DE635100C - Verfahren zur Erzeugung von harten Schichten aus Metallcarbiden durch Behandeln von metallischen oder mit metallischen Schichten versehenen Gegenstaenden - Google Patents

Description

Es ist bekannt, Werkstücke dadurch zu härten, daß man sie mit festem Kohlenstoff oder kohlenstoffabspaltenden Mitteln, auch Gasen, gegebenenfalls unter Druck behandelt und gleichzeitig auf Glühtemperaturen von 700 bis 1000⁰ C erwärmt (Zementation). Die Erwärmung geschieht dabei entweder unmittelbar oder mittelbar z. B. durch Hochfrequenzheizung. Man hat auch schon kohlenstoffabspaltende Mittel auf die erhitzte Oberfläche des Werkstückes geschleudert, um eine Zementation herbeizuführen.

Bei allen diesen bekannten Verfahren wird der zu zementierende Gegenstand längere Zeit durch und durch auf hohe Glühtemperaturen erhitzt und erleidet dadurch nachteilige Änderungen des Gefüges im Innern.

Bei der Erfindung werden diese Nachteile vermieden. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von harten Schichten aus Metallcarbiden durch Behandeln von metallischen oder mit metallischen Schichten versehenen Gegenständen, die zum mindesten in ihren Außenschichten ein oder mehrere carbidbildende Elemente enthalten; mit kohlenstoffhaltigen Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten, welches sich dadurch auszeichnet, daß die in einem abgeschlossenen drucksicheren Gefäß mit den zu behandelnden Gegenständen in Berührung gebrachten kohlenstoffhaltigen Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten auf thermischem Wege zerlegt werden, ohne daß hierbei die Gegenstände im ganzen auf solche Temperaturen erwärmt werden, bei welchen wesentliche Gefügeänderungen eintreten. Zur Herstellung von hitze- und säurebeständigen sowie verschleißfesten Schutzschichten kann dabei vorteilhaft, auf die Oberfläche des metallischen oder mit metallischen Schichten versehenen Gegen-Standes eine Schicht der Metalle der Chromgruppe aufgebracht werden, die vor der Carburierung vorteilhaft im Vakuum erhitzt wird.

Die aufgebrachte Metallschicht kann dabei ganz oder teilweise carburiert werden.

Die Erfindung bietet dem Bekannten gegenüber den Vorteil, daß die Erwärmung des Gegenstandes in der Druckkammer durch die Dissoziations wärme der sich spaltenden kohlenstoffhaltigen Gase nur kurzzeitig an der Oberfläche stattfindet, so daß das Gefüge im Innern unverändert bleibt.

Als carbidbildende Elemente (Stoffe) kommen insbesondere Chrom, Eisen, Silicium, Bor, Cer, Titan, Zirkon, Vanadium, Tantal, Wolfram, Molybdän, Uran in Betracht, die allein oder in beliebigen Mischungen in den zu behandelnden Schichten anwesend sein können. Sind verschiedene Elemente vorhanden, so müssen diese nicht in denselben Schichten liegen, sondern können auch in verschiedenen untereixtanderliegenden Schichten

größerer oder geringerer Stärke, jedenfalls aber im Tiefenwirkungsbereich der gebildeten Thermionen liegen. Eine solche Tiefenwirkung hängt ebensowohl vom Grade- der Dissozierung als auch von dem Druck ab, der bei der Dissozierung entsteht, außerdem auch von der Durchdringungsfähigkeit der Schichten selbst, die wiederum von Stoff zu Stoff verschieden ist.

Nach dem Verfahren der Erfindung können Gegenstände behandelt werden, deren Schichten aus einem oder mehreren Elementen in Mischung oder Legierung oder chemischer Verbindung bestehen, von denen eines oder mehrere der Carbidbildung fähig sind.

Weiterhin können auch Gegenstände behandelt werden, deren zu carburierende Schicht mit dem übrigen Körper verwachsen ist oder die besonders auf ihn aufgetragen ist so und dabei aus gleichem oder aber verschiedenem Stoff besteht. Jede Art der Auftragung und Verbindung der Schicht mit dem Gegenstand kann hierbei verwendet werden, die ausreichend fest ist, um bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Gegenstandes weder eine mechanische noch, wenn der Gegenstand chemisch beansprucht wird, eine chemische Loslösung zuzulassen.

