DE2105549C3 - Verfahren zum Gasnitrieren von Eisen und Eisenlegierungen - Google Patents
Verfahren zum Gasnitrieren von Eisen und EisenlegierungenInfo
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Description
55
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gasnitrieren von Eisen und Eisenlegierungen, vorzugsweise
in dissoziierendem Ammoniak, unterhalb der Ä-y-Umwandlung des Systems Eisen-Stickstoff.
Bei den Nitrierverfahren wird die Oberfläche der Werkstücke mit Stickstoff angereichert. Dabei wird
mindestens so viel Stickstoff zugeführt, daß die Sättigung der Oberfläche mit Stickstoff gewährleistet
ist. Dies führt zur Ausbildung einer Nitrierschicht, die aus zwei Zonen besteht: einer äußeren Verbindungszo- f>s
ne und einer darunter liegenden Diffusions- bzw. Mischkristallzone. Die Verbindungszone besteht aus
einer mit Stickstoff gesättigten Schicht von Metallnitriden, während in der Diffusionszone der Stickstoff je
nach Abkühlungsbedüigungen in gelöster oder ausgeschiedtner
Form in der Grundmasse vorliegt
Das Gasnitrieren spezieller Nitrierstähle wird gewöhnlich über eine Zeit von etwa 40-80 Stunden bei
Temperaturen unterhalb der «-y-Umwandlung im
System FeN in einer Atmosphäre aus teilweise dissoziiertem Ammoniak durchgeführt. Durch eine
zweckmäßige Legierung dieser Stähle wird über die Bildung von Sondernitriden eine sehr hohe Härte
erreicht Die Verbindungszone dieser Stähle eignet sich wegen ihrer Sprödigkeit jedoch nicht als Verschleißschicht
und wird in den meisten Fällen wieder abgetragen. Eine Ausdehnung dieses Verfahrens zur
Nitrierung unlegierter und niedrig legierter Stähle zur Verschleißverbesserung konnte sich besonders aufgrund
der spröden Verbindungszone nicht durchsetzen.
Bekannt ist das Karbonitrierverfahren (z. B. nach
US-PS 21 51 190) bei dem ein Nitriergas und ein Kohlungsgas gleichzeitig in die Glühzone eines
Härteofens eingeleitet werden, und bei welchem der Kohlenstoffanteil höher ist als der Stickstoffan'eil. Das
bekannte Verfahren wird oberhalb der Umwandlungstemperatur im System Eisen-Kohlenstoff (oberhalb
723°C) durchgeführt. Die gewünschte Hä-te der Oberflächenschicht wird durch Abschrecken unter
Martensitbildung erzielt. Das bekannte Verfahren stellt
eine Umwandlungshärtung dar und ist aufgrund seines abweichenden Bildungsmechanismus mit den Nitrierverfahren
nicht vergleichbar. Die Umwandlung bedingt außerdem einen erhöhten Verzug der Werkstücke.
Das bekannte Verfahren der Badnitrierung unlegierter und niedrig legierter Stähle wird in einer
cyanid-cyanat-haltigen Salzschmelze bei Temperaturen um 5700C, vorzugsweise unter Einblasen von Luft in das
Nitrierbad durchgeführt. Die dabei entstehende Verbindungszone weist gegenüber der im reinen Ammoniakgiisstrom
erzeugten Schicht eine wesentlich verbesserte Zähigkeit bei guter Verschleißfestigkeit und geringer
Freßneigung bei trockener Reibung auf. Dies wird auf die Unterschiedlichkeit der chemischen Zusammensetzung
der erzeugten Nitrierschichten zurückgeführt, vor allem auf den Einfluß des beim Badnitrieren durch
Zerfall des Alkalicyanats der Stahloberl'läche gleichzeitig angebotenen Kohlenstoffes.
Die Verbindungszone besteht beim Badnitrieren aus einer stickstoff- und kohlenstoffhaltigen Phase mit
£-Nitrid-gitter (ε-Karbonitrid) und einem gewissen Sauerstoffgehalt. Das Badnitrieren hat jedoch den
Nachteil, daß nur eine begrenzte Nitrierdauer möglich ist, da mit zunehmender Nitrierzeit die Eigenschaften
der Verbindungszone von innen nach außen schlechter werden. Durch die Störung des Gitterverbandes wird
nämlich nach längerer Nitrierzeit eine poröse bis schwammige Schicht aufgebaut, wie es am Härteverlauf
durch die Verbindungszone feststellbar ist. Außerdem führt die zwischen Salzschmelze und Eisen in Verbindung
mit dem Stickstoff- und Kohlenstoffübergang an der Grenzfläche stattfindende Reaktion über eine
Oberflächenaufrauhung bis zum Werkstoffabtrag, so daß es nur begrenzt möglich ist, durch Verlängerung der
Nitrierzeit die Diffusionszone zu verstärken, ohne daß eine Nacharbeit, z. B. ein Nachpolieren der Oberfläche
notwendig ist. Desweiteren ist das Nitrierbad außerordentlich giftig, und somit sind aufwendige Schutzmaßnahmen,
eine Reinigung der Teile, eine Entgiftung der Abwasser und eine sorgfältige Ausbildung; des Bedienungspersonals
erforderlich.
