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Verfahren zur Herstellung von bei tiefer Temperatur karbonitrierten
Schichten anEisenlegierungen mit höherem Kohlenstoffgehalt Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von bei niedriger Temperatur karbonitrierten Schichten
an Eisenlegierungen mit höherem Kohlenstoffgehalt.
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Beim Karbonitrieren unter niedrigen Temperaturen, das meistens im
Bereich der Temperaturen von 570 bis 640 OC durchgeführt wird, entsteht eine Schicht
mit einer hohen Reibungs- und Abnutzungsbeständigkeit bei haibtrockener oder trockener
Reibung. Außerdem erhöht sich durch Karbonitrieren der Konstruktionsstähle wesentlich
ihre Ermüdungsfestigkeit und Kontaktermüdungsbeständigkeit.
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Die bei niedriger Temperatur karbonitrierte Schicht weist folgende
Komplexstruktur auf: An der Oberfläche bildet
sich eine Schicht,
die Karbonitrid 6 als eine Haupt-oder einzige Strukturkomponente enthält, wobei
dieses Karbonitrid noch Sauerstoff in einer festen Lösung enthalten kann. Unter
der Schicht des Karbonitrids e dringt der Stickstoff tief in die innere Diffusionszone
im Ferrit des Grundwerkstoffes durch. Bei Temperaturen oberhalb des A1-Punktes des
Systems Fe-N entsteht unter der Oberflächenschicht des Karbonitrids oder Oxykarbonitrids
6 noch eine Randschicht von Stickstoffaustenit.
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Die Oberflächenschicht des Karbonitrids oder Oxykarbonitrids 6 ist
ein Träger der guten Gleiteigenschaften und der Verschleißfestigkeit und trägt ebenfalls
zur Erhöhung der Kontaktermüdungsbeständigkeit und unter einer Kerbwirkung ebenfalls
zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit insbesondere beim Biegen bei.
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Der Durchdringungsbereich des Stickstoffs in den Kern unter der Schicht
des Karbonitrids 6 ist ebenfalls ein weiterer wichtiger Träger der Erhöhung der
Ermüdungsfestigkeit und Kontaktermüdungsbeständigkeit.
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Bei dem jetzigen Stand kann in einem Zyanid-Zyanat-Bad, und zwar
insbesondere nach dem Teniferverfahren karboni-0 triert werden, d. h. unter der
Temperatur von ca. 570 C in einem belüfteten Bad und in einem Tiegel mit einer Titaneinlage.
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Nach dem Teniferverfahren wird z. B. nach 120 min bei 570 OC eine
Schicht von Oxykarbonitrid 6 mit einer Dicke von 10 bis 20 /um erreicht, wobei der
Bereich des Eindringens des Stickstoffs in den Kern 0,4 bis 0,8 mm Je nach
dem
Kohlenstoffgehalt im Stahl und weiter je nach dem Gehalt an Elementen mit einer
großen Affinität zum Stickstoff, praktisch insbesondere an Chrom beträgt.
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Außerdem kann man im Pulver durch sog. "Pulnitrieren' karbonitrieren.
Dieses Verfahren hat sich bis Jetzt nicht merklich verbreitet, und es scheint, daß
es keine Garantie zur Bildung von gleichmäßigen Qualitätsschichten verschafft.
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Das Karbonitrieren im Zyanid-Zyanat-Bad weist Nachteile auf, zu denen
die hohe Giftigkeit der angewendeten Salze, die schwierige und kostspielige Unschädlichmachung
deren Abfalles und des Waschwassers, das durch Zyanid verunreinigt wurde, und weiter
das langwierige und schwierige Waschen der Reste der Karbonitridsalze von der Qberfläche
der zu bearbeitenden Teile gehören. Der Haupt nachteil ist jedoch die schwierige
Bestätigung der Wirkung des Zyanid-Zyanat-Bades, die ein häufiges Vorkommen von
Schichten schlechter Qualität und ebenfalls eine beträchtliche Ungleichmäßigkeit
der Effekte von einzelnen Vorgängen verursacht. Ein weiterer Nachteil ist ebenfalls
die Ungeeignetheit des Karbonitrierens im Zyanid-Zyanat-Bad für die Produktion in
großen Serien und die Unmöglichkeit der Automatisierung und Mechanisierung des Vorganges.