Auch Gegenstände, die im Schmelzfluß oder durch Sinterung ganz oder teilweise erzeugt sind,' gleichgültig, ob sie darauffolgend irgendeiner mechanischen Bearbeitung unterworfen wurden oder nicht, können nach dem Verfahren behandelt werden. Soll nicht ein homogener Körper in seinen Außenschichten gemäß der Erfindung carburiert werden, dann können die carbidbildenden Elemente mittels geeigneten Auftragoder Verbrndungsverfahrens aufgebracht, insbesondere warm oder kalt aufgetragen, aufgespritzt, aufgepreßt oder aufgewalzt werden. Sie können auf chemischem oder elektrolyti- * schem Wege, 2. B. durch Schmelznußelektrolyse, abgeschieden werden. Auch durch Diffusion oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise, insbesondere durch ein Plattierungsverfahren, könneri die Schichten aufgebracht sein. Sie können schließlich auch aüfgesintert oder aufgeschmolzen werden. - Die zu carburierende Schicht kann auch beispielsweise auf Porzellan oder einen sonstigen keramischen Stoff, ebenso auf Marmor oder ein-sonstiges naturgewachsenes Gestein aufgebracht sein. Aber auch Sinterlegierungen und Preßmassen, wie z. B. Kunststein- und Kunstharzmassen, können als Unterlage dienen.

Gemäß der Erfindung werden also die zu behandelnden Schichten der Einwirkung von durch thermische Dissozierung aus gasförmigen oder flüssigen kohlenstoffhaltigen Verbindungen abgespaltenen Kohlenstoff ausgesetzt. Die thermische Dissozierung kann durch Explosion, durch Stoßionisation durch elektrischen Zündfunken oder durch Erhitzung erfolgen. Auch die Erhitzung wird vorzugsweise elektrisch (Widerstandserhitzung) vorgenommen werden. Die Spaltung oder Abscheidung wird vorteilhaft in neutraler Atmosphäre vorgenommen.

Besonders vorteilhaft ist es, den zu behandelnden Gegenstand in ein Gefäß einzubringen,, das soweit als möglich luftleer gemacht ist und in das sodann die zu spaltende flüssige oder gasförmige Kohlenstoffverbindung (oder Verbindungen) eingelassen oder in dem diese darm erzeugt wird. Durch Arbeiten im Vakuum sollen zunächst die zu behandelnden Schichten von okkludierten Gasen befreit werden. Diese Entgasung kann durch Erwärmung des Metallkörpers durch Hochfrequenz ebenso wie durch Behandlung des Gegenstandes mit hochgespanntem Wechselstrom beschleunigt werden. Vorteilhaft geht die Entgasung im Vakuum der Einleitung der carburierenden Gase voraus.

Die Aufspaltung oder Abscheidung des Kohlenstoffs kann im übrigen in jeder geeigneten Weise erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es, Acetylengas zur Carburierung zu ver- go wenden, das im geschlossenen Raum zur Explosion gebracht wird, wobei sich Kohlenstoff abscheidet. Da die Explosion einen exothermen Vorgang darstellt und von bedeutender Druckerhöhung begleitet ist, wird sowohl der zu carburierende Körper, zumindest in den » Oberflächenschichten, ausreichend erwärmt als auch die gebildeten Gasionen (Kohlenstoffionen) in die zu carburierenden Schichten eingedrückt, so daß Carbide auf gewünschte Tiefe entstehen. Natürlich kann diese Be-■ handlung beliebig wiederholt werden.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, korrosionsfeste und erosionsfeste Oberflächenschichten zu erzeugen. Durch entsprechende Auswahl' des oder der carbidbildenden Elemente kann, die Oberfläche auch sehr verschleißfest und hart gemacht werden. Durch geeignete Mischung der Elemente können Verschleißfestigkeit und Härte beliebig verändert und insbesondere kann die Mischkristallbildung bei der Carburierung unterstützt werden. Je größer die Besetzung der Oberfläche mit carbidbildenden Elementen ist, desto größer wird die Härte der Oberfläche. Je größer der Zusatz nicht carbidbildender Elemente zwischen diesen letzteren in den zu behandelnden Schichten ist, desto geringer wird die Härte, während die Zähigkeit vergrößert wird. Durch geeignete Wahl oder Mischung der Elemente kann die Oberfläche insbesondere warmfest gemacht und eine mit

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der .Unterlage haltfest verbundene Oberfläche geschaffen werden.

Durch die Erfindung werden lange Wärme- und Hitzebehandlungen des Gegenstandes vermieden, da die Carburierung in kürzester Zeit, wenn man will, sogar schlagartig, vor sich geht. Dann kann man nach erfolgter Explosion (thermischer ■ Dissozierung) den Gegenstand längere oder kürzere Zeit der

ίο Einwirkung der Thermionen aussetzen und durch Nachschub kohlenstoff abspaltender oder abscheidender Gase und Wiederholung der thermischen Dissozierung für fortgesetzte Einwirkung der naszierenden Kohlenstoffionen auf den zu behandelnden Gegenstand sorgen, ebenso wie man nach einmaliger Einwirkung die Behandlung alsbald unterbrechen kann. Auf jeden Fall wird hierbei die Carburierung in viel kürzerer Zeit durchgeführt, als dies beim Zementieren durch Einsetzen oder aus einer am erhitzten Gegenstand vorbeistreichenden kohlenstoffhaltigen Gasatmosphäre sonst möglich wäre.

