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i3e schreibung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wärmebehandlung
mit chemischen Vorgängen und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Gasnitrieren
von Werkstücken aus Metallen und Legierungen.
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Die vorliegende Erfindung kann im Geräte- und Aggregatenbau, im Maschinenbau
zum Nitrieren von Bauteilen für Geräte, Aggregats und Maschinen verwendet werden
die in ei nem weiten Bereich unter Kontaktbelastungerbetrieben wer den.
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Es ist ein Verfahren zum Ionennitrieren von Werkstücken aus Metallen
und Legierungen ( s. PO--PS 87883 bekannt, welches in einer Induktionserwärmung
des zu bearbeitenden Werkstückes unter gleichzeitiger Gaszufuhr besteht, wobei das
Gas bei der Erwärmung ionisiert wird. Dabei sind an den Induktor und die Werkstücke
Pole einer Gleichstromquelle angeschlossen.
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Das bekannte Verfahren ermöglicht nur eine stückweise ßearoeitung
der Werkstücke, wodurch die Produktivität des Prozesses gering ist. Die Schwierigkeiten,
die mit der Regelung und der Aufrechterhaltung der erforderlichen Temperatur eines
Werkstückes verbunden sinds führen zu einer Überhitzung des Werkstückes und zu einem
Anbrennen seiner Oberfläche.
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Es ist ein Verfahren zur Nitrieren von Werkstücken in einer Glimmentladung
(s. JA-PS 53-19291) bekannt. Das Verwahren oesteht in einer Erwärmung aer Werkstücke
auf die Nitriertemperatir unter Schutsatmosphäre.
Dann wird der
Stickstoff der Arbeitskammer zugerührt lind eine Glimmentladung wird erregt.
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Nach dem bekannten Verfahren lassen sich tiefe Bohrungen in den Werkstücken
schwer nitrieren; silan kann bei diesem Verfahren Werkstücke mit stark unterschiedlicher
geometrischer Form und einem stark unterschiedlichen Verhältnis zwischen der Masse
eines Werkstückes und der Größe seiner Seitenfläche nicht in einem Satz unterbringen.
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Es ist ein Verfahren zum Gasnitrieren von Werkstücken aus Metallen
und Legierungen ( s. SU-PS 576351) im magnetischen Feld eines Wechselstromes technischer
Frequenz bekannt. Die Werkstücke werden einer Erwärmung auf die Sättigungstemperatur
der Metalle und Legierungen unterzogen und auf dieser Temperatur unter gleichzeititer
Einwirkung eines elektromagnetischen Feldes gehalten, das durch eine Solenoidspule
erzeugt wird.
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Das bekannte Verfahren zur Nitrieren gestattet es nicht, die Parameter
des magnetischen Feldes wirksam zu steuern, was eine Änderung der physikalisch-mechanischen
Eigenschaften sowohl der Diffusionsschicht, als auch der Matrize selbst verhindert.
Dieser Arbeitsgang ist beim Nitrieren von Werkstücken aus niedriggekohlten Stählen
besonders von Bedeutung.
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Bei der Verwendung eines Magnetfeldes von Wechselstrom wird die Einwirkung
des Hauptmagnetfeldes durch den diamagnetischen Effekt'vom Einsetzen der Werkstuecke
vermindert.
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Die Plastizität der Diffusionsschichten ist bei einem solchen Nitrierverfahren
nicht ausreichend hoch.
