DE692080C - Verfahren zum Vergueten von metallischen Gegenstaein Gas- oder Dampfform - Google Patents

Description

• Verfahren zum Vergüten von metallischen Gegenständen durch thermische Zersetzung von Verbindungen in Gas- oder. Dampfform Es ist bereits bekannt, Metalle oder Legierungen durch thermische oder elektrische Zersetzung von Verbindungen in Gas- oder Dampfform, die das Vergütungsmittel beim Aufspalten abgeben, zu vergüten. So hat man z. B. Eisen bei Temperaturen zwischen 720 und 9oo° mit strömenden oder ruhenden Kohlenwasserstoffen bei gewöhnlichem ,oder ,erhöhtem Druck behandelt. Dabei tritt eine Zementierung bei der über dem Umwandlungspunkt liegenden Temperatur ein: Dieses bekannte Verfahren hat nun verschiedene Nachteile: So bildet .sich z. B. bei strömendem Acetylengas und Atmosphärendruck eine Kohlenstoff -schicht auf dem Werkstück. Durch diese Kohlenstoffschicht wird der ganze Einwirkungsvorgang bzw. Vergütungsvorgang infolge der starken Ablagerung von Kohlenstoff auf der Oberfläche sehr stark gehemmt. Die Kohlenstoffschicht stellt eine Spürrächicht dar, die den weiteren Zutritt von reaktionsfähigem Kohlenstoff zur Eisenoberfläche verhindert. Bei besonders dichter und starker Kohlenstoffablagerung findet fast keine Diffusion mehr statt. Hiermit ist die Tatsache zu erklären, wie das praktische Versuche erwiesen haben, daß z. B. bei der Zementation Luster Verwendung von festem Kohlenstoff trotz entsprechend langer Behandlungsdauer und trotz genügend höher Temperatur nur eine relativ geringe Zementations:tiefe von etwa o, i bis o,2 mm eintritt. Die Zementation verläuft besonders bei profilierten Werkstücken ungleichmäßig, da die Kohlenstoffablagerung an den hervorspringenden Stellen stärker ist als an den zurückliegenden Stellen. Solche zu schwach oder ungleichmäßig zementierte Schichten sind aber für die meisten technischen Zwecke vollkoanmen ungenügend; denn bekanntlich werden z. B. bei der Zementation Einsatztiefen von 'gleichmäßiger Beschaffenheit von etwa i mm und darüber gefordert.
• Es ist' ferner bekannt, daß Methan und die höheren Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, Benzin, Xylol, Toluol usw., mit der Kohlenstoffkonzentratio:n steigend, die Eigenschaft haben, verhältnismäßig leicht in ihre Bestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff zu zerfallen. Infolge dieses raschen Zerfalls verläuft für eine :gleichmäßige Kohlenstöffverteilung die Diffusion des Kohlenstoffes in das Eisen zu langsam. Infolgedessen steigt -der Kohlenstoffgehalt am, Rande des Werkstückes auf hohe Werte, um nach dem Kern zu schroff abzufallen. Man, nahm, dabei bisher an, daß durch .eine entsprechende Temperaturerhöhung sich das Diffusionsvermögen erhöhen würde und so ein besserer Verteilungsgrad zu erreichen wäre: Als unterste Temperaturgrenze ging man von goo° C aus, also einer Temperatur, die .nahezu als oberste Einsatztemperatur bezeichnet werden muß. Dieses bekannte Verfahren hat aber auch den Nachteil, d.aß durch die hohe Temperatur von über 9oo° C schön wesentliche Änderungen im Gefüge, z. B. 1s ornvergröberungen, auftreten, wenn man zur Erzielung größerer Einsatztiefen dig Behandlung über längere Zeit ausdehnen muß. Die durch die Temperaturerhöhung erzielte Vergrößerung der Diffusionsgeschwindigkeit war aber nur geringfügig, da der auf der Oberfläche abgeschiedene Kohlenstoff in molekularer, reaktio:asträgerForm vorlag. Der durch die geringfügige Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit erzielte Vorteil steht somit in keinem Verhältnis zu den großen Nachteilen, die in den durch die zu hohe Temperatur bedingten Gefügeänderungen liegen. Demnach wären die Kolilenwasserstoffe also lediglich-zur Erzielung geringer Einsatztiefen geeignet (Archiv für das Eisenhütten-Wesen 193i, S.58, rechte Spalte, Fall a).