Darum kann man gemäß der Erfindung metallhaltige Gegenstände und Legierungen auch in den Eigenschaften ihrer Randschichten wesentlich verändern, ohne sie im übrigen, insbesondere in ihrer Struktur, zu ändern. So kann man gemäß der Erfindung hitzebeständige und zunderfeste carbidhaltige Oberflächen und Überzüge, letztere sogar oft ohne künstliche Zwischenschicht, aufbringen.

Die Erfindung soll in der Hauptsache einen

verbesserten Schutz für Metalle oder Metalloberflächen ergeben, indem man in oder auf diesen eine Deckschicht, einen Belag oder einen Überzug, erzeugt, die hart, dicht und korrosionsfest ist. Die Deckschicht kann auch besonders hohen Widerstand gegen Verschleiß oder andere mechanische Abnutzung bei erhöhter oder gewöhnlicher Temperatur darbieten. Die Deckschicht kann einen beliebig dünnen Belag oder eine beliebig dicke Schicht darstellen.

Des weiteren kann die Deckschicht gemäß der Erfindung ebenso hart als auch von· hoher Hitzebeständigkeit sein, ohne daß sie abblättert oder abspringt.

Im besonderen erzeugt die Erfindung eine carbidische Deckschicht mit den soeben festgestellten Eigenschaften, die im Gegensatz zu bisher hergestellten carbidischen Oberflächen, so z. B. von einsatzgehärteten Eisengegenständen, glatt, regelmäßig, frei von mikroskopisehen Rissen und vollkommen gleichmäßig dick ist. Die Dicke kann dabei nach Wunsch bemessen werden.

Gemäß der Erfindung wird weiterhin eine Deckschicht erzeugt, die eine Mehrzahl von Schichten von verschiedenen metallischen Legierungen und Gemengen enthält, die so angeordnet sind, daß etwaige Unterschiede zwischen den Ausdehnungskoeffizienten aneinandergrenzender Schichten so herabgemindert sind, daß jede Gefahr des Splitterns oder x4±>trennens einer der Schichten vermieden ist. Eine solche Deckschicht schützt den bedeckten Gegenstand auch bei großen und plötzlichen Temperaturschwankungen, ohne abzuspringen.

Die Erfindung sei nun an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Ein Gegenstand aus Stahl sei vorher mit Chrom galvanisiert worden, und dieser Chromniederschlag soll nun ganz oder teilweise in eine carbidische Deckschicht umgewandelt werden. In der mehr schematischen Zeichnung sind

Abb. ι ein Schnitt durch ein zunächst galvanisch überzogenes Stück Stahl,

Abb. 2 eine Ansicht einer Deckschicht, die durch Kohlung (Carburierung) im Sinne der Erfindung auf dem Grundstoff (Stahl) entwickelt wurde,

Abb. 3 eine ähnliche Ansicht, die eine Umwandlung der Deckschicht durch weitere Kohlung der in^r der Fig. 2 gezeigten Schicht gemäß der Erfindung zeigt,

Abb. 4 ein teilweiser Schnitt und teilweise Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung einer Ausführungsform der Erfindung,

Abb. S eine schematische Skizze gewisser Einzelteile der Fig. 4 und verschiedener elektrischer Schaltungen und Zubehörteile zur Ausführung eiaer Kohlung durch selbsttätig wiederholtes schrittweises Kohlen,

Abb. 6 ein senkrechter Schnitt, hauptsächlich längs der Linie 6-6 in Abb. 5, der weitere Einzelheiten zeigt,

Abb. 7 eine der Abb. 4 ähnliche Ansicht einer anderen Vorrichtung um die Deckschicht an einer, inneren Oberfläche, anstatt einer äußeren zu erzeugen.

In der Abb. 1 trägt ein Stahlstück 10 auf einer zu schützenden Oberfläche eine Chromplattierung 11. Diese Plattierung wird vorteilhaft einem Reinigungsprozeß unterworfen, um etwa eingeschlossene Gase zu entfernen; am besten wird der plattierte Gegenstand im Vakuum etwa 30 Minuten lang auf etwa 300° C erhitzt. Die Plattierung kann in jeder tio geeigneten Weise vollzogen sein, z. B. durch Galvanisieren. Die Dicke der Chromschicht kann nach den Erfordernissen gewählt werden; sie soll jedenfalls einen dichten zusammenhängenden Niederschlag auf Stahl bilden.

