bzw. 50 °/o des Gewichtes der resultierenden Badzusammensetzungen, und jede Probe wurde etwa 2 Stunden in das betreffende Bad bei einer Temperatur von etwa 565°C eingetaucht und anschließend mit Wasser abgeschreckt. Es wurde gefunden, daß ein Bad mit etwa 35 Gewichtsprozent Cyanatsalz zu einer optimalen Stickstoffeindringung in die Probe aus SAE 1020-Stahl führte. Jedoch nimmt die Porosität der weißen Schicht im allgemeinen mit der Cyanatkonzentration zu, wenn sie auch bei den Bädern mit 25 und 35 °/o Cyanat nicht wesentlich war. Die Einflüsse der Cyanatkonzentration in den obengenannten Bädern auf die Einsatzhärtungseigenschaften, die diesen drei Proben erteilt wurden, sind in der nachstehenden Tabelle I zusammengefaßt: Tabelle I Cyanat- »Weiße konzen- »Weiße Schicht« Tiefe der Diffu- tration Schicht« sionszone (Gewichts- (Dicke) Härte in prozent) nun RockwellC mm 250/0 0,0125 27 bis 46 0,432 bis 0,0178 bis 0,508 350/0 0,0178 23 bis 53 0,508 bis 0,0203 bis 0,559 500/0 0,0457 22 bis 50 0,279 bis 0,305 Die nachstehende Tabelle II zeigt die Zusammensetzung der Nitrierschichten auf diesen drei Proben in Anteilen der Schichtbestandteile als Funktion der Cyanatkonzentration in den Bädern. Tabelle II Cyanatkonzen- tration Fe4N e - Fe3N - Fe2N Fe3C (Gewichts- prozent) 25-/0 2,81 7,69 0,09 350/0 4;34 8,00 - 500/, 3,69 8,81 - Bei der Durchführung der Flüssignitrierung nach der Erfindung wird vorzugsweise trockene Luft durch die Salzbadzusammensetzung hindurchgeblasen, um das Bad zu bewegen und die Prozeßzykluszeit zu verringern. Versuche haben gezeigt, daß die Salzbadzusammensetzungen, die in dem Verfahren der Erfindung verwendet werden, ihre Nitrierfähigkeiten relativ lange bewahren, wenn auch die Bäder, die hauptsächlich Cyanide enthalten, eine längere effektive Badlebensdauer haben, als Bäder, die hauptsächlich Carbonate enthalten. Die Nitrieraktivität der Badzusammensetzung kann zu beliebiger Zeit während desVerfahrens durch Zugabe von mehr Harnstoff' wiederhergestellt werden. Nachdem der Gegenstand aus dem geschmolzenen Salzbad entfernt ist, kann er auf verschiedene Weise abgekühlt werden. Man kann beispielsweise mit Wasser, mit Öl oderKaltluft abschrecken, um die einsatzgehärteten Gegenstände abzukühlen, was von Größe, Form und Zusammensetzung des Gegenstandes abhängt.In order to show the influence of the cyanate concentration in the bath composition on the properties of the nitrate layer on a steel object, three different SAE 1020 steel samples were subjected to liquid nitriding according to the invention, the salt bath mixture of 75 percent by weight sodium cyanide and 25 percent by weight potassium cyanide according to Example 1 being used , but each with a different concentration of cyanate compounds. The concentration of sodium cyanate and potassium eyanate compounds formed in the individual baths when various amounts of urea were added were 25, 35 and 50%, respectively, of the weight of the resulting bath compositions, and each sample was immersed in the bath at a temperature of for about 2 hours immersed at about 565 ° C and then quenched with water. It was found that a bath of about 35 weight percent cyanate salt resulted in optimal nitrogen penetration into the SAE 1020 steel sample. However, the porosity of the white layer generally increases with the cyanate concentration, although it was not significant for the baths with 25 and 35% cyanate. The effects of the cyanate concentration in the above baths on the case hardening properties given to these three samples are summarized in Table I below: Table I. Cyanate- »whiteness Concentric "white layer" depth of diffusion tration layer «sion zone (Weight (thickness) hardness in percent) now RockwellC mm 250/0 0.0125 27 to 46 0.432 to 0.0178 to 0.508 350/0 0.0178 23 to 53 0.508 to 0.0203 to 0.559 500/0 0.0457 22 to 50 0.279 to 0.305 Table II below shows the composition of the nitriding layers on these three samples in proportions of the layer components as a function of the cyanate concentration in the baths. Table II Cyanate concentrate tration Fe4N e - Fe3N - Fe2N Fe3C (Weight percent) 25- / 0 2.81 7.69 0.09 350/0 4; 34 8.00 - 500 /, 3.69 8.81 - In performing liquid nitriding in accordance with the invention, it is preferred to blow dry air through the salt bath composition to agitate the bath and reduce process cycle time. Experiments have shown that the salt bath compositions used in the process of the invention retain their nitriding capabilities for a relatively long time, although the baths containing mainly cyanides have a longer effective bath life than baths containing mainly carbonates. The nitriding activity of the bath composition can be restored at any time during the process by adding more urea. After the object is removed from the molten salt bath, it can be cooled in a number of ways. You can, for example, quench with water, oil or cold air to cool the case-hardened objects, depending on the size, shape and composition of the object.