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In Anbetracht eines hohen induktiven Widerstandes der Solenoidspule,
die als Feldgenerator dient, muB man zur Gewährleistung der erforderlichen Stärke
des magnetischen Fel des die Leistung bedeutend vergrößern. Außerdem dauert der
Nitriervorgang eine längere Zeit.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Gasnitrieren von Werkstücken aus iV,etallen und Legierungen zu schaffen, bei
dem durch eine Änderung des Charakters und der Energie der Bindungen, welche sich
in Verbindungen und it£nlagerungsphasen bilden, infolge einer physikalischen einwirkung
auf den Ablauf der Diffusionsprozesse eine Erhöhung der Oberflächenhärte, ein geringer
Gradient derselben bezogen auf die Tiefe in Verbin dung mit der Plastizität von
niedriggekohiten unlegierten Stählen und eine Regelung der Oberflächenhärte und
der Plastizität der Diffusionsschicht von legierten Stählen und Legierungen unter
Verkürzung der Dauer des Witriervorgan ges gewährleistet werden.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man bei einem Verfahren zum
Gasnitrieren von Werkstücken aus Metallen und Legierungen, welches eine Erwärmung
der Werkstücke auf die Sättigungstemperatur der Metalle und der Legierungen, das
Halten dieser Werkstücke auf dieser Temperatur und eine Abkühlung derselben umfaßt,
erfindungsgemäß bei der Erwärmung der Werkstücke seit dem erreichen der Temperatur,
die der Anfangstemperatur der Dissoziation des Sättigungsmittels unter Bildung aktiven
Stickstoffes entspricht, im Arbeitsraum ein magnetisches Gleichfeld erzeugt, das
mit
einem magnetischen Wechselfeld technischer Frequenz gevornimmt
kreuzt ist, danach das Halten der Werkstücke auf dieser Temperatur) und mit Abkühlung
der Werkstücke auf eine Temperatur, die der Temperatur der Beendigung der Umwandlungen
im System Eisen-Stickstoff-Kohienstoff entspricht, die Einwirkung des Magnetfeldes
beseitigt und die Abkühlung der Werkstücke fortsetzt.
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Dieses Verfahren gestattet es, bei niedriggekohlten unlegierten Stählen
mechanische Eigenschaften zu erzielen, die in solchen Kennwerten wie Oberflächenhärte,
Verschleißfestigkeit den mechanischen Eigenschaften legierter Stähle nicht nachstehen,
sowie auch diese Eigenschaften bei legierten Stählen und Legierungen zu regeln.
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ferner, Das vorliegende Verfahren gestattet es ferner, die Beständigkeit
von Befestigungsteilen gegen Fressneigung zu erhöhen und die Schnitteigenschaften
von gewindeselbstschneidenden Schrauben zu verbessern.
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Im folgenden wird das Verfahren zum Gasnitrieren von Werkstücken
aus Metallen und Legierungen anhand konkreter Beispiele erläutert, die die Durchführbarkeit
der Erfindung veranschaulichen.
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Beispiel 1.
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Man führt eine Gasnitrierung von Werkstücken und Probestücken aus
niedriggekohltem Armco-Eisen-Elektroblech durch.
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Die Werkstücke werden in die Muffel eines Ofens eingesetzt, mit einem
Deckel geschlossen und in einem Ammoniakstrom erwärmt. Nachdem in der Muffel des
Ofens eine Temperatur von 45000 +SOC erreicht worden ist, wird in der Muff ei ein
magnetisches
Gleichfeld erzeugt, das mit einem magnetischen Wechselfeld technischer Frequenz
gekreuzt wird. Dann führt man die Erwärmung auf eine Temperatur von 5700e +5°C,
das Halten der Werkstücke auf dieser Temperatur während einer Stunde und die Abkühlung
der Werkstücke auf eine Temperatur von 1000C +50C unter der Einwirkung eines in
der Ofenmuffel erzeugten magnetischen Gleichfeldes mit einer Stärke von 24 kA/m
durch, das mit-einem magnetischen Wechselfeld mit einer technischer Frequenz von
50 Hz und einer Stärke von 3,6 kA/m gekreuzt ist.
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Nach der Nitrierung wurden folgende Eigenschaften erzielt: Tiefe
der Diffusionsschicht 0,75 mm, Oberflächen härte 500 kp/mm2, Plastizität der Diffusionsschicht
(Blegewinkel bis zur rißbildung an der Oberfläche des Probestückes) 500.
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Beispiel 2.
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Man führt eine Gasnitrierung von Werkstücken und Probestücken aus
einem niedriggekohlten Stahl durch der folgende Bestandteile (Gew.'%')enthält: C
0,05 bis 0511, Ni 0,25, Cr 0,1, Si nicht mehr als 0,03. Die Werkstücke werden in
eine Ofenmuffel eingesetzt und nach Schleßn mit einem Deckel in einem Ammoniakstrom
erwärmt.
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Nachdem in der Ofenmuffel eine Temperatur von 45000 +5°C erreicht
worden ist, wird ein Gleichfeld erzeugt, das mit einem magnetischen Wechselfeld
technischer Frequenz gekreuzt wird. Die weitere Erwärmung auf eine Temperatur von
570°C+5°C, das Halten auf dieser Temperatur während einer Stunde sowie die Abkühlung
auf eine Temperatur von 100°C+5°C
werden in der Ofenmuffel unter
der Einwirkung eines Gleichfeldes mit einer Stärke von 34,4 kA,ni durchgefuhrt,
das mit einem magnetischen Wechselfeld mit einer technischen Fre quenz von 50 Hz
und einer Stärke von 4,8 kA/m gekreuzt ist, Nach der Nitrierung wurden folgende
Eigenschaften erzielt: Tiefe der Diffusionsschicht 0,15 mm, Oberflächenhärte 2 510
kp/mm , Plastizität der Diffusionsschicht (Biegewinkel bis zur Rissbildung an der
Oberflache des Probestückes) 95°.