Das Nitrieren in einer Gasatmosphäre weist neben einer sauberen Gberflächenbeschaffenheit vor allem die
an sich bekannten Vorteile einer leichten Steuerung der Verfahrensführung mit der Möglichkeit der beliebigen
Mischbarkeit verschiedener Gase auf.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Gasnitrieren von Eisen und Eisenlegierungen
vorzugsweise in dissoziierendem Ammoniak unterhalb der a-y-Umwandlung des Systems Eisen-Stickstoff zu
schaffen, welches die Nachteile der bekannten Nitrierverfahren vermeidet und mit dem auch die an
badnitrierten Teilen erzielte hohe Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit sowie die geringe Freßneigung
und ausreichende Zähigkeit der Verbindungszone erreicht werden.
Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst, wonach in einem
1. Verfahrensschritt das Nitriergas allein zugeführt wird und in einem 2. Verfahrensschritt ein Kohlenstoff
abgebendes Mittel dem Gas beigemischt wird.
Als kohlenstoffabgebende Medien können beispielsweise Amine, vorzugsweise Monomethylamin CH3NH2
verwendet werden. Das kohlenstoffabgebende Medium kann in Form von Gas und/oder Flüssigkeit einzeln oder
gemischt dem Nitriergas zugesetzt werden. Der Anteil an Monomethylamin beträgt 10 bis 20 Volumenprozent
des Nitriergases. Bei anderen Kohlenstoffabgebenden Medien werden äquivalente Kohlenstoffanteile über die
Gasmenge zugeführt. Der Anteil an kohlenstoffabgebenden Medien sollte während der Kohlenstoffdiffusion
bezogen auf die Zeit oder die Menge des Nitriergases etwa konstant gehalten werden.
Nach Ablauf des ersten und zweiten Verfahrensschrittes kann düs Verfahren mit den Stufen 1 und 2
gegebenenfalls mehrfach nacheinander, und/oder als Abschluß die erste Verfahrensstufe wiederholt werden.
Um ein Langzeitnitrieren ohne eine zu starke Ausbildung der Verbindungszone zu ermöglichen, soll
jeweils bei Wiederholung der zweiten Verfahrensstufe der Ammoniak-Dissoziationsgrad χ höher sein als beim
erstmaligen Durchfahren der zweiten Verfahrensstufe, beispielsweise λ größer als 0,3 entsprechend einem Rest
NH3-Gehalt unter 54%. Der Verfahrensablauf wird zweckmäßigerweise mittels einer Regeleinrichtung
gesteuert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht nur möglich, die an sich durch ein Gas- oder
Badnitrierverfahren gegebenen Vorteile auszunutzen, sondern auch die Nitrierschicht in ihrer chemischen
Zusammensetzung und damit auch die daraus resultierenden Eigenschaften zu variieren.
Durch das Verfahren wird bei Temperatur um 570° C
im teilweise dissoziierten Ammoniak in der 1. Stufe bevorzugt die Ausbildung einer Verbindungszone
eingeleitet Hierbei wirkt sich die hohe Bildungsgeschwindigkeit des kohlenstofffreien ε-Nitrids günstig
aus. Nach Ausbildung einer ausreichenden Verbindungszone wird in der 2. Stufe die hohe Kohlenstofflöslichkeit dieser ε-Phase ausgenutzt. Hierzu wird der
Gasatmosphäre das vorzugsweise kohlenstoffabgebende Monomethylamin der Ammoniakmenge beigegeben.
Dadurch wird von der Verbindungszone Kohlenstoff aufgenommen, welcher durch Diffusion einen Teil der
Stickstoffatome im Nitridgitter unter Bildung des ε-Karbo-Nitrids ersetzt. Dies bewirkt, daß das Wachstum der Verbindungszone gebremst wird. Es wird
dadurch eine Porosität und übermäßiges Schichtdickenwachstum vermieden, wodurch auch die Zähigkeit
dieser Schicht gewährleistet ist
Der vom NI-b-Dissoziationsgrad abhängige Gehalt
an aktivem Stickstoff ändert sich dabei wegen des gleichzeitigen Stickstoffangebotes des Methylamins nur
unwesentlich.
Durch die beliebig veränderbare Zugabe des Kohlenstoffträgers
lassen sich der Stickstoff- und Kohlenstoffgehalt und damit auch die Eigenschaften der Verbindungszone
leicht steuern, im Gegensatz zum Badnitrieren, wo diese Schicht, bedingt durch die konstante
Zusammensetzung des Bades, nicht beeinflußbar ist. Außerdem kann die Nitrierzeit durch den raschen
Aufbau der Verbindungszone in der 1. Stufe und der Kohlenstoffdiffusion erst in der 2. Stufe gegenüber den
Nitrierzeiten bei gleichzeitigem Stickstoff- und Kohlenstoffangebot unter Erreichen vergleichbarer Ergebnisse
verkürzt werden.
Das Verfahren nach der Erfindung wird vorwiegend 3 Stunden lang durchgeführt, wobei während des
Aufheizens und in der ersten Nitrierstufe Ammoniak allein, in der zweiten Stufe Ammoniak und Methylamin
angeboten werden. Dabei ist der Dissoziationsgrad beispielsweise <x--0,3 entsprechend einem Rest-NHj-Gehalt
von 54%.
Bei Wiederholung des vorher beschriebenen zweistufigen Verfahrens wird über eine wechselweise Sättigung
der Verbindungszone mit Kohlenstoff und dem wiederholten Aufbau einer stickstoffreicheren Schicht
eine Diffusionszone aufgebaut, ohne daß eine zu starke und dementsprechend spröde Verbindungszone entsteht.
Eine tiefere Stickstoffdiffusion hat den Vorteil einer höheren Dauerfestigkeii der so behandelten
Werkstücke.
Claims (8)
1. Verfahren zum Gasnitrieren von Eisen und Eisenlegierungen, vorzugsweise In dissoziierendem
Ammoniak, unterhalb der «-y-Umwandlung des
Systems Eisen-Stickstoff, dadurch gekennzeichnet,
daß nach Erreichen der Reaktionstemperatur in einem ersten Verfahrensschritt das
Nitriergas zugegeben bzw. aufrechterhalten wird und daß in einem zweiten Verfahrensschritt zur
Aufnahme von Kohlenstoff in die Verbindungszone das Nitriergas mit einem kohlenstoffabgebenden
Medium angereichert wird.
2. Verfahren zum Gasnitrieren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeweils nahezu
konstanter Reaktionstemperatur der erste Verfahrensschritt eine bestimmte Zeitspanne von etwa 1
bis 6 Stunden und der zweite Verfahrensschritt etwa 1 bis 8 Stunden lang durchgeführt wird.
3. Verfahren zum Gasnitrieren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenstoffabgebende
Medien Amine, vorzugsweise Monomethylamin CH3NH2, verwendet werden.
4. Verfahren zum Gasnitrieren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
kohlenstoffabgebende Medium in Form von Gas und/oder Flüssigkeit einzeln oder gemischt dem
Nitriergas zugesetzt wird.
5. Verfahren zum Gasnitrieren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Anteil an kohlenstoffabgebenden Medien bei Verwendung von Monomethylamin etwa 10 bis 20
Volumenprozent des Nitriergases beträgt.
6. Verfahren zum Gasnitrieren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an kohlenstoffabgebenden
Medien während der Kohlenstoffdiffusion, bezogen auf die Zeit oder die Menge des
Nitriergases, etwa konstant gehalten wird.
7. Verfahren zum Gasnitrieren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
nach Ablauf des ersten und zweiten Verfahrensschrittes das Verfahren mit den Schritten 1 und 2,
gegebenenfalls mehrfach nacheinander wiederholt wird.
8. Verfahren zum Gasnitrieren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wiederholung der
zweiten Verfahrensstufe der Ammoniak-Dissoziationsgrad (λ) größer ist als beim erstmaligen
Durchfahren der zweiten Verfahrensstufe, beispielsweise α größer als 0,3.
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DE19712105549 DE2105549C3 (de) | 1971-02-06 | Verfahren zum Gasnitrieren von Eisen und Eisenlegierungen |
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DE19712105549 DE2105549C3 (de) | 1971-02-06 | Verfahren zum Gasnitrieren von Eisen und Eisenlegierungen |
Publications (3)
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DE2105549A1 DE2105549A1 (en) | 1972-08-10 |
DE2105549B2 DE2105549B2 (de) | 1976-11-11 |
DE2105549C3 true DE2105549C3 (de) | 1977-06-16 |
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