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Die Nachteile des Karbonitrierens im Bad wurden weitgehend durch
die tschechoslowakischen Patente Nr. 119 001 und 125 606 beseitigt.
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Das Wesen der Erfindung gemäß dem tschechoslowakischen Patent Nr.
119 001 ist ein Verfahren zum Karbonitrieren von Konstruktionsstählen und Gußeisen
bei tiefen
Temperaturen in Ammoniakatmosphäre im Gemisch mit aliphatischen
oder aromatischen Kohlenwasserstoffen, das meistens im Bereich der Temperaturen
von 600 bis 640 OC durchgeführt wird, wobei die Ammoniak- und Kohlenwasserstoffatmosphäre
Wasserdampf zum Sättigen des Karbonitrids mit Sauerstoff enthalten kann. Der Wasserdampf
kann der Atmosphäre entweder direkt zugesetzt werden, oder es wird der Atmosphäre
Luft zugemischt, aus welcher der Wasserdampf durch Reaktion mit Wasserstoff entsteht,
der durch Wärmedissoziation des Ammoniaks gebildet wird.
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Die Erfindung nach dem tschechoslowakischen Patent Nr.
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125 606 bringt eine weitere Verbesserung, die darin besteht, daß die
aus Ammoniak und aliphatischen oder aromatischen Wasserstoffen zusammengesetzte
Atmosphäre mit einem Trägergas mit einem hohen Gehalt an Stickstoff und einem niedrigen
Gehalt an Wasserstoff, d. h. entweder mit der exothermischen Atmosphäre mit abgetrenntem
Kohlendioxid und Wasserdampf und einem Stickstoffgehalt über 90 % oder industriellem
Stickstoff gemischt wird.
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Durch Mischen der karbonitrierten Atmosphäre mit dem Trägergas mit
einem hohen Stickstoffgehalt nach dem Verfahren gemäß dem tschechoslowakischen Patent
Nr. 125 606 wird die Erhöhung des thermodynamischen Nitrierpotentials erreicht.
Weiter wird eine Verminderung der Tiefe des Oberflächenbereichs der Schicht erreicht,
die die unerwünschten Poren enthält.
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Beide Verfahren nach den Patenten Nr. 119 001 und 125 606 sind für
die Mechanisierung und Automatisierung geeignet, und man kann sie automatisch regulieren,
was eine hohe Gleichmäßigkeit der Qualität der Schichten garantiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Karbonitrieren nach
den angeführten Patentschriften noch weiter zu verbessern.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von bei
tiefer Temperatur karbonitrierten Schichten an Eisenlegierungen in einer Atmosphäre
von teilweise dissoziiertem Ammoniak im Temperaturbereich von 550 bis 0 750 C und
im Bereich der Ammoniakdissoziation von 35 bis 90 %, ggf. mit einem Zusatz von 20
bis 90 % eines Gases mit hohem Stickstoffgehalt und niedrigem Wasserstoffgehalt,
ggf. mit einem Luftzusatz in einer Menge von 5 bis 50 % oder einem Sauerstoffzusatz
in einer Menge von 0,2 bis 10 %, ggf. mit einem Wasserdampfzusatz in einer Menge
von 0,5 bis 15 % oder einem Kohlendioxidzusatz in einer Menge von 5 bis 60 % oder
mit einem Zusatz einer anderen sauerstoffhaltigen Komponente, die ein Sauerstoffäquivalent
enthält, das der Sauerstoffmenge entspricht, die in 5 bis 50 % Luft anwesend ist,
mit dem Kennzeichen, daß das Sättigen der karbonitrierten Schicht, die eine Struktur
des Karbonitrids oder des Oxikarbonitrids 6 hat, mit Kohlenstoff im Verlauf des
Karbonitrierens aus dem Kern der karbonitrierten Eisenlegierung, die mindestens
0,1 % C enthält, d. h. vorzugsweise aus dem Kern eines Konstruktionsstahles mit
einem Kohlenstoffgehalt über 0,1 % oder aus einem Perlitlegierungskern durchgeführt
wird.