Bei der galvanischen Verchromung entsteht an der Kathode eine starke Wasserstoffentwicklung und demzufolge ein Einschluß von etwas Wasserstoff in das niedergeschlagene Chrom. Überdies sind regelmäßig mikroskopische Risse und Spalten in der Chromplattierung vorhanden. Aus diesem Grunde

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nimmt man gewöhnlich zuerst eine (galvanische) Vernicklung, Verkupferung o. dgl. vor und bringt auf dieser erst die Chromplattierung an, wenn der so plattierte Gegenstand gegen Rost oder Korrosion geschützt werden soll. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß eine solche Grundlage aus Nickel, Kupfer o. dgl. für eine Chromplattierung oder Deckschicht wegfallen kann, da ίο alle Spalten und Risse während der Erzeugung der Schutzschicht gemäß der Erfindung gleichsam mit Kohlenstoff gefüllt werden und die Schutzschicht vollständig undurchdringlich gemacht wird.

Nach der Erfindung wird vorzugsweise eine Chromplattierung, wie in Abb. 1 gezeigt, carburiert (gekohlt), bis eine Schutzschicht für das Stahlgrundmaterial 10 entwickelt ist, die eine äußere Chromcarbidoberflächenschicht 12, 20" darunter eine Chromschicht 13 und zu inner st eine Grundschicht 14 aus einer Legierung von Chrom und Stahl aufweist, wie Abb. 2 zeigt. Die Tiefe (Dicke) der in Carbide umgewandelten Schicht 12 kann gewünscht ein- «5 gestellt "werden. In Abb. 3 ist gezeigt, wie nicht nur Schichten 12', 13', 14' entsprechend den Schichten 12, 13, 14 der Abb. 2, sondern auch eine Zwischenschicht 15 entwickelt werden, welch letztere eine Legierung von Chrom ' und Chromcarbiden zwischen den Schichten 12' und 13' darstellt.

Bei der Durchführung der Erfindung wird vorteilhaft ein Chromüberzug auf irgendein Grundmetall durch Elektrolyse aufgebracht. Ein Kohlenwasserstoff, entweder gasförmig (wie z. B. Methan, Äthylen oder Acetylen) oder in einem anderen Zustand (z. B. flüssig, wie Benzin oder Benzol), wird mit der chromierten oder aus Chrom bestehenden Schicht in Berührung gebracht. Die Hitze oder Druck oder beide, welche zur Dissozierung der im Kohlenwasserstoff verbundenen Kohlenstoff- und Wasserstoffatome notwendig sind, werden zusammen mit der bei der Spaltung auftretenden Wärme gleichzeitig dazu benutzt, um die Carburierung des Chroms auf gewünschte Tiefe zu bewirken. Vorteilhaft wird die Temperatur so hochgestellt, daß etwas Chrom schmilzt, ohne daß aber das ganze Chrom geschmolzen oder gar die Struktur des Grundmaterials (besonders wenn diese kristallin ist) geändert wird. Die Tiefe der Umwandlung der Chromschicht kann durch Wahl des Drucks mitbestimmt werden. Die Erhaltung einer neutralen oder reduzierenden Atmosphäre im Augenblick der Anlagerung des Kohlenstoffs an das Chrom geschieht in diesem Fall durch den frei werdenden Wasserstoff selbst.

Die in der Abb, 4, 5 und 6 dargestellte Vorrichtung stellt einen hermetisch verschlossenen Behälter dar mit einer Grundplatte 16 und einer Haube 15. In derf geöffneten Behälter können ein oder mehrere Stücke (17) eingesetzt werden, in diesem Beispiel zwei ⁶S Kolben, die auf einer äußeren Chromplattierung eine schützende Deck- oder Oberflächenschicht oder -struktur erhalten sollen. Durch Schrauben 18 werden die Teile 15 und 16 zu-' sammengehalten. 19 ist eine Dichtung. Ein Rohr 20 führt zu einer nicht gezeichneten Vakuumpumpe und eine Leitung 21 zu einem nicht dargestellten Tank, der einen Vorrat z. B. von Acetylengas unter einem Druck von 30 bis 50 kg cm² enthält. 22 ist ein Manometer, 23 sind Zündkerzen.

In der Leitung 20 liegt ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil 24 mit Ventilstange 24", an der ein Magnetanker 24* sitzt. Wenn dieser Anker durch zwei darüberliegende Elektromagnetspulen 24^C angezogen wird, ist das Ventil geöffnet, wird der Anker durch zwei darunterliegende Spulen 24^ angezogen, so ist das Ventil geschlossen.

In der Leitung 21 sitzt ein ähnliches Ventil 25, das durch einen Anker 25* auf der Ventilstange 25" und darüber- und darunterliegende Spulen25° bzw 25^ in gleicherweise gesteuert wird. Am oberen Ende der Stange 25° sitzt ein Kontakt 26, der auf einen feststehenden Gegenkontakt 26 auftrifft, wenn sich die Stange 25** in Schließstellung befindet.