• Man hat auch schön m einem Ofen die einzusetzenden Gegenstände in einer Richtung mit einem Gasstrom aus Verbrennungsgasen und Erdgas bewegt. In diesem Ofen kann man drei Zonen unterscheiden. In der ersten Zone zersetzt sich das Erdgas unter dem katalytischen Einflüß des Eisens und scheidet Kohlenstoff ab; in der zweiten wirkt das Kohlensäure enthaltende Verbrennungsgas auf den niedergeschlagenen Kohlenstoff so, daß sich Kohlenoxyd bildet, das die Aufkohlung herbeiführt; die dritte Zone ist mehr oder weniger nur eine Ausgleichszone, in der der aufgenommene Kohlenstoff weiter in das Innere hineinwandern kann, damit sich ein allmählicher übergang bildet. Die Temperatur ist dabei in der ersten Zone etwa 78o°, in der Aufkohlungszone etwa goo°; in der letzten Zone fällt sie allmählich auf 750°. Durch 3stün.diges Halten in der Einsatzzone wird eine Einsatzschicht von 1,5 mm erreicht; bei diesem bekannten Verfahren ist also eine relativ-lange Behandlungsdauer erforderlich.
• Es ist ferner nach O b e r h o f e r bekannt, gasförmige Zementationsmittel, wie Kohlen-Wasserstoffe, durch Zusetzen anderer Gase, z. B. von Kohlenoxyd oder Stickstoff, so weit zu verdünnen, daß ein Gemisch erzielt wird, dessen Zersetzungsgeschwindigkeit gerade gleich der Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffes im Eisen ist.
• Versuche des Erfinders haben aber gezeigt, daß das Zumischen fremder- Gase, wie z. B. von technischem Kohlenoxyd oder technischem Stickstoff, leicht zur Verzünderung der Oberfläche des Werkstückes führt, Die Verunreinigung des Zementationsgases mit Verdünnungsgasen. 'erweist :sich somit als nicht vorteilhaft. Bekanntgeworden ist auch ein Verfahren, nach dem Metallüberzüge durch Zersetzung von gasförmigen Metallverbindungen im Unterdruck, z. B. durch Aufdampfüng von Zirkon auf einen Wolframdraht, hergestellt werden. Bei diesem bekannten Verfah-`-r'en handelt es sich im Gegensatz zur vor-,legenden Erfindung um die Herstellung von metallischen ilberzügen.
• Es ist ferner ein Verfahren zum Zementieren von Massenartikeln aus Eisen und Stahl bekannt, bei dem kohlenwasserstoff-bzw. kohlenstickstoffhaltige Gase unter hohem Druck zum Zementieren verwendet werden. Kohlenwasserstoffe, unter Druck erhitzt, spalten aber Kohlenwasserstoffruß ab, so daß mit festen Kohlenstoffteilchen gearbeitet wird. Der zu zementierende Körper wird dabei mit einer Rußschicht bedeckt, die die Diffusion hindert. Die Abscheidung dieser festen, die Diffusion hindernden Kohlenstoffteilchen will die Erfindung gerade vermeiden. Es ist besonders wichtig' daß durch die Erfindung der unnütze Verbrauch an Carburiermittel, wie ein solcher bei der Hochdruckcarburierung eintritt, vermieden wird.
• Es ist ferner ein Verfahren bekannt, auch mit erhöhtem Druck von 15 Pfund pro Quadratzoll zu arbeiten. Unter dieser Bedingung spalten aber die Kohlenwasserstoffe auch in unerwünschter Weise Ruß ab. Durch die Erfindung werden die geschilderten Nachteile vermieden. -Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergüten von metallischen Gegenständen durch thermische Zersetzung von Verbindungen in Gas- oder Dampfform, wobei die Zersetzungsgeschwindigkeit der Diffusionsgeschwindigkeit angeglichen wird, welches sich dadurch auszeichnet, daß die Vergütung im Unterdruck durch Einstellung -eines entsprechend. niederen Druckes vorgenommen wird: Als Vergütungsmittel können dabei kohlenstoffabspaltende Gase oder Dämpfe, wie Kohlenwasserstoffe, dienen. Bei der Erfindung wird also im reinen Zeme.ntationsgas, wie Kohlenwasserstoffe, gearbeitet, so daß die vorstehend geschilderten Nachteile nicht eintreten.