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Beispiel 3.
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Man rührt eine Gasnitrierung von Werkstücken und Probestücken aus
einem niedriggekohlten Stahl, der folgende Bestandteile (Gew.%) enthalt: C 0,07
bis 0,14, Cr 0,15, Ni 0,25, Si 0,17 bis 0,37. Die Werkstücke werden in eine Ofenmuffel
eingesetzt und nach Schließen mit einem Deckel in einem Ammoniakstrom erwärmt. Nachdem
in der Ofenmuffel eine Temperatur von 450°C t 50C erreicht worden ist, wird ein
magnetisches Gleichfeld erzeugt, das mit einem magnetischen Wechselfeld technischer
Frequenz gekreuzt wird. Eine weitere Erwärmung auf eine Temperatur von 570°C 5°C,
das Halten der Werkstücke auf dieser Temperatur während einer Stunde sowie die Abkuhlung
der Werkstücke auf eine Temperatur von 100°C t 500 werden in der Ofenmuffel unter
der Einwirkung eines magnetischen Gleichfeldes mit einer Stärke von 8,8 kA/m durchgeführt,
das mit einem magnetischen Wechselfeld mit einer technischen Frequenz von 50 Hz
und einer Stärke von 6,0 kA/m gekreuzt ist.
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Nach der Nitrierung wurden folgende Eigenschaften erzielt:
Diffusionsschicht
an einem niedriggekohlten Stahl 0,22 mm, Oberflächenhärte 535 kp/mm2, Plastizität
der Diffusionsschicht (Biegewinkel bis zur Rißbildung an der Oberfläche des Probestückes)
800.
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Beispiel 4.
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Man führt eine Gasnitrierung von Werkstücken und Probestücken aus
einer Präzisionslegierung durch, die 15,5 bis 16,5 % Cr, Rest - Fe und Beimengungen
enthält; Die Werkstük- -ke werden in eine Ofenmuffel eingesetzt und nach Schließen
mit einem Deckel in einem Ammoniakstrom erwärmt, Nachdem in der Ofenmuffel eine
Temperatur vorl 45000 + 50C erreicht worden ist, wird ein magnetisches Gleichfeld
erzeugt, das mit einem magnetischen Wechselfeld technischer Frequenz gekreuet wird.
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Die weitere Erwärmung auf eine Temperatur von 570°C + 500, das Halten
der Werkstücke auf dieser Temperatur während einer Stunde und die Abkühlung der
Werkstücke auf eine Temperatur von 1000C + 500 werden in der Ofenmuffel unter der
Einwirkung eines Gleichfeldes mit einer Stärke von 20 kA/m durchgeführt, das mit
einem magnetischen Wechselfeld mit einer Stärke von 7,2 kA/m und einer technischen
Frequenz von 50 Hz gekreuzt ist.
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Nach der Nitrierung wurden folgende Eigenschaften erzielt: Tiefe
der Diffusionsschicht 0,16 mm, Oberflächenw härte 740 bis 780 kp/mm2.
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Beispiel 5.
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Man führt eine Gasnitrierung von Werkstücken und Probestücken aus
einem Stahl durch, der folgende Bestandteile
(Gew.%) enthält: C
0,35 bis 0,42, Or 1,35 bis 1,65, Al 0,7 bis 1,1Mn 0,15 bis 0,25. Die Werkstücke
werden in eine Ofenmuffel eingesetzt und nach Schließen mit einem Deckel in einem
Ammoniakstrom erwärmt. Nachdem in der Ofenmuffel eine Temperatur von 45000 +50C
erreicht worden ist, wird ein magnetisches Gleichfeld erzeugt, das mit einem magnetischen
Wechselfeld technischer Prequenz gekreuzt wird. Die weit-ere Erwärmung auf eine
Temperatur von 570°5°C ,das Halten der Werkstücke auf dieser Temperatur wahrend
einer Stunde sowie die Abkühlung der Werkstücke auf eine Temperatur von 100°C5°C
werden in der Ofenmuffel unter der Einwirkung eines magnetischen Gleichfeldes mit
einer Stärke von 32 kA/m durchgeführt, das mit einem magnetischen Wechselfeld mit
einer technischen Frequenz von 50 Hz und einer Stärke von 8,8 kA/m gekreuzt ist.