Im Manometergehäuse befinden sich drei Kontaktpaare A und A', B und B', C und C". Die Kontakte Λί', B', C sind durch dieLeitungen 27, 28, 29 mit einer passenden Strom- ■ ■-quelle verbunden bzw. geerdet. Der Kontakte ist durch Leitungen 30, 31 mit den beiden Spulen 25^C verbunden und geerdet und durch Leitungen 32 und 33 mit den beiden Spulen 24** verbunden und geerdet. Der Kontakt B ist durch Leitungen 34, 35 mit den beiden Spulen 25^ verbunden und geerdet und durch eine Leitung 36 mit dem Kontakt 26 auf Ventilstange 25^s. Der feststehende Kontakt 26 ist durch Leitungen 37, 38 mit den Zündkerzen 23 verbunden. Der Kontakt C ist durch Leitungen 39, 40 an die beiden Spulen 24^C angeschlossen.

Die Manometernadel 22" zeigt normaler- no weise auf Null auf der Skala (Abb. 5). Sie zeigt den Gasdruck an. An der Zeigerspitze sitzt ein Mitnehmer 41, der eine Bürste 42 aus leitendem "Material trägt, mit der je eines der drei Kontaktpaare A, A', B₁ B' bzw. C₁ C überbrückt werden kann, wenn) der Zeiger auf eine entsprechende Stelle der Skala weist. Die Kontakte haben zweckmäßig bogenförmige Gestalt und sind im Kreise angeordnet. Wenn das Manometer einen passenden Überdruck zeigt, z. B. 2 Atmosphären, dann möge das Kontaktpaar B₁ B' durch die Bürste 42 über-

brückt sein. Wenn das Manometer auf einen vorher festgesetzten tieferen Druck fällt, mögen die Kontakte A, A' durch die Bürste überbrückt werden; wenn das Manometer auf höhere Werte zeigt, 4 bis 20 Atmosphären, mögen die Kontakte C und C überbrückt werden.

Es sei angenommen, daß der Behälter 15, 16 nach Aufnahme der chromplattierten KoI-ben 17 (Abb. 4) luftdicht geschlossen und hierauf aufgeheizt wurde. Wenn vor den Kolben 17 andere Gegenstände in der Vorrichtung behandelt worden waren, ist das Ventil 25 der Acetylenleitung 21 zu schließen und das Ventil 24 in der Vakuumpumpenleitung zu öffnen. Ebenso wird die Vakuumpumpe angelassen und am Schluß der Behandlung zweckmäßig abgestellt.

Der Druck im Behälter 15, 16 sei zunächst gleich äußerem Atmosphärendruck (Null auf der Skala), obwohl das in der Pumpenleitung 20 befindliche¹ Ventil offen ist. Infolgedessen nimmt die Bürste 42 die Stellung gemäß Abb. 5 ein, und alle Stromkreise sind offen.

Mit fortschreitender Evakuierung fällt der Druck in dem Gefäß 15 bis 16, bis eine vorbestimmte Grenze nahe dem absoluten Vakuum erreicht ist. Jetzt wird das Kontaktpaar A, A' durch die Bürste 42 überbrückt, die beiden Magnetspulen 24** werden erregt und schließen das Ventil in der Vakuumleitung 20, während die Spulen 2ζ^α das Ventil in der Acetylenleitung 21 öffnen. Nun strömt unter gewünschtem hohem Druck (gegebenenfalls über ein Reduzierventil) Acetylengas in das Gefäß 15, 16, so daß der Druck auf ungefähr 2 Atmosphären steigt. In diesem Augenblick mögen die Kontakte B, B' durch die Bürste 42 überbrückt werden, und -die beiden Magnetspulen 25^ schließen das Ventil in der Acetyl enleitung 2i. Hierbei werden auch die Kontakte 26 geschlossen (Abb. 5) und die Zündkerzen 23 an Spannung gelegt, an denen der Funke überspringt und das Gas in dem Gefäß 15, 16 entzündet. Die nun erfolgende Explosion dissoziiert den Kohlenstoff und den Wasserstoff des Gases, und die Kohlung' (Carburierung) der Chromplattierung 17 beginnt. Die plötzliche Druckerhöhung in dem Behälter ist außerordentlich groß, der Manometerzeiger wird auf einen viel höheren Druck zeigen, und dadurch wird fast augenblicklich die Bürste 42 von den Kontakten B, B' wieder weggerissen und im Uhrzeigersinn über die Kontakte C, C geführt; dabei verursachen die zwei Magnetspulen 24^C das Öffnen des Ventils in der Pumpenleitung 20, wodurch der Explosionsdruck gemindert wird und eine Temperatursenkung fast augenblicklich der Explosion folgt. Die Bürste 42 schlägt so schnell nach rechts aus, daß es wünschenswert ist, die Kontakte (wie dargestellt) über einen beträchtlichen Teil des Bürstenweges auf der Skala auszudehnen, um die zwei Magnetspulen 24^C mit Sicherheit zu erregen und das Ventil in der Pumpenleitung 20 zu öffnen.

