DE2228746C3 - Verfahren zur Herstellung von karbonitrierten Schichten auf Eisenlegierungen - Google Patents

Description

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ziation von 35 bis 90%, gegebenenfalls mit einem Zusatz von 20 bis 90% eines Gases mit hohem Stickstoffgehalt und niedrigem Wasserstoffgehalt oder mit einem Luftzusatz in einer Menge von 5 bis 50% oder einem Sauerstoffzusatz in einer Menge von 0,2 bis 10%, gegebenenfalls 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, dadurch gekennzeichnet, daß das Sättigen der karbonitrierten Schicht mit; Kohlenstoff im Verlauf des Karbonitrierens nur aus dem Kern der karbonitrierten Eisenlegierung, die as mindestens 0,1% C enthält, mittels Diffusion erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sättigen mit Kohlenstoff nur aus dem Kern eines Konstruktionsstahles mit einem Kohlenstoffgehalt über 0,1 % oder aus einem Stahl mit perlitischem Gefüge im Kern erfolgt.

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von karbonitrierten Schichten, die eine Struktur des e-Karbonitrids oder des e-Oxikarbonitrids haben, auf Eisenlegierungen in einer Atmosphäre von teilweise dissoziiertem Ammoniak im Temperaturbereich von 550 bis 750⁰C und im Bereich der Ammoniakdissoziation von 35 bis 90%, gegebenenfalls mit einem Zusatz von 20 bis 90% eines Gases mit hohem Stickstoffgehalt und niedrigem Wasserstoffgehailt oder mit einem Luftzusatz in einer Menge von 5 bis 50% oder einem Sauerstoffzusatz in einer Menge von 0,2 bis 10%, gegebenenfalls 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 Sauerstoff menge entspricht, die in 5 bis 50% Luft anwesend ist.

Beim Karbonitrieren bei relativ niedrigen Temperaturen, das meistens im Bereich von 570 bis 640⁰C durchgeführt wird, entsteht eine Schicht mit einer hohen Reibungs- und Abnutzungsbeständigkeit bei halbtrockener oder trockener Reibung. Außerdem erhöhen sich durch Karbonitrieren der Konstruktionsstähle wesentlich ihre Ermüdungsfestigkeit und Kon- taktermUdungsbeständigkeit.

Die bei solchen Temperaturen karbonitrierte Schicht weist folgende Komplexstruktur auf: An der Oberdes ε-Karbonitrids oder -Oxikarbonitrids ist ein Träger der guten Gleiteigenschaften und der Verschleißfestigkeit und trägt ebenfalls zur Erhöhung der Kontaktermüdungsbeständigkeit und unter einer Kerbwirkung außerdem zur Erhöhung der Ermüsungsfestigkeit insbesondere beim Biegen bei.

Der Durchdringungsbereich des Stickstoffs in den Kern unter der Schicht des ε-Karbonitrids ist ebenfalls ein weiterer wichtiger Träger der Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit und Kontaktermüdungsbeständigkeit.

Bei dem jetzigen Stand der Technik kann in einem Zyanid-Zyanat-3ad, und zwar insbesondere nach dem Teniferverfahren karbonitriert werden, d. h. bei einer Temperatur von etwa 570 C in einem belüfteten Bad und in einem Tiegel mit einer Titaneinlage.

Nach dem Teniferverfahren wird z. B. nach 120 min bei 570" C eine Schicht von f-Oxikarbonitrid mit einer Dicke von 10 bis 20 μιη 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.

Außerdem kann m-:n im Pulver durch sogenanntes »Pulnitrieren« karbonitrieren. Dieses Verfahren hat sich bis jetzt nicht merklich verbreitet, und es scheint, daß es keine Garantie zur Bildung von gleichmäßigen Qualitätsschichten verschafft.

Das Kai [ionitrieren im Zyanid-Zyanat-Bad weist Nachteile auf, zu denen die hohe Giftigkeit der angewendeten Salze, die schwierige und kostspielige Unschädlichmachung deren Abfalls und des Waschwassers, das durch Zyanid verunreinigt wurde, und weiter das langwierige und schwierige Abwaschen der Reste der Karbonitridsalze von der Oberfläche der zu bearbeitenden Teile gehören. Der Hauptnachteil ist jedoch die schwierige Beherrschung 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 ergibt sich ebenfalls durch die mangelnde Eignung des Karbonitrierens im Zyanid-Zyanat-Bad für die Produktion in großen Serien und die Unmöglichkeit der Automatisierung und Mechanisierung des Vorgange.