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Das Verfahren nach der Erfindung beruht auf der Tatsache, daß der
Kohlenstoff, der sich ihm Nitrid 6 löst und so das Karbonitrid 6 bildet, bis zu
hohen Gehalten in diesem Karbonitrid eine verhältnismäßig niedrige thermodynamische
Aktivität hat und sich infolgedessen im Diffusionsfluß
des Kohlenstoffs
aus dem Kern, wo der Kohlenstoff im Ferrit im thermodynamischen Gleichgewicht mit
Zementit ist, in die entstehende Schicht des Nitrids 6 verlagert, wodurch das Nitrid
6 zwangsläufig in das Karbonitrid 6 übergeht.
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Dadurch ändert sich das verhältnismäßig weiche Nitrid 6 in Karbonitrid
mit einer vorteilhaften hohen Härte, besseren Gleiteigenschaften und höherer Verschleißfestigkeit.
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Das Verfahren zur Herstellung von karbonitrierten Schichten nach
der Erfindung kann weiter das Prinzip des Luft- bzw. Sauerstoffzusatzes ausnutzen,
wobei der Sauerstoff mit dem Wasserstoff der Atmosphäre zu Wasserdampf reagiert.
Dadurch vermindert sich der Wasserstoffgehalt, der durch die Dissoziation des Ammoniaks
in der Atmosphäre entstanden ist, und weil der Wasserstoff eine denitrierende Komponente
ist, erhöht sich das thermodynamische Nitrierpotential der Atmosphäre. Die Erhöhung
der Nitrierfähigkeit der Atmosphäre durch den Luft oder Sauerstoffzusatz ermöglicht,
den Vorgang unter höherer Ammoniakdissoziation durchzuführen, was zu einer Herabsetzung
des Ammoniakverbrauchs führt.
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Eine weitere günstige Wirkung wird dadurch erreicht, daß der entstehende
Wasserdampf das Karbonitrid 6 mit Sauerstoff sättigt. Weil im Oxykarbonitrid 6 im
Vergleich zum Karbonitrid 6 bessere Bedingungen für die Diffusion des Stickstoffes
und Kohlenstoffes existieren, erhöht sich unter Anwesenheit des Wasserdampfes die
Geschwindigkeit des Schichtwachstums. Der Wasserdampf, der zur Sättigung des Karbonitrids
C mit Sauerstoff dient, kann der Atmosphäre ebenfalls direkt, und zwar entweder
in Gasform oder durch Tröpfeln des Wassers direkt in den Raum des Ofens zugeführt
werden.
Anstatt des Wasserdampfes-kann auch Kohlendioxid oder eine andere sauerstoffhaltige
Komponente angewendet werden.
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Die Methode kann ebenfalls zur Erhöhung des thermodynamischen Nitrierpotentials
das Prinzip des Mischens der Atmosphäre mit Stickstoff oder einem Gas mit einem
hohen Stickstoffgehalt anwenden.
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Als ein Beispiel praktisch erzielter Ergebnisse sei angeführt, daß
beim Verfahren nach der Erfindung an einem Konstruktionsstahl mit 0,4 bis 0,5 %
C bei einer Temperatur von 620 oC nach 150 min in einer Atmosphäre des von 65 bis
70 * dissozieerten Ammoniaks eine Schicht des Karbonitrids 6 mit einer Dicke von
35 bis 40 /um und einer Härte über 1000 HV entsteht.
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Als ein anderes Ausführungsbeispiel sei angeführt, daß gemäß dem
Verfahren nach der Erfindung an einem Konstruktionsstahl mit 0,4 bis 0,5 % C bei
einer Temperatur von 620 oC nach 150 min in einer Atmosphäre des von 65 bis 70 ffi
dissozieerten Ammoniaks bei Luftzusatz eine Schicht von Oxykarbonitrid 6 mit einer
Dicke von 50 bis 55 /um und einer Härte über 1000 HV entsteht.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel sei angeführt, daß gemäß dem Verfahren
nach der Erfindung an einem Konstruktionsstahl-mit 0,4 bis 0,5 % C bei einer Temperatur
von 620 oC nach 150 min in einer Atmosphäre des von 60 bis 70 % dissoziierten und
durch industriellen Stickstoff im Verhältnis 1 : 1 verdünnten Ammoniaks eine Schicht
des Karbonitrids 6 mit einer Dicke von 45 bis 50 /um und einer Härte über 1000 HV
entsteht.