Nach Öffnen des Ventils in der Leitung 20 werden die Gasrückstände des Behälters 15, 16 durch die Vakuumpumpe abgesogen, der Druck in diesem Behälter fällt und der Manometerzeiger fällt wieder auf Unterdruck, wo die Kontakte A, A' wieder durch die Bürste 42 überbrückt werden. Bei diesem Rückgang kann die Bürste 42 den Zündstromkreis über die Kontakte B, B' aber nicht schließen, weil dieser infolge des wieder geöffneten Kontaktpaares 26 unterbrochen ist.

Bei der Beendigung der Linksdrehung der Bürste 42 während des Druckabfalls werden die Kontakte A₁A' wieder überbrückt, und es wiederholt sich der beschriebene Kreislauf.

Wenn diese Kreisläufe gewünscht oft wiederholt sind, wird der Chromüberzug der Kolben 17 auf beabsichtigte Tiefe gekohlt (carburiert) sein. Nunmehr wird die Vakuumpumpe abgestellt. Um eine Kohlung zu erreichen, wie sie z. B. in Abb. 2 dargestellt wurde, genügen etwa 5 bis 10 Wiederholungen, ein Vorgang, der etwa 1 bis 2 Minuten erfordert. Um eine Kohlung z. B. nach Abb. 3 zu erzielen, genügen 50 bis 100 Wiederholungen des Kreislaufes, was etwa 10 bis 15 Minuten erfordert.

Beim Abstellen der Vakuumpumpe, z. B. von Hand, bleiben die Teile der Vorrichtung . (Abb. 4, 5 und 6) immer in der für Beginn und Fortsetzung einesi neuen, selbsttätigen Arbeitsganges erforderlichen Stellung (d. i. mit dem Manometerzeiger 22^a auf Null Atmosphären Überdruck, mit offenem Ventil 24 in der Pumpenleitung und geschlossenem Ventil 25 in der Acetylenleitung). Wird z. B. die Pumpe abgestellt, so schwenkt die Bürste 42 nach rechts von den Kontakten A₁A' hinweg nach den Kontakten B₁ B' unter dem Druck des in die Kammer 15, 16 einströmenden Acetylene, da das Ventil 25 offen ist. Das Ventil 24 ist aber geschlossen und die Pumpe, ob sie läuft oder nicht, ohne Einfluß. Daher wird die Bürste 42 ihre Rechtsbewegung fortsetzen, die Kontakte B₁ B' überbrücken, hierdurch das Ventil 25 in der Acetylenleitung schließen und das Acetylen in dem Behälter 15, 16 zum Explodieren bringen. Danach wird als Folge der Explosion die Bürste 42 die Kontakte C, C überbrücken, die das Ventil in der Pumpenleitung öffnen, aber das Ventil 25 in der Acetylenleitung noch geschlossen lassen. Mit nun offenem Ventil in der Pumpenleitung sinkt der Druck in dem Behälter, iao und die sich daraus ergebende Linksbewegung der Nadel 22° setzt sich nur so weit fort, bis

Atmosphärendruck im Behälter herrscht; die Bürste 42 wird also nicht bis zu den Kontakten A, Ä gelangen,, und dadurch wird das Ventil 24 nicht wieder geschlossen und das Ventil 25 nicht wieder geöffnet.

Die in Abb. 6 gezeigte Vorrichtung arbeitet wie die eben "beschriebene. Sie soll hauptsächlich zur Kühlung verchromter Oberflächen im Innern hohler Gegenstände dienen, wie es etwa ein Rohr 43 ist. Das Innere solcher Gegenstände kann also einen TeiL des Explosionsraumes bilden. Ein solches ausreichend festes Rohr ruht an seinen beiden Enden auf Dichtungsringen, so daß der Innen<raum hermetisch abgeschlossen wird, wenn die Verschlußstücke 45 und 46, die auf diesen Dichtungen sitzen, zusammengepreßt werden, indem man z. B. den Deckel 45 auf einen Träger 47 montiert, der fest an einer hydraulischen Presse 48 sitzt, während man den Deckel 46 auf den Preßkolben 49 montiert. Leitungen 20^ß, 2i^a entsprechen der Pumpenleitung 20 bzw. der Acetylenleitung 21 in Abb. 4, Zündkerzen 23° entsprechen den Zündkerzen 23 in Abb. 4, ein Manometer 22' entspricht dem Manometer 22." Die Leitungen 2o°, 2i^ß sind mit Ventilen versehen wie die Ventile 24 und 25 in Abb. 4, und das Manometer 22' hat entsprechende Kontakte und eine Schleifbürste am Zeiger. Mit diesem Teile sind elektrische Leitungen verbunden wie in Abb. 4, S und 6. Die Vorrichtung wird in gleicher Weise wie die zuerst beschriebene benutzt, in der natürlich gleichfalls Innenflächen carburiert werden könnten.