Die Nachteile des Karbonitrierens im genannten Salzbad wurden weitgehend durch die tschechoslowakische Patentschrift 119 001 und 125 606 beseitigt.

Das Wesen der Erfindung gemäß der tschechoslowakischen Patentschrift 119 001 ist ein Verfahren zum Karbonitrieren von Konstruktionsstählen und Gußeisen bei verhältnismäßig tiefen Temperaturen in Ammoniakatmosphäre im Gemisch mit aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen, das meistens im Temperaturbereich von 600 bis 640⁰C durchgeführt wird, wobei die Ammoniak- und Kohlenwasserstoffatmosphäre Wasserdampf zum Sättigen des Karboni-

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trids mit Sauerstoff enthalten kann. Der Wasserdampf läufig in das ε-Karbonitrid übergeht. Dadurch wandelt kann der Atmosphäre entweder direkt zugesetzt wer- sich das verhältnismäßig weichere ε-Nitrid in Karboden, oder es wird der Atmosphäre Luft zugemischt, nitrid mit einer vorteilhaften hohen Härte, besseren aus welcher der Wasserdampf durch Reaktion mit Gleiteigenschaften und höherer Verschleißfestigkeit Wasserstoff entsteht, der durch Wärmedissoziation 5 um. Die Bildung des ε-Karbonitrids mit genügend des Ammoniaks gebildet wird. hohem Kohlenstoffgehalt erfolgt jedoch nur dann,

Die Erfindung nach der tschechoslowakischen wenn der Grundwerkstoff mindestens 0,1 % C enthält.

Patentschrift 125 606 bringt eine weitere Verbesserung, Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiter das

die darin besteht, daß die aus Ammoniak und alipha- Prinzip des Luft- bzw. Sauerstoffzusatzes ausnutzen,

tischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen zu- m wobei der Sauerstoff mit dem Wasserstoff der Atmo-

sammengesetzte Atmosphäre mit einem Trägergas mit Sphäre zu Wasserdampf reagiert. Dadurch vermindert

einem hohen Gehalt an Stickstoff und einem niedrigen sich der Wasserstoffgehalt, der durch die Dissoziation

Gehalt an Wasserstoff, d. h. entweder mit der exo- des Ammoniaks in der Atmosphäre entstanden ist,

thermischen Atmosphäre mit abgetrenntem KohJen- und weil der Wasserstoff eine denitrierende Kompo-

dioxid und Wasserdampf und einem Stickstoffgehalt 15 nente ist, erhöht sich das thermodynamische Nitrier-

über 90% oder industriellem Stickstoff gemischt wird. potential der Atmosphäre. Die Erhöhung der Nitrier-

Durch Mischen der karbonitrierenden Atmosphäre fähigkeit der Atmosphäre durch den Luft- oder Sauer-

mit dem Trägergas mit einem hohen Stickstoffgehalt Stoffzusatz ermöglicht, den Vorgang unter höherer

nach dem Verfahren gemäß der tschechoslowakischen Ammoniakdissoziation durchzuführen, was zu einer

Patentschrift 125 606 wird die Erhöhung des ther- =? Herabsetzung des Ammoniakverbrauchs führt,

modynamischen Nitrierpotentials erreicht. Weiter Eine weitere günstige Wirkung wird dadurch erreicht,

wird eine Verminderung der Tiefe des Oberflächen- daß der entstehende Wasserdampf das ε-Karbonitrid

bereichs der Schicht erreicht, die die unerwünschten mit Sauerstoff sättigt. Weil im ε-Oxikarbonitrid im

Poren enthält. Vergleich zum f-Karbonitrid bessere Bedingungen für

Beide Verfahren nach den tschechoslowakischen »5 die Diffusion des Stickstoffs und Kohlenstoffs existie-

Patentschriften 119 001 und 125 606 sind für die ren, erhöht sich unter Anwesenheit des Wasserdampfs

Mechanisierung und Automatisierung geeignet, und die Geschwindigkeit des Schichtwachstums. Der Was-

man kann sie automatisch regulieren, was eine hohe serdampf, der zur Sättigung de¹-. ε-Karbonitrids mit