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Die Tiefe der Diffusionsschicht betrug nach der genannten Behandlung
0,3 mm, die Oberflächenhärte 860 bis 900 kp/mm2.
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Beispiel 6.
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Man führt eine C-asnitrierung von Werkstücken und Probestücken aus
einem Stahl durch, der folgende Bestandteile (Gew.%) enthält: C 0,12, Si 0,8, Mn
1,0 bis 2,0, Cr 17 bis 19, Ni 8 bis 9,5, Ti 0,1 bis 0,7. Die Werkstücke und Probestücke
werden in eine Ofenmuffel einge-(Deckel setzt und nach Schließen mit einem) in einem
Ammoniakstrom erwärmt. Nachdem in der Ofenmuffel eine Temperatur von 45000 +5°C
erreicht worden ist, wird ein magnetisches Gleichfeld erzeugt, das mit einem magnetischen
Wechselfeld technischer
Frequenz gekreuzt wird. Die weitere Erwärmung
auf die Sättigungstemperatur von Stahl, das Halten der Werkstükke auf dieser Temperatur
während einer Stunde und die Abkühlung der Werkstücke auf eine Temperatur von 10000
+5 0C werden in der Ofenmuffel unter der Einwirkung eines magnetischen Gleichfeldes
mit einer Stärke von 17,6 kA/m durchgeführt, das mit einem magnetischen Wechselfeld
mit einer technischen Frequenz von 50 Hz und einer Stärke von 8 kA/m gekreuzt ist.
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Die Tiefe der Diffusionsschicht beträgt nach der Nitrierung 0,1 mm,
die Oberflächenhärte 900 kp/mm2.
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Beispiel 7.
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Man führt eine Gasnitrie@ung von Werkzeugen und Probestücken aus
einem Schnellarbeitsstahl durch, der folgende Bestandteile (Gew.%) enthält: C 0,8
bis 0,88, Cr 3,8 bis 4,4,W 5,5 bis 6,5, V 1,7 2,1, Mo 5$0-5S5, Ni 0,4, Rest Beimengungen.
Die Werkzeuge und Probestükke werden in eine Ofenmuffel eingesetzt und nach Schließen
mit einem Deckel in einem Ammoniakstrom erwärmt. Nachdem in der Ofenmuffel eine
Temperatur von 450°C +5°C erreicht worden ist, wird ein magnetisches Gleichfeld
erzeugt, das mit einem magnetischen Wechselfeld -b-ecliriischer Frequenz; gekreuzt
wird. Die weitere Erwärmung auf die Sätti'ungstemperatur von Stahl, das Halten auf
dieser Temperatur während einer Stunde und die Abkühlung der Werkzeuge und Probestücke
auf eine Temperatur von 1000C +5°C werden in der Ofenmuffel unter der Einwirkung
eines magnetischen Gleichfeldes mit einer
Stärke von 10,4 kA/m
durchgeführt, das mit einem magnetischen Wechselfeld mit technischer Frequenz von
50 Kz und einer Stärke von c%,8 kA/m gekreuzt ist.
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Die Standzeit der Werkzeuge verlangerte sich nach der Nitrierung
um das 5-fache.
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Das Nitrieren der Werkstücke nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
gestattet es, die Oberflächenhärte eines Werkstückes aus legierten Ställen zu vermindern,
was die Möglichkeiten für die Wahl von Reibpaarungen sowie den Bereich von Arbeitsgängen
zul' bildsamen Verformung (Prägen, Walzen usw.) erweitert.
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An niedriggekohlten Stählen ist eine bedeutende Erhöhung der Härte
und der Plastizität der Diffusionsschicht zu verzeichnen. Die Tiefe der Diffusionsschicht
der behandelten Werkstücke vergrößert sich um das 1,5 bis 2-fache Die Verwendung
eines magnetischen Gleichfeldes und eines dazu gekreuzten magnetischen Wechselfeldes
technischer Frequenz zum Gasnitrieren gewährleistet eine Erweiterung der Grenzwerte
der Parameter, die die Diffusionsschichten charakterisieren. Außerdem wird es möglich,
die Behandlungsbedingungen zu optimieren.