DE3102595A1

DE3102595A1 - "verfahren zur nitrierhaertung durch hochtemperatur-elektrolyse"

Info

Publication number: DE3102595A1
Application number: DE19813102595
Authority: DE
Inventors: Shinzoh Musashino Tokio Satoh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-06-13
Filing date: 1981-01-27
Publication date: 1982-01-07
Also published as: DE3102595C2; JPS575859A; US4332653A

Description

SHINZOiI SATOH, TOKIO/JAPAN

Verfahren zur Nitrierhärtung durch Hochtemperatur-Elektrolyse

Die Erfindung betrifft Verbesserungen auf dem Gebiet der Nitrierhärtung oder des Aufstickens (im folgenden als Nitrieren bezeichnet), wie es in der JA-PS Nr. 776055 (Japanische Patentveröffentlichung Nr. 49-41023) des gleichen Erfinders beschrieben wird. Bei dieser Methode wird ein Salzbad verwendet, das Titan und/oder Zirkonium als Katalysator enthält, und die Elektrolyse wird bei relativ geringer Temperatur von weniger als 500°C durchgeführt. Zwar sind nach dieser Methode nitrierte Härteschichten (case) von beträchtlicher Tiefe und hoher Härte erzielbar, jedoch sind diese Charakterstika noch bis zu einem gewissen Ausmaß begrenzt, und außerdem ist diese Methode nur auf die niedrig-Kohlenstoff- oder niedrig-legierten-niedrig-Kohlenstoff-Stähle anwendbar.

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise richtet sich auf Verbesserungen der vorstehenden Nitriermethode und führt dazu, daß die zu nitrierenden- Werkstücke bzw. Materialien in ein geschmolzenes Cyanidbad getaucht werden, das ein metallhaltiges bzw. metallisches oder vorzugsweise niedrig-gradige bzw. niedrig-wertige Oxide von Titan oder Zirkonium oder eine Kombination davon in einer heiß-dispergierten Form enthält und bei einer Temperatur im Bereich von 760 - 850 C gehalten wird, wobei ein Gleichstrom mit einer Dichte von

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10 - 100 A/dm durch dieses Cyanidbad geleitet wird und die Werkstücke bzw. Materialien als Anoden verwendet werden.

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Nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise können nitrierte Härteschichten (case) von überaus großer Tiefe und hoher Härte auf der Oberfläche des Werkstücks innerhalb einer sehr kurzen Bearbeitungszeit erhalten werden, aufgrund der raschen Nxtrierungsreaktion bei einem derartigen spezifischen Temperaturbereich, Darüber hinaus ist die Methode nicht nur auf die üblichen niedrig-Kohlenstoff-Stähle anwendbar, die leicht nach der üblichen Methode nitriert werden können, sondern auch auf derartige spezielle Materialien, wie Titan oder Legierungen auf Titanbasis oder Wärmebadgehärtete Stähle bzw. mar-aging-Stähle, austenitische rostfreie Stähle, Hochgeschwindigkeitsstähle (high speed steels), hitzebeständige Stähle, Legierungs-Werkzeugstähle, Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt, Federstähle und übliche SpezialStähle für Konstruktionszwecke, sowie Gußeisen, die durch die übliche Verfahrensweise als schwer zu nitrieren angesehen werden.

Darüber hinaus wurde bei der Herstellung von Konstruktionsstählen bzw. Baustählen, die durch Zusatz von Stickstoff verstärkt bzw. gehärtet wurden (vgl. JA-PS Nr. 860129), die Bildung der nitrierten Schicht von mehr als 10 mm Tiefe auf der Oberfläche kleiner Stahl-Gußblöcke und -Platten bzw. -Brammen erzielt, und dies kann zur Herstellung der verstärkten bzw. gehärteten Konstruktions- bzw. Baustähle beitragen. Eine solche tiefe nitrierte Schicht kann durch eine starke chemische Reaktion des Katalysators in dem Salzbad zusammen mit der Elektrolyse in einem derart hohen Temperaturbereich erzielt werden. Darüber hinaus ist die Deformation des nitrierten Werkstücks praktisch sehr gering, trotz einer Behandlung bei so hoher Temperatur, und dies kann die anschließenden Maschinenbearbeitungsvorgänge vereinfachen. Die Behandlungszeit kann abgekürzt werden auf etwa 1/6 der üblichen Aufkohlungs- bzw. Zementation^,-- und Härtungsmethode, und die Produktion der Teile kann nach diesem Verfahren beträchtlich verbessert werden.