Gleichmäßigkeit der Qualität der Schichten garantiert. Sauerstoff dient, kann der Atmosphäre ebenfalls direkt,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das 3° und zwar entweder in Gasform oder durch Tröpfeln eingangs genannte Verfahren im Vergleich mit dem des Wassers direkt in den Raum des Ofens zugeführt nach den genannten tschechoslowakischen Patent- werden. Anstatt des Wasserdampfs kann auch Kohlenschriften noch weiter zu verbessern und zu ver- dioxid oder eine andere sauerstoffhaltige Komponente einfachen. angewendet werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch 35 Die Methode kann ebenfalls zur Erhöhung des

gelöst, daß das Sättigen der karbonitrierten Schicht thermodynamischen Nitrierpotentials das Prinzip des

mit Kohlenstoff im Verlauf des Karbonitrierens nur Mischens der Atmosphäre mit Stickstoff oder einem

aus dem Kern der karbonitrierten Eisenlegierung, die Gas mil einem hohen Stickstoffgehalt anwenden,

mindestens 0,1 % C enthält, mittels Diffusion erfolgt. Als ein Beispiel praktisch erzielter Ergebnisse sei

Auf diese Weise wird der nach den bekannten Ver- 40 angeführt, daß beim Verfahren nach der Erfindung fahren zwingend vorgeschriebene Gehalt der Karbo- an einem Konstruktionsstahl mit 0,4 bis 0,5% C bei oder Oxikarbonitrieratmosphäre an aliphatischen oder einer Temperatur von 620 C nach 150 min in einer aromatischen Kohlenwasserstoffen eingespart, und Atmosphäre des von 65 bis 70% dissoziierten Ammoman erhält gleichzeitig ausgezeichnete Härtewerte, niaks eine Schicht des ε-Karbonitrids mit einer Dicke Gleiteigenschaften und Verschleißfestigkeitswerte der 45 von 35 bis 40 μΐη und einer Härte über 1000 HV erzeugten Schichten. entsteht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft bei Als ein anderes Ausführungsbeispiel sei angeführt,

Konstruktionsstählen mit einem Kohlenstoffgehalt daß gemäß dem Verfahren nach der Erfindung an

über 0,1 % oder einem Stahl mit perlitischem Gefüge einem Konstruktionsstahl mit 0,4 bis 0,5% C bei einer

im Kern anwendbar. 50 Temperatur von 620⁰C nach 150 min in einer Atmo-

Das Verfahren nach der Erfindung beruht auf der Sphäre des von 65 bis 70% dissoziierten Ammoniaks

Tatsache, daß der Kohlenstoff, der sich im ε-Nitrid bei Luftzusatz eine Schicht von ε-Oxikarbonitrid mit

löst und so das ε-Karbonitrid bildet, bis zu hohen einer Dicke von 50 bis 55 μπι und einer Härte über

Gehalten in diesem Karbonitrid eine verhältnismäßig 1000 HV entsteht.

niedrige thermodynamische Aktivität hat. In Folge der 55 Als weiteres Ausführungsbeispiel sei angeführt, daß

niedrigen thermodynamischen Aktivität des Kohlen- gemäß dem Verfahren nach der Erfindung an einem

Stoffs im ε-Nitrid entsteht ein nach den bekannten Konstruktionsstahl mit 0,4 bis 0,5% C bei einer

Verfahren nicht beachteter bzw. ungenutzter Diffu- Temperatur von 620⁰C nach 150 min in einer Atmo-

sionsfluß des Kohlenstoffs aus dem Kern, wo der Sphäre des von 60 bis 70% dissoziierten und durch

Kohlenstoff im Ferrit im thermodynamischen Gleich- 60 industriellen Stickstoff im Verhältnis 1 : 1 verdünnten

gewicht mit Zementit ist. Der aus dem Kern diffun- Ammoniaks eine Schicht des ε-Karbonitrids mit einer

dierende Kohlenstoff wird in die entstehende Schicht Dicke von 45 bis 50 μηι und einer Härte über

des ε-Nitrids verlagert, wodurch das ε-Nitrid zwangs- 1000 HV entsteht.

Claims (1)

1. h fläche bildet sich eine Schicht, die f-Karbonitrid als einen Haupt- oder einzigen Gefügebestandteil enthält, wobei dieses Karbonitrid noch Sauerstoff in einer .VeKahrenZurHe^nunsVonkarbonUnerten _s ^«-*ί™ίΑί^^

   Patentansprüche:

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