• Die Konzentration des zu spaltenden Gases wird dabei vorteilhaft so hoch gewählt, daß sie zwischen dem Punkt liegt, bei dem bei der angewandten Vergütungstemperatur auf der Oberfläche des zu 'vergütenden metallischen Gegenstandes gerade noch keine oberflächlich wahrnehmbare elementare Abscheidung des Vergütungsmittels erfolgt, undeiner Konzentration, die um 500;ö niedriger liegt. In diesen Grenzen ist die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens besonders günstig. Die Konzentration der zu spaltenden Verbindungen, z. B. der Kohlemvasserstoffe, wie Acetylen, kann durch Herabsetzung des Gasdruckes geregelt werden; so kann man z. B. mit Vorteil. einen Acetylengasdruck von. o,5 mm Quecksilber ,anwenden' und erhält abei eine erhebliche Carburierungsgeschwindigkeit und Tiefe. Man erreicht so bei einer Temperatur von 88o° C in verhältnismäßig kurzen Zeiten von etwa 3o Minuten Einsatztiefen von 1,5 mm und mehr. $lei dem Verfahren behält der zu behandelnde Gegenstand ein feineres Korn, so daß man ohne Rückfeinung auskommt, wenn man bei höheren Temperaturen arbeitet. Die Erfindung ergibt also günstigere Resultate als die bekannten Verfahren mit festen und flüssigen Zementationsmitteln.
• Die Vorteile des Verfahrens bestehen insbesondere darin, daß einmal jegliche Kohlenstoffabscheidung oder Abscheidung anderer Vergütungsmittel auf den zu behandelnden Metallgegenständen vermieden. wird, so daß das Vergütungsmittel einen freien Zutritt zu der Metalloberfläche findet. Dadurch wird erreicht, daß das Vergütungsmittel leichter in die zu vergütende Schicht eindringen kann und infolge der ungehemmten Diffusionsgeschwindigkeit eine größere Tiefenwirkung auftritt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß infolge-der ungestörten Diffusion eine gleichmäßige Abnahme des Kohlenstoffgehaltes von der Oberfläche nach dem Kern des Werkstückes zu eintritt, da das in Reaktion mit denn Metall tretende Vergütungsmittel in statu nascendi vorliegt. Es wird vorteilhaft nur so viel Vergütungsmittel an die Reaktionsstelle gebracht, wie das Metall aufnehmen kann,, so daß jede hinderliche elementare Ablagerung des Vergütungsmittels auf der Oberfläche vermieden wird. Das nach .dem Verfahren behandelte Werkstück ist blank, so daß sich eine Reinigungsarbeit erübrigt..
• Ferner wird durch ;das Verfahren die Vergütungszeit erheblich herabgesetzt. Des weiteren wird eine -große Ersparnis an Vergütungsmittel erzielt, was bei teuren Vergütungsmitteln besonders von Vorteil ist. Das Vergütungsverfahren kann man z. B. vorteilhaft bei kohleanstoff-, silicium-, phosphor-, schwefel-, torabspaltenden Gasen oder Dämpfen oder deren Gemischen anwenden. Das zu spaltende Gas oder der zu spaltende Dampf kann im Bedarfsfalle vorerwännt werden. Diese Vorerwärm.ung kann bis knapp unter die Zersetzungstemperatur erfolgen. In manchen Fällen empfiehlt 'es sich auch, das Gas vorzukühlen, besonders wenn es sich um leicht zersetzliche Gase handelt. Die jeweils anzuwendende Konzentration, .der Druck und die Temperatur richten sich einmal .nach der Metall- oder Legierungsart des zu verg@tenden Gegenstandes und andererseits nach dem chemischen Charakter und den Eigenschaften der zu spaltenden Verbindungen und nach der Art des abzuspaltenden Vergütungsmittels. Die anzuwendenden Maßnahmen werden in jedem Falle in der üblichen Weise durch Stichversuche ermittelt. Durch entsprechende Wahl bzw. durch Herabsetzung der Konzentration des zu spaltenden Gases oder Dampfes durch entsprechende Einstellung des Druckes kann man im Einzelfalle die erfindungsgemäßen Arbeitsbedingungen ohne weiteres feststellen.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum Vergüten voh metallischen Gegenständen durch thermische Zersetzung von Verbindungen in Gas- oder Dampfform, wobei die Zersetzungsge-., schwindigkeit der Diffusionsgeschwindigkeit angeglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die ' Vergütung im Unterdruck unter Einstellung eines :entsprechend niederen Druckes vorgenommen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, d,aß kohlenstoffabspaltende Gase oder Dämpfe, wie Kohlenwasserstoffei als Vergütungsmittel-dienen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i und z, dadurch gekennzeichnet, daß -silicium-, pho:sphor-, schwefel-, bor- oder stickstoffabspaltende Gase oder Dämpfe als Vergütungsmittel dienen. q..
4. Verfahren nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Gemische der kohlenstoff-, silicium-, phosphor-, s@chwefel-, bor--oder stickstoffabspaltenden Gase als Vergütungsmittel dienen.
5. 5. Verfahren nach Anspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß' das zu spaltende Gas oder der zu spaltende Dampf vorerwärmt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß das zu spaltende Gas oder der zu spaltende Dampf vorgekühlt wird`.