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Verfahren zur Oberflächennitrierung von Stahlgegenständen Die Erfindung
bezieht sich auf Verfahren zur Nitrierung von Stahlflächen, insbesondere der Innenflächen
von Stahlrohren.
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Nitrieren ist ein allgemein bekanntes Verfahren zur Einsatzhärtung
von Stahloberflächen. Bisher bekannte Nitrierverfahren umfassen u. a. die Erwärmung
des Stahls auf etwa 425 bis 65o° C in einem gegen die Atmosphäre abgedichteten Spezialofen.
Ammoniakgas wird bei etwa atmosphärischem Druck oder zwecks besseren Ausschlusses
der Luft bei etwas darüber liegendem Druck durch den Ofen getrieben. Ammoniakgas
dissoziiert bei dieser Temperatur zu naszierendem Stickstoff und Wasserstoff. Naszierender
Stickstoff bindet sich mit der Stahloberfläche und ruft den gewünschten Nitriereffekt
hervor. Wenn er sich jedoch nicht sofort bindet, bildet er inerten molekularen Stickstoff.
Solche Verfahren haben den Nachteil, daß sie besondere Ofeneinrichtungen erfordern;
außerdem arbeiten sie unerwünscht langsam und führen zu beträchtlichen Ammoniakverlusten.
Außerdem erschwert die geschlossene Ofenkonstruktion das Drehen der Stahlgegenstände.
Bei Behandlung von langen, schmalen oder dünnen Gegenständen kann also leicht ein
Verwerfen eintreten.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, verbesserte Nitrierverfahren zu schaffen,
die rascher vor sich gehen gegenüber älteren bekannten Verfahren, die Ammoniakgas
verwenden und in gewöhnlichen Heizöfen durchgeführt werden können.
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Ein besonderer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung verbesserter
Verfahren zur Nitrierung
der Innenflächen von Stahlrohren, wobei
eine Hülse mit flüssigem Ammoniak im Rohr eingeschlossen und letzteres auf Nitriertemperaturen
erwärmt wird, worauf das Ammoniakgas unter hohem Druck in das Rohr ausströmt.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens wurden verbesserte Vorrichtungen
geschaffen, von denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel in der Zeichnung veranschaulicht
ist. Diese ist ein senkrechter Schnitt durch ein Metallrohr, das eine Ammoniakkapsel
oder -hülse zum Nitrieren gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. Die Kapsel ist
im Vergleich zum Rohr in stark übertriebenem Maßstab dargestellt, um die Konstruktion
besser zu veranschaulichen.
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Die Zeichnung zeigt ein Stahlrohr io, dessen Inneres nitriert werden
soll. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kapsel i2, die flüssiges Ammoniak
13 enthält, in dem Rohr eingeschlossen. Der Verschluß erfolgt vorzugsweise durch
Aufschweißen von Stahlplatten 14 auf die Rohrenden.
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Die Kapsel 12 ist so ausgebildet, daß sie bei Erwärmung ihren Inhalt
ausströmen läßt. Die dargestellte Kapsel umfaßt einen zylindrischen Körper 15,
eine Kappe 16, die im offenen Ende des Körpers verschraubt ist, und eine
Dichtungsmanschette 17, welche die Kappe auf dem Körper dicht schließt. Die Kappe
16 besitzt in Längsrichtung einenDurchtritt i9, dessen Ende mit einem Stopfen aus
einem Werkstoff versehen ist, der bei einer Temperatur unterhalb der Nitriertemperatur
schmilzt, z. B. Lötmetall. Selbstverständlich können auch andere Kapselkonstruktionen
verwendet werden, welche die gleiche Wirkung aufweisen. Zum Beispiel kann die Kapsel
mit einer Membran versehen sein, die unter dem Druck platzt, der bei Erwärmung und
Verdampfung von Ammoniak erzeugt wird. Die Erfindung ist daher nicht auf irgendeine
besondere Kapselkonstruktion beschränkt, soweit diese nur gegen flüssiges Ammoniak
bis zum Erreichen einer Temperatur von etwas unterhalb der Nitriertemperaturen beständig
ist.