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-A-

Im folgenden v/erden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Erfindungsgemäß wird ein metallhaltiges bzw. metallisches oder v/erden niedrig-gradige bzw. niedrig-wertige Oxide von Titan oder Zirkonium oder eine Kombination davon in heißer dispergierter Form, enthalten in einer geschmolzenen Cyanidschicht, verwendet.

Natriumcyanid oder Kaliumcyanid oder die Kombination davon können für das Cyanidbad verv/endet werden. Jegliche andere Salze, wie Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Natriumchlorid und Kaliumchlorid können selektiv in der Menge von weniger als 30 %, falls notwendig, zugesetzt werden. Zur Herstellung des vorstehenden Cyanidbads, das den Katalysator enthält, ist eine metallische oder metallhaltige Substanz erforderlich, die beispielsweise erhalten werden kann durch eine Elektrolyse einer wässrigen Lösung der Verbindung, bzw. einer Verbindung, die Titan oder Zirkonium enthält, wie Titandichlorid oder Zirkoniumdichlorid oder beide. Die metallhaltige bzw. metallische Substanz, die an der Kathode - insbesondere wird als Kathode eine Stahlplatte verwendet abgeschieden wird, wird anschließend in das vorstehend erwähnte geschmolzene Cyanidbad getaucht, das bei etwa 600 C gehalten wird, worauf die metallhaltige bzw. metallische Substanz in das Bad dispergiert wird, und das Cyanidbad, das den Katalysator enthält, erhalten wird. Das Cyanidbad wird anschließend auf einen Temperaturbereich von 760 -85O°C erwärmt, und die zu cyanidisierenden Werkstücke werden in das Bad getaucht und anschließend wird der Gleichstrom von

10 - 100 A/dm durch das Bad geleitet, wobei man die Werkstücke als Anoden und das Stahlgefäß selbst als eine Kathode verwendet, bis die gewünschte Schichtdicke auf dem Werkstück erreicht ist. Der Mechanismus des Verfahrens kann wie folgt erklärt v/erden:

Die Erklärung erfolgt beispielsweise an einem Natriumcyanidbad, das einan Titankatalysator enthält. Das metallhaltige bzw. metallische Titan kann oxidiert werden und als niedrig-

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gradige bzw. niedrig-wertige Oxide in der Form von TiO in das geschmolzene Cyanidbad in einer heißen dispergierten Form eingebracht werden bzw. darin vorliegen.

Ti + -^O₂ = TiO (1)

Und die Nitrierung wird durch die katalytische Wirkung dieses TiO beschleunigt.

2NaCN + 6Fe + TiO = 2Fe₃N + Na₃O + 2C + Ti (2)

Reduziertes metallhaltiges bzw. metallisches Titan wird erneut in dem Bad zu TiO oxidiert, und so kann das Verfahren wiederholt werden, und die Nitrierung erfolgt an der Oberfläche der Werkstücke. Na„0 und 2C, die durch die Reaktion (2) gebildet werden, kommen zur Oberfläche des geschmolzenen Salzes.

Andererseits wird angenommen, daß Natriumcyanid in dem Bad wie folgt dissoziiert:

NaCN = Na⁺ + (CN)" (3)

Und die Nitrierung wird auch durch dieses (CN) an den Anoden neutralisiert:

CN + 3Fe = Fe₃N +C (4)

Der durch die Reaktion (4) gebildete Kohlenstoff kommt an die Oberfläche des geschmolzenen Salzes. So können nach der starken chemischen Reaktion des Katalysators zusammen mit der Elektrolyse dos Cyanidbadsbei derart spezifischen hohen Behandlungstemperaturen nitrierte Schichten von äußerster Dicke und hoher Härte erzielt v/erden, selbst auf der Oberfläche derar-

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tiger Materialien, die nach dem üblichen Verfahren schwierig zu nitrieren waren.