Um die Verbesserungen der Verschleißfestigkeit und der Dauerermüdungsfestigkeit zu zeigen, die einem Stahlgegenstand bei der Einsatzhärtung unter Anwendung des Verfahrens der Erfindung erteilt werden können, wurden Verschleiß- und Ermüdungsteste an den vorgenannten Proben A und B, die gemäß der Erfindung einsatzgehärtet worden waren, einem unbehandelten Stab aus SAE 1020-Stahl, im nachstehenden als Probe C bezeichnet, und einem Stab aus SAE 1020-Stahl, der im nachstehenden als Probe D bezeichnet wird und nach einem herkömmlichen Flüssignitrierverfahren einsatzgehärtet worden war, durchgeführt. Alle Proben wurden den gleichen Untersuchungsbedingungen unterworfen.About the improvements in wear resistance and fatigue strength to show the case hardening of a steel object using the Methods of the invention that can be given have been wear and fatigue tests on the aforementioned samples A and B, which have been case-hardened according to the invention were, an untreated bar made of SAE 1020 steel, in the following as sample C and a rod made of SAE 1020 steel, hereinafter referred to as Sample D and case-hardened using a conventional liquid nitriding process had been carried out. All samples were subjected to the same test conditions subject.

Probe D war bei einer Temperatur von 565°C etwa 2 Stunden unter Verwendung eines herkömmlichen Flüssignitriersalzbades einsatzgehärtet worden, welches etwa 45 Gewichtsprozent einer 75: 25-Mischung von Natriumcyanid und Kaliumcyanid und etwa 30 Gewichtsprozent einer 75: 25-Mischung von Natriumcyanat und Kaliumcyanat enthielt, während der Rest aus etwa 10 Gewichtsprozent Carbonat und 15 Gewichtsprozent Kaliumchlorid bestand. Probe D wurde dann aus dem Bad herausgenommen und sofort mit Wasser abgeschreckt. Es wurden also die gleichen Verfahrensbedingungen von Zeit, Temperatur und Abkühlungsbehandlung wie bei den beiden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einsatzgehärteten Proben A und B auch zur Einsatzhärtung von Probe D angewandt, und nur die für Probe D benutzte Flüssignitrier-Badzusammensetzung enthielt die relativ teuren Cyanatsalze von Anfang an. Die weiße Schicht, die der Probe D nach diesem konventionellen Flüssignitrierverfahren erteilt wurde, hatte eine Dicke von etwa 0,0101 mm, eine Rockwell-C-Härte von etwa 27 bis 45 und eine Stickstofldiffusionszone mit einer Tiefe von etwa 0,432 bis 0,457 mm.Sample D had been case cured at a temperature of 565 ° C for about 2 hours using a conventional liquid nitriding salt bath containing about 45 weight percent of a 75:25 mixture of sodium cyanide and potassium cyanide and about 30 weight percent of a 75:25 mixture of sodium cyanate and potassium cyanate while the remainder consisted of about 10 weight percent carbonate and 15 weight percent potassium chloride. Sample D was then removed from the bath and immediately quenched with water. The same process conditions of time, temperature and cooling treatment as for the two case-hardened samples A and B according to the method according to the invention were also used for the case-hardening of sample D, and only the liquid nitriding bath composition used for sample D contained the relatively expensive cyanate salts from the start at. The white layer imparted to Sample D by this conventional liquid nitriding process had a thickness of about 0.0101 mm, a Rockwell C hardness of about 27 to 45, and a nitrogen diffusion zone about 0.432 to 0.457 mm deep.