Acetylen ist ein ungesättigter Kohlenwasserstoff, der unter Hitze oder Druck oder infolge einer Entzündung in seine Komponenten Wasserstoff und Kohlenstoff zerfällt. Diese *o thermische Dissoziation erfolgt bei 6oo° C bereits zu 87 %· Bei 75°° C steigt die Dissoziation auf 97 °/o, sogar unter normalem Druck, wenn das Acetylen z. B. durch ein entsprechend erhitztes Rohr geleitet wird. Bei 4-5 einer Temperatur von 900⁰ C und einem Überdruck von nur einer Atmosphäre verläuft die Dissoziation explosiv. Wenn Acetylen mit einem elektrischen Funken oder Glühdraht in Berührung gelangt, unter normalem Druck bei' konstantem Volumen, so erfolgt die explosive Dissoziation nur in der Nähe des Drahtes oder des Funkens. Bei höherem Druck und konstantem Volumen verursacht die Zündung jedoch· eine vollständige Dissoziation. Eine solche thermischeDissoziation bei konstantem Volumen wird bei der Erfindung benutzt und trägt wesentlich zur sauberen Erzeugung von Chromcarbiden bei.

Zunächst überschreitet die Dissoziationstemperatur des explodierten reinen Acetylene 3000° C. Diese Temperatur gewährleistet an .

und für sich die Kohlung des Chroms, d. h. die Bildung eines oder mehrerer Chromcarbide, die bereits bei viel niedrigeren Temperaturen erfolgt. Ferner wird eine entsprechende Menge Wasserstoff frei und bleibt gasförmig anwesend. Frei werdender Kohlenstoff wird auch durch den Wasserstoffdruck in die Poren der Chromschicht gedrückt. Wenn die beschriebenen Vorgänge wiederholt werden, so wird die Chromoberfläche bei hohen und höheren Temperaturen auf immer größere Tiefe carburiert. Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse, die bei Explosionsversuchen mit reinem Acetylengas (100 °/o C₂H₂) bei konstantem Volumen erhalten wurden.

Zünd über	Druck unmittelbar	Disso ziations-	Verhältnis
druck in Atm.	nach der Dissoziation	dauer in V1000 sek	von Zünd- zu Enddruck
	Atm.
2,23	8,77		3,93
2,23	10,73	—	4.81
5.50	18,58	77,8	5,31
3.73	19,53	—	5,53
5.98	41^	66,7	6,90
■ 5.98	43,43	—	7,26
5.98	41.53	45,9	6,94
11,23	92,73	26,1	8,24
11,23	91.73	39,2	8,00
21,13	213,70	16,6	10,13
21,13	212,60	18,2	10,13

Wenn z. B. auf elektrochemischem Wege hergestellte Chromoberflächen mittels der Di-'amantritzmethode untersucht werden, werden Härtegrade erreicht, die etwa 960 Brinellgraden entsprechen. Wenn jedoch ein derartiger Chromüberzug nach der Erfindung in Carbide verwandelt wird, werden mittels der Diamantrkzmethode Härtegrade festgestellt", die etwa 3800 Brinellgraden entsprechen. Die Härte von Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,8 °/₀ entspricht nur 220 Brinellgraden.

Der Schmelzpunkt von reinem Chrom liegt bei etwa 1615° C, derjenige der Chromcarbide bei etwa 2000⁰. Ferner werden Chromcarbide nicht durch Salpetersäuren angegriffen, während sogar Schwefelsäure, wenn auch nur schwer, und Salzsäure sehr schnell Chrom auflöst.