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Nach dem Einsetzen der Kapsel in das Rohr und nach Verschluß der Rohrenden
wird das Rohr in irgendeinen geeigneten Heizofen gebracht und auf Nitriertemperatur
erwärmt, die ungefähr 425 bis 65o° C beträgt. Das Rohr kann auf gleich hohe Lager
im Ofen gestellt und stetig gedreht werden, um Verwerfen zu verhindern. Die Kapsel
gibt das Ammoniak bei einer Temperatur frei, die etwas niedriger als die Nitriertemperatur
ist. Wenn das Rohr seine Nitriertemperatur erreicht, beträgt der Druck innerhalb
des Rohres ioo at, schwankt jedoch etwas nach Maßgabe des Rohrvolumens, der Ausgangsmenge
des flüssigen Ammoniaks in der Kapsel und der exakten Temperatur. Der Maximaldruck
wird lediglich durch die Zugfestigkeit des Rohres und der Schweißstellen begrenzt,
als wünschenswertes Arbeitsmaximum werden jedoch iooat angenommen. Ammoniak dissoziiert
bei der Temperatur, bis zu welcher das Rohr erwärmt wird, und liefert so naszierenden
Stickstoff zum Nitrieren der Innenfläche des Rohres. Wie gewöhnlich bildet der überschüssige
Stickstoff, der sich nicht sofort mit der Rohrfläche bindet, molekularen Stickstoff.
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Bei den innerhalb des Rohres auftretenden Drücken und Temperaturen
ist der Dissoziationsvorgang des Ammoniaks umkehrbar, also 2NH3-N2+3H2. Diese Umkehrbarkeit
ermöglicht es, daß sich molekularer Stickstoff wieder mit molekularem Wasserstoff
bindet, um den Ammoniakvorrat stetig aufzufüllen, dessen Dissoziation wiederum zur
Bildung aktiven naszierenden Stickstoffes führt. Dieser Vorgang kann sich fortsetzen,
bis praktisch die gesamte, ursprünglich im flüssigen Ammoniak vorhandene Stickstoffmenge
im Stahl gebunden ist. Die erforderliche Zeit schwankt mit derDichte oder dem Druck
des Ammoniaks und mit der Temperatur: Es wurden z. B. bei einer Temperatur von etwa
54o° C folgende Ergebnisse erzielt:
| Druck Zeit Nitriertiefe Nitrierges windigkeit |
| kgcm Std. mm mm Std. |
| 24,01 15 0 ,ioi6 o,oo6858 |
| 4564 15 o,2286 0,01524 |
| 82,32 14i/2 0,3048 o,o2io82 |
Gewöhnlich ist die Entfernung der Luft aus dem Rohr nicht notwendig, da der infolge
der Ammoniakdissoziation frei gewordene Wasserstoff wirksam den Sauerstoff verdrängt
und der Stickstoff lediglieh zur Stickstoffzufuhr beiträgt. Auch der Wasserstoff
liefert eine Reduktionsatmosphäre, die eine Oxydation des Rohres verhindert. Trotzdem
kann, wenn erwünscht, die Luft vorzugsweise mit Stickstoffgas aus dem Rohr verdrängt
werden.
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Die Anfangsmenge des flüssigen Ammoniaks schwankt mit der gesamten
Innenfläche des Rohres und dem gewünschten Grad der Nitrierung. Es wurde festgestellt,
daß etwa 5o bis i2og Ammoniak j e Quadratmeter zu nitrierender Oberfläche zu einer
einwandfreien Nitrierung führen, wobei natürlich die geringeren Mengen innerhalb
dieses Verhältnisses niedrigere Nitrierungsgrade liefern.
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Das Nitrierverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wurde in seiner
Anwendung auf Rohrinnenflächen beschrieben. Dieses Verfahren ist besonders geeignet
zum Nitrieren von Rohrformen wie Pumpengehäusen, deren Inneres gewöhnlich zur Erhöhung
des Abnutzungswiderstandes einsatzgehärtet wird. Trotzdem kann das Verfahren selbstverständlich
auch bei der Oberflächennitrierung anders geformter Teile Verwendung finden. In
solchem Falle werden die oberflächlich zu nitrierenden Teile in einen abgeschlossenen
Raum gebracht zusammen mit einer Ammoniak enthaltenden Kapsel; es findet dann Erhitzung,
wie zuvor beschrieben, statt.
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Während vorstehend gewisse bevorzugte Verfahren zur Durchführung der
Erfindung beschrieben wurden, können auch Abwandlungen- vorgenommen werden. Die
Erfindung soll daher nicht durch die
vorstehende Beschreibung, sondern
im Rahmen der angeschlossenen Ansprüche begrenzt werden.