Alle Proben hatten die gleichen Abmessungen, und die Verschleißprüfungen wurden unter Verwendung eines Untersuchungsverfahrens durchgeführt, bei dem jede Probe stationär gegen ein gleichförmig mit 145 Umdrehungen pro Minute rotierendes Gußeisen-Reibrad von 198 mm Durchmesser etwa 18 Stunden unter einer mittleren Oberflächenbelastung von etwa 35,2 kg gedrückt wurde. Der Gewichtsverlust in Milligramm, der an den Probestücken am Ende dieser Zeit unter den genannten Versuchsbedingungen gemessen wurde, zeigt die relative Verschleißfestigkeit der Probe an, und die Resultate dieser Verschleißteste sind in der nachstehenden Tabelle III zusammengefaßt: Tabelle III Gewichtsverlust in Milligramm Probe A ..................... 6,0 Probe B :.................... 5,8 Probe C ..................... 179,5 Probe D ..................... 6,2 Die vorstehenden Testergebnisse zeigen, daß die Proben A und B, die nach dem Verfahren der Erfindung einsatzgehärtet wurden, etwas bessere Verschleißfestigkeit als Probe D hatten, die nach dem vorgenannten herkömmlichen Flüssignitrierverfahren einsatzgehärtet worden war.All samples were of the same dimensions and the wear tests were conducted using a test procedure in which each sample was stationary against a cast iron friction wheel 198 mm in diameter rotating uniformly at 145 revolutions per minute for about 18 hours with an average surface load of about 35.2 kg was pressed. The weight loss in milligrams measured on the specimens at the end of this time under the stated test conditions indicates the relative wear resistance of the specimen, and the results of these wear tests are summarized in Table III below: Table III Weight loss in milligrams Sample A ..................... 6.0 Sample B: .................... 5.8 Sample C ..................... 179.5 Sample D ..................... 6.2 The foregoing test results indicate that Samples A and B case hardened by the method of the invention had slightly better wear resistance than Sample D which was case hardened by the aforementioned conventional liquid nitriding process.

Ermüdungsteste wurden ebenfalls an den Proben A, B, C, und D unter Anwendung derselben Testbedingungen in einer konventionellen Prüfmaschine (Budd-Tatnall-Krouse) durchgeführt. Diese Prüfmaschine arbeitet mit drehender Welle und hat eine mit 90,7 kg belastete Ausladung. Alle Proben wurden etwa 6000mal pro Minute gebogen, um eine maximale Belastung von 5372 kg/cmz im Mittelpunkt der Teststangen zu erzielen. Die Proben wurden bis zum Bruch diesen Testbedingungen unterworfen, und die Anzahl der Belastungen bei jeder Probe bis zum Bruch zeigt die relative Ermüdungsfestigkeit der Probe an. Die Testergebnisse unter den vorgenannten Untersuchungsbedingungen sind in Tabelle IV zusammengefaßt. Tabelle IV Anzahl der Belastungen bis zum Bruch Probe A ..................... 536000 Probe B ..................... 2500100 Probe C ..................... 15700 Probe D ..................... 207100 Die vorstehenden Testergebnisse zeigen an, daß die Ermüdungsfestigkeit von Probe A und B durch das erfindungsgemäße Flüssignitrierverfahren erheblich verbessert worden war, verglichen mit den Ergebnissen, die an den Proben C und D erhalten wurden. Ferner ist im Fall von Probe B das Ergebnis sehr viel besser als das bei Probe D, welche nach einem herkömmlichen Flüssignitrierverfahren einsatzgehärtet worden war.Fatigue tests were also carried out on samples A, B, C, and D using the same test conditions in a conventional testing machine (Budd-Tatnall-Krouse). This testing machine works with a rotating shaft and has an overhang loaded with 90.7 kg. All samples were flexed about 6000 times per minute to achieve a maximum load of 5372 kg / cm2 at the center of the test bars. The specimens were subjected to these test conditions to break, and the number of times each specimen was stressed to break indicates the relative fatigue strength of the specimen. The test results under the aforementioned test conditions are summarized in Table IV. Table IV number of loads until it breaks Sample A ..................... 536000 Sample B ..................... 2500100 Sample C ..................... 15700 Sample D ..................... 207100 The above test results indicate that the fatigue strength of Samples A and B was significantly improved by the liquid nitriding method of the present invention as compared with the results obtained on Samples C and D. Furthermore, in the case of sample B, the result is much better than that of sample D, which was case-hardened using a conventional liquid nitriding process.

Claims

Claims: 1. Process for the production of a cyanate Molten salt bath with additions of alkali and / or alkaline earth cyanides and / or carbonates and optionally also halides for case hardening of steel at temperatures between about 455 and 593 ° C, characterized in that the cyanate is in the melt in situ by reaction of urea with alkali and / or alkaline earth cyanides and / or carbonates is formed.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the urea is added to the melt in molten form.

3. Procedure according to claim 1 or 2, characterized in that the urea of the melt in The form of a urea-containing salt is added.

4. Procedure according to one of the preceding claims, characterized in that the amount of urea to be added is adjusted so that the cyanate salt concentration in the bath is 10 to 60 and especially from 25 to 50%.