Was die Behandlungstemperatur betrifft, so ist es schwierig, eine ausreichende Schichttiefe für derartiges Material, wie austenitische rostfreie Stähle, bei der Temperatur unter 76O°C zu erzielen, und eine leichte Deformation des Werkstücks wird bei einer Temperatur über 85O°C festgestellt, so daß der Temperaturbereich von 760 - 85O°C als am günstigsten angesehen wird.

Beispiel 1

An reinen Titanplatten erfolgte ein Nitrieren unter folgenden Bedingungen:

Cyanidbad: Gehalt des Katalysators 25Oppm Behandlungstemperatur: 82O°C

Behandlungszeit: 2 h

2 Stromdichte: 50 A/dm

Im folgenden sind die Ergebnisse aufgeführt:

nitrierte Schichttiefe 0,3 mm Oberflächenhärte Vickers, mehr als 1 150

Beispiel 2

An rostfreien Stahlplatten,Typ 18-8,wurde unter folgenden Bedingungen ein Nitrieren durchgeführt:

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Cyanidbad: Die gleiche Zusammensetzung wie in Beispiel Behandlungstemperatur: 8OO°C

Behandlungszeit: 2 h

2 Stromdichte: 60 A/dm

Im folgenden sind die Ergebnisse aufgeführt:

nitrierte Schichttiefe: 0,35 mm Oberflächenhärte: Vickers, mehr als 1

Beispiel 3

An 0,45 % C-Kohlenstoff-Stahlplatten wurde unter folgenden Bedingungen nitriert:

Cyanidbad: Die gleiche Zusammensetzung wie in Beispiel 1 Behandlungstemperatur: 800°C Behandlungszeit: 2 h

Stromdichte: 80 A/dm²

Im folgenden sind die Ergebnisse aufgeführt:

nitrierte Schichttiefe: mehr als 2,0 mm Oberflächenhärte: Vickers, mehr als 1

Beispiel 4

An üblichem Gußeisen (JIS FC 30) wurde unter folgenden Bedingungen nitriert:

Cyanidbad: Die gleiche Zusammensetzung wie in Beispiel 1

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Behandlungstemperatur:	820	°C
Behandlungszeit:	4 h
Stromdichte:	100	A/dm²

Im folgenden sind die Ergebnisse aufgeführt:

nitrierte Schichttiefe: mehr als 1,0 mm Oberflächenhärte: Vickers, mehr als 1

Anmerkung:

Die Struktur der Härteschicht änderte sich zur Austenitstruktur über eine Tiefe von mehr als 10 mm.

Schichthärte: Vickers 300 Av.

Beispiel 5

Es wurde unter folgenden Bedingungen an Werkzeugen*aus üblichem Kohlenstoffstahl (JIS S 35C) nitriert:

* bzw. Maschinen- oder Getriebeteilei Cyanidbad: Die gleiche Zusammensetzung wie in Beispiel Behandlungstemperatur: 800⁰C

Behandlungszeit: 30 Min.

2 Stromdichte: 50 A/dm

Im folgenden sind die Ergebnisse aufgeführt:

nitrierte Schichttiefe: mehr als 2,5 mm Oberflächenhärte: Vickers, mehr als 1

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Aus den vorstehenden Beispielen ist ersichtlich, daß mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden.

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Claims

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. F. Assmanii - Dr. R. Ko.inigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-Ing. F. Klingsoisen - Dr. F. Zumstein jun.

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN Z,

BRÄUHAUSSTRASSE 4

TELEFON- (089) 225341 TEI-EGRAMME ZUMPAT TELEX 529979

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Patentanspruch

Verfahren zur Nitrierhärtung durch Hochtemperatur-Elektrolyse, dadurch gekennzeichnet, daß die zu nitrierenden Werkstücke in ein geschmolzenes Cyanidbad getaucht werden, das ein metallisches Titan oder Zirkonium oder eine Kombination davon in einer heiß dispergierten Form enthält und bei einer Temperatur von 760 - 85O°C gehalten wird, und ein Gleichstrom mit

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einer Dichte von 10 - 100A/dm durch das Cyanidbad geleitet wird, wobei man die Werkstücke als Anoden verwendet.

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