Obwohl Chrom Alkalien widersteht, schützt ein auf elektrolytischem Wege aufgebrachter Chromüberzug die plattierte Oberfläche dennoch nicht vollständig, weil der Überzug nicht porenfrei ist. Weiterhin ist elektrolytisch niedergeschlagenes Chrom übersättigt mit dem bei der Galvanisierung entstehendem Wasserstoff, der die Zwischenräume zwischen

den Chromkristallen ausfüllt und von diesen eingeschlossen wird. Schwache Temperaturänderungen verursachen verschiedene Ausdehnung des Chroms und des darin eingeschldssenen Wasserstoffes, wodurch ein Ablösen der Chromplattierung von der darunterliegenden Oberfläche unterstützt wird. Durch die Erfindung wird ein elektrolytisch niedergeschlagener Chromüberzug in Chromcarbide

ίο verwandelt und ein Chromcarbidüberzug erzeugt, der ein idealer Schutz für ein darunterliegendes Metall ist. Ein derartiger Überzug hat außerordentliche Härte, sehr hohen Schmelzpunkt und weist eine vollkommen homogene und gleichmäßige Struktur auf. Die Umwandlung eines auf elektrolytischem Wege hergestellten Chromüberzuges in Chromcarbid erfolgt in einer bewährten Ausführung der Erfindung nach Erhitzung des Chromüberzugs auf hohe Temperaturen im Vakuum, wobei der interkristalline Wasserstoff ausgetrieben wird und die Poren und Risse im Chrom offen läßt, die nunmehr das tiefe Eindringen des Kohlenstoffes in das Chrom erleichtern. Dieses Erhitzen im Vakuum wird am besten ausgeführt, nachdem die mit dem Chromüberzug versehenen Gegenstände abgespült und getrocknet wurden. Hierzu wird vorteilhaft im Explosionsraum eine Vorwärmeeinrichtung für die zu kohlenden Oberflächen vorgesehen. Am besten verwendet man dazu einen entsprechend geschützten elektrischen Heizwiderstand. Bei Anwendung der Erfindung hängt die Anzahl der auszuführenden Explosionen von der Dicke der Chromschicht und dem gewünschten Kohlungsgrad ab. Wenn die Explosionen genug oft wiederholt worden sind, schreitet die Umwandlung von Chrom in Chromcarbid fort, so daß man eine Schutzdeckschicht erhält, die eine Oberflächenschicht von Chromcarbid und darunter eine Chromschicht enthält, wie z. B. in Abb. 4 gezeigt wurde. Wenn das Chrom auf eine Eisen- oder Stahloberfläche aufgebracht wurde, wird es auch, wie in Abb. 3 gezeigt, eine unterste Schicht von Chrom und Eisenlegierungen geben, welche die Chromcarbide von dem Eisen trennen und doch zugleich eine feste Verbindung zwischen der Chromschicht und dem Eisen bilden.

Wenn die Oberfläche nur gegen Korrosion geschützt werden soll, werden einige Explosionen genügen, und in diesem Fall wird auch eine sehr dünne Chromschicht (0,0026 oder 0,00026 mm) ausreichend sein. Wenn man einen Schutz gegen mechanische Abnutzung und Verschleiß schaffen will, ist es ratsam, mit einer dickeren Chromschicht fungefähr wenige Hundertstel eines Millimeters dick) anzufangen und durch eine größere Anzahl von Explosionen eine dickere Chromcarbidschicht entstehen zu lassen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung von harten Schichten aus Metallcarbiden durch Behandeln von metallischen oder mit metallischen Schichten versehenen Gegenständen, die zum mindesten in ihren Außenschichten ein oder mehrere carbidbildende Elemente enthalten, mit kohlenstoffhaltigen Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die in einem abgeschlossenen, drucksiöheren Gefäß mit den zu behandelnden Gegenständen in Berührung gebrachten kohlenstoffhaltigen Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten auf thermischem Wege zerlegt werden, ohne daß hierbei die Gegenstände im ganzen auf solche Temperaturen erwärmt werden, bei welchen wesentliche Gefügeänderungen eintreten.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von hitze- und säurebeständigen sowie verschleißfesten Schutzschichten, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des metallischen oder mit metallischen Schichten versehenen Gegenstandes eine Schicht der Metalle der Chromgruppe aufgebracht wird, die vor der Carburierung vorteilhaft im Vakuum erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachte Metallschicht ganz oder teilweise carburiert wird.

4. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Evakuierung des Druckgefäßes (15, Abb. 4), die Zufuhr des Behandlungsmittels zu dem Druckgefäß mit dem Behandlungsgut (17, Abb. 4), die Zündung des Reaktionsgases, die Ableitung der Reaktionsgase und des sich bei der Reaktion bildenden, etwa überschuss!- gen Kohlenstoffes, das Evakuieren des Reaktionsraumes sowie die erneute Zuführung des Behandlungsmittels usw. durch elektrisch oder magnetisch gesteuerte Ein- und Auslaßventile (24, 25, Abb. 4) in den Zu- bzw. Abführungsleitungen (20, 21, Abb. 4) geschieht, die durch den im Reaktionsraum jeweils herrschenden Druck über eine durch einen Manometerzeiger (22^a, Abb. 4, S) betätigte Kontaktvorrichtung gesteuert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen