CH311889A - Verfahren zur Nitrierung von Stahl. - Google Patents

Description

  Verfahren zur     Nitrierung    von Stahl.    Gegenstand vorliegender     Erfinduing    'ist  ein Verfahren zur     Nitrierung    von Stahl, wo  bei man den Stahl über einen Teil der Be  handlungsdauer der zur     Nitrierung    der Ober  fläche notwendigen Temperatur und im an  dern Teil der Behandlungsdauer zur Vermei  dung einer     Versprödung    des Kernmaterials  einer höheren Temperatur aussetzt.  



  Bekanntlich kann bei der     Nitrierung    von  Stahl bei der     Nitriertemperatur    eine     Ver-          sprödung    des Kernmaterials, das heisst des  innerhalb der zu behandelnden     Oberfläclie    lie  genden Teils des Stahlstückes, auftreten. Diese       Versprödung,    ein Vorgang, der bis heute wis  senschaftlich noch nicht geklärt ist<B>'</B> äussert  sich in einer Verminderung der     Kerbzähig-          keit,    die zum Beispiel bei     molybdänhaltigen     Stählen<B>20-25 0/9</B> und bei     molybdänfreien     Stählen über     601/o    betragen kann.

    



  Man hat bei     molybdänfreien    Stählen diese       Versprödung    bei der     Nitrierung   <B>-</B> schon da  durch zu vermeiden versucht,     dass    man nach  dem eigentlichen     Nitriervorgang    eine Erwär  mung auf eine über der     Nitriertemperatur,     jedoch unterhalb des     Umwandlungspunktes     liegende Temperatur vorgenommen und an  schliessend durch Abschrecken in Luft, Was  ser oder<B>Öl</B> schnell abgekühlt hat.<B>-</B>  Das     obgenannte    bekannte Verfahren hat  den Nachteil,     dass    durch das Abschrecken  Spannungsrisse in der nitrierten Oberfläche  auftreten.

   Auch können im     Kernmaterial    des  Stahlstückes durch das Abschrecken Span-         nungen    auftreten, die sich auf die Kerbzähig  keit nachteilig auswirken. Abgesehen davon ist  das bekannte Verfahren -aus folgenden Grün  den praktisch kaum durchführbar:  Bei einem     Nitrierprozess        muss    zum Her  ausnehmen der     abzusehreckenden    Stücke aus  dem. Ofen dieser geöffnet werden. Es tritt da  bei aber eine derart grosse Menge heisses     Am-          moniakgas    aus,     dass    das Personal     allzusehr     darunter leiden würde.

   Im weiteren kann eine       Vorriehtung,    die ein rasches Öffnen des Ofens  erlauben würde, nicht die notwendige Dicht  heit gegen Eindringen von Fremdgas sicher  stellen. Sie könnte also für ein zuverlässiges  Nitrieren kaum in Frage kommen. Ein<B>Ab-</B>  schrecken des     Nitriergutes    von der erhöhten  Temperatur von zum Beispiel<B>6500</B>     C    ist da  her praktisch mit grossen Schwierigkeiten ver  bunden.  



  Das erfindungsgemässe Verfahren ist da  durch gekennzeichnet,     dass    man nach der ge  nannten Behandlungsdauer die Temperatur  zuerst bis unterhalb des Bereiches der     Nitrier-          temperatur    unter Gaszufuhr rascher und  nachher gleichfalls unter Gaszufuhr lang  samer sinken     lässt.        Auf    diese Weise wird die  Gefahr von Spannungsrissen in der     Oberfä-,          chensehieht    und das Auftreten von der Kerb  zähigkeit schädlichen Spannungen im Kern  material vermieden.

   Im weiteren bietet das  erfindungsgemässe Verfahren den Vorteil,       dass    man den behandelten Stahl während der,  Abkühlungsperiode zum Beispiel im gasdicht  geschlossenen     Nitriertopf    belassen kann. Eine      Belästigung des Personals durch Austreten  des heissen     Ammoniakgases    gibt es also nicht.  Das Belassen des Stahls im     gasdiellt    ab  geschlossenen Topf während der Abkühlungs  periode hat den weiteren Vorteil,     dass    wäh  rend der     Abkühlungsperiode    keine aktiven  Fremdgase zum Stahl gelangen können, wo  durch die Bildung einer     Oxydhaut    und da  durch- eine Verringerung der Oberflächen  härte vermieden wird.

      An Hand beiliegender Zeichnung werden  im folgenden einige Beispiele des erfindungs  gemässen Verfahrens beschrieben,    Die     Fig.   <B>1</B> bis 4 sind Diagramme, die den  Verlauf der Temperatur in Funktion der Zeit  zeigen.  



  Beim ersten     Ausführ-Lingsbeispiel        (Fig,   <B>1)</B>  handelt es sieh um die     Nitrierung    eines  oder gleichzeitig mehrerer Waffenläufe in  einem- Ofen, beispielsweise auf die im Patent       Nr.   <B>309995</B> geschilderte Art.

   Der dabei     ver-          wendiete    Stahl enthält zum Beispiel<B>0,3</B>     1/11          .Kohlenstoff,        1,5%        Chrom,        1,51/o        Aluminium,          1,2%        Nickel        und        0,31/o        Molybdän.        Die        ge-          samte        Warinbehandlungsdauer    beträgt etwa  <I>z</I><B>= 60</B> Stunden.

   Die Werkstücke werden zu  erst einer     Nitriertemperatur    von t,1<B>=</B> 450 bis  <B>5500 0 (je</B> nach Materialart     und/oder    Verwen  dungszweck) ausgesetzt und während etwa  z,1     =   <B>50</B> Stunden auf dieser Temperatur be  lassen. Würde man diese Temperatur, die     zur          Nitrier1.iiig    der Oberfläche der Werkstücke  notwendig ist, -während der ganzen Behand  lungsdauer von z<B>= 60</B> Stunden beibehalten,  so wäre das Kernmaterial der behandelten  Werkstücke     versprödet,    die     Kerbzäliigkeit    der  letzteren also beträchtlich herabgemindert.

    Nun erhöht man die     Temüeratur    nach etwa  <B>50</B> Stunden auf t,<B>=</B> etwa     600-65011   <B>C (je</B>  nach Materialart     iind/oder    Verwendungs  zweck), wobei auch das     KernMaterial    diese  Temperatur aufweist. Diese erhöhte     Tempera,-          tur    liegt mit Vorteil nahe, z.

   B. etwa<B>100</B>     C     unter der     Nachglübtemperatur        (Anlasstem-          peratur)    eines der     Nitrierung        vora-ngegange-          nen    Vergütungsprozesses (Härten und Nach  glühen), und ihre Zeitdauer ist abhängig von    der Grösse     und    Form der Werkstücke.

       Naeli     z     =   <B>60</B> Stunden stellt man die Ofenheizung  ab,     belässt    aber den gasdicht verschlossenen       Nitriertopf    bei weiterer Zufuhr von     Nietrier-          gas    im Ofen, bis die Temperatur nach zum Bei  spiel etwa<B>5</B> Stunden auf zum, Beispiel     t,-   <B><I>=</I></B>  etwa<B>200-3000 C</B> gesunken ist.

   Während die  ser<B>5</B> Stunden führt man dem Topf weiter       Nitriergas    zu, das nun aber nicht mehr ge  heizt wird.     Uin    nun     den-Ofen        1-.ür    eine wei  tere Charge freizubekommen, hebt man den  immer noch gasdicht verschlossenen Topf aus  dem Ofen und bringt ihn in eine     Abkühlgrube.     In dieser Grube     belässt    man den Topf zum  Beispiel während weiterer<B>19</B> Stunden, bis die  Temperatur unter     1.0011        C,    z. B. auf     t4=   <B>700 C</B>  oder noch weiter (handwarm), gesunken ist.

    Während dieser weiteren<B>19</B> Stunden führt  man dem immer noch     gasdieht    verschlossenen  Topf weiter     Nitriergas    zu, das aber nicht     inehr     geheizt wird. öffnet man nach dieser sieh  über 24 Stunden erstreckenden. Abkühlung       deii    Topf, so können die zum Beispiel nur  noch     W)        C    warmen     Stahlstüeke    ohne Schwie  rigkeit     herausgenonunen    werden. Da während  der ganzen     Abkühlperiode    kein aktives Fremd  gas     zuin    Behandlungsgut.

   Zutritt hat, so bil  det -sich keine     Oxydhaut.    Durch die zuerst  rascher     auf    t3 sich vollziehende Abkühlung  trachtet man     darnaeh,    so rasch als möglich  aus dem Bereich der Temperatur t, herauszu  kommen.

   Würde man nach z von Anfang an  langsam abkühlen, so würde nicht nur die  Tiefe     derNitrierschicht    sieh     auf    unerwünschte  Weise ändern, weil man immer noch für län  gere Zeit im Bereich der     Nitriertemperatur     verweilen würde, sondern es würde sich auch  gerade die     Versprödung    des Kernmaterials  einstellen, die man durch die vorangehende  Erhöhung der Temperatur auf t,1, vermeiden  wollte. t3 braucht anderseits nur so tief     züi     liegen,     dass    bei der rascheren Abkühlung  Spannungsrisse nicht auftreten können.

       Sol-          ehe    Risse werden dann durch die nach t3 fol  gende langsamere Abkühlung auf t4 endgül  tig vermieden.  



       Fig.    2 zeigt den zeitlichen Temperaturver  lauf bei der     Nitrierung    von Waffenläufen,      deren Stahl sieh von demjenigen des ersten  Beispiels nur dadurch unterscheidet,     dass    er       3%        Chrom        enthält,        während        die        andern        im     Zusammenhang mit     Fig.   <B>1</B> genannten Legie  rungsbestandteile in     unveränderten    Prozent  sätzen vorhanden sind.

   Die totale     Warm-          behandlungsdauer    beträgt auch hier etwa  z<B>= 60</B> -Stunden. Weil aber dieser Stahl mehr  zur     Versprödung    neigt als der erstgenannte,  so wird er nur während ungefähr der ersten       z"   <B>= 30</B> Stunden auf der     Nitriertemperatur     von etwa     t,1   <B>=</B>     450-550,1   <B>0</B> belassen.

   Nach die  sen<B>30</B> Stunden wird die Behandlungstempe  ratur auf     -t",   <B>= 600-6500 C</B> erhöht und wäh  rend ungefähr der zweiten Hälfte der     Warm-          behandlungszeit    z zwecks Vermeidung einer       Versprödung    auf dieser Höhe belassen. Diese  erhöhte Temperatur liegt wiederum nahe, z. B.  etwa<B>100</B>     C    unter der     Naehglühtemperatuir    des  der     Nitrierung    vorangegangenen Vergütungs  prozesses.  



  Nach z<B>= 60</B> Stunden erfolgt die     Abküli-          lung    wieder zuerst rascher und dann lang  samer in der     Nitrieratmosphäre,    unter     Fern-          lialtung        jeglichen    aktiven Fremdgases. Dies  kann auf ähnliche Weise wie beim ersten Bei  spiel geschehen.  



  Bei beiden oben beschriebenen Beispielen       (Fig.   <B>1</B> und     Fig.    2) handelt es sich um min  destens angenähert den gleichen Verwen  dungszweck der behandelten Stahlstücke  (Waffenläufe), während die Art der Stähle  verschieden ist. Bei beiden     Verfahrensarten     wird zuerst bei der niedrigeren     Nitriertempe-          ratur        t"    und erst nachher bei der zur Vermei  dung einer     Versprödung    erhöhten Tempera  tur     t,p    gearbeitet.

   Die Lage des Bereiches er  höhter Temperatur im     Temperatur-Zeit-Dia-          -ramm    ist in     Fig.   <B>1</B> und 2 dieselbe, das heisst  dieser Bereich liegt nach dem Bereich der  niedrigeren     Nitriertemperatur.    Die zeitliche  Ausdehnung des Bereiches erhöhter Tempera  tur ist in     Fig.    2 grösser als in     Fig.   <B>1.</B> Dies  hängt im vorliegenden Fall hauptsächlich mit  der andern Art des Stahls zusammen.

   In       Fig.   <B>1</B> und 2     könnten'aber    auch Lage und/  oder zeitliche Ausdehnung des Bereiches er  höhter Temperatur ebenso durch einen andern         Verwendungszweek    der Stahlstücke oder  durch beide Faktoren zusammen bedingt sein.  



       Fig.   <B>3</B> zeigt den zeitlichen Temperaturver  lauf bei der Behandlung von Werkstücken,  die     Schlagbeansprucli-ung    auszuhalten haben  und die aus einem Stahl mit<B>0,15</B>     II/e    Kohlen  stoff,<B>1</B>     O/c    Chrom und<B>1</B> %     Molybdän    beste  hen. Hier liegt der Bereich erhöhter Tempera  tur vor demjenigen der niedrigeren     Nitrier-          temperatur.    Die totale Behandlungsdauer be  trägt wiederum z etwa<B>60</B> Stunden.

   Inner  halb der ersten     z.p    etwa 20 Stunden werden  die Werkstücke zwecks Vermeidung einer       Versprödung    ihres     Kernmaterials    auf eine  Temperatur von t,<B>=</B>etwa<B>600-6500</B>     C        ge-          braclit,    welche wiederum mit Vorteil nahe,  z. B.<B>100 C</B> unter der     Nachglühtemperatur     eines vorangegangenen Vergütungsprozesses  liegt.

   Hernach wird die Temperatur auf die       Nitrierteiuperatur    4 von etwa     450-55011        C     verringert und diese bis zum Ende der Warm  behandlung, also während     z--z,p   <B>=</B> etwa 40  -Stunden, beibehalten. Nach z     =   <B>60</B> Stunden  erfolgt die Abkühlung wieder zuerst rascher  und dann langsamer in der     Nitrieratmosphäre     unter Fernhaltung jeglichen aktiven Fremd  gases. Dies kann     auf    ähnliche Weise gesche  hen wie in den beiden ersten Beispielen.  



  Beim     Teinperatur-Zeit-Diagramm    der     Fig.    4  handelt es sich ebenfalls um dasjenige eines  Verfahrens zur Behandlung     schlagbeanspruell-          ter    Teile, deren Stahl aber     0,151/o    Kohlen  stoff,<B>3</B>     1/o    Chrom und<B>1 0/a</B>     Malybdän    aufweist.  Auch hier geht, -wie in     Fig.   <B>3,</B> der Bereich der  zur     Verineidung    von     Versprödung    des Kern  materials erhöhten Temperatur t" (etwa<B>600</B>  bis<B>6501> C,</B> das heisst wenig, z.

   B. etwa     IOÖ        C     unter     Nachglühtemperatur)    dem Bereich der  niedrigeren     Nitriertemperatur    t. (etwa 450  bis<B>5500 C)</B> voran, erstreckt sich aber über     z""     gleich ungefähr die Hälfte der ganzen     Warm-          behandlungsdauer    z von etwa<B>60</B> Stunden.       _Auch    hier erfolgt nach z<B>= 60</B> Stunden die  Abkühlung zuerst rascher und dann lang  samer, auf ähnliche Weise wie in den voran  gehenden Beispielen.  



  Auch in den     Fig.   <B>3</B> und 4 hat man die  Lage des Bereiches erhöhter<B>-</B> Temperatur     t",         hauptsächlich dem Verwendungszweck des be  handelten Stahls (schlagbeanspruchte Teile)       und    die zeitliche Ausdehnung % dieses Be  reiches der Art des Stahls     angepasst.    Es  könnte aber ebenso umgekehrt sein, oder Lage  und Ausdehnung des erhöhten Bereiches       kö,nuten    beide<B>je</B> von beiden Faktoren (Mate  rialart und Verwendungszweck) abhängig  sein.  



  Je nach Art des Materials     'und/oder    Ver  wendungszweck der Werkstücke kann es in  weiteren Verfahrensbeispielen zweckmässig  sein, mit der niedrigeren Temperatur 4 über  einen grösseren oder kleineren     Zeitbereiel-i        züi     beginnen, hierauf die Temperatur über einen  bestimmten Bereich     auf        t,p    zu erhöhen und  hernach wieder auf die kleinere Temperatur       t"    zu senken.  



  Die Werkstücke aus Stahl können     belie-          .biger    Art, z. B. auch     molybdä-nfrei,    sein.  



  Bei allen     Ausfübxungsarten    hängt die<B>Ab-</B>  kühlungszeit von der Temperatur am Ende  der     Warmbehandlungsdauer    und von der  Masse des zu behandelnden Gutes ab. Sie kann  zum Beispiel bei kleinen     Werkstüeken    nur  etwa drei Stunden anstatt 24 Stunden wie in  den beschriebenen Beispielen betragen.     Natür-          liell        kann#    es auch Fälle geben, wo die     Abküh-          Iungszeit    grösser als 24 Stunden ist.  



  Die     Abkühl-Lmg    braucht nicht unbedingt  in der     Nitrieratmosphäre    zu geschehen. Sie  kann ganz oder teilweise in einem andern Gas  strom erfolgen...     Nur        muss    man dann unter  Umständen damit rechnen,     dass    bei -noch hohen  Temperaturen aktives Gas auf den Stahl ein  wirken und sich somit eine     Oxydhaut    bilden  kann.  



  Auch steht das Überführen des Topfes vom  Ofen zur Grube nur mit einer wirtschaftlichen  Ausnützung der Anlage' im Zusammenhang.  Man könnte den Topf auch während der gan  zen     Abkühlangsperiode    im Ofen belassen.

Claims (1)

1. <B>PATENTANSPRUCH:</B> Veifahren zur Nitrierung von Stahl, wo bei man den Stahl über einen Teil der Be handlungsdauer der zur Nitrierung der Ober fläche notwendigen Temperatur und im an- dern Teil der Behandlungsdauer zur Vermei dung einer Versprädung des Kernma erials einer höheren Temperatur aussetzt, dadurch gekennzeichnet,

   dass man nach der genannten Behandlungsdauer die Temperatur zuerst bis unterhalb des Bereiches der Nitriertemperatur unter Gasz-uii-uih-r rascher und nachher gleich falls -unter Gaszufuhr langsamer sinken lässt. UNTERANSPRÜCHE: <B>1.</B> Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass man den Stahl während der Periode des rascheren und lang sameren Absinkens der Temperatur in der gleichen Gasatmosphäre belässt, wie während der genannten Behandlungsdauer. 2.

   Verfahren nach Unteransprueli <B>1,</B> da durch gekennzeichnet, dass man die Tempera tur des Stahls innerhalb der gleichen Gasatmo sphäre -unter<B>1000, C</B> absinken lässt. <B>3.</B> Verfahren nach Unteranspruch 2, da durch gekennzeichnet, dass die Dauer des<B>Ab-</B> sinkens der Temperatur mindestens drei Stun den beträgt. 4. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass man die erhöhte Temperatur -unter der Nachglühtemperatur eines der Nitrierung vorangegangenen Ver gütungsprozesses wählt. <B>5.</B> Verfahren nach Unteransprüchen<B>1</B> und 4.

   <B>6.</B> Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass man den Stahl zuerst der höheren und erst nachher der nied rigeren, zur Nitrierung notwendigen Tem peratur aussetzt. <B>7.</B> Verfahren nach Unteransprüehen <B>1</B> und<B>6.</B> <B>8.</B> Verfahren nach Unteransprüchen 4 und<B>6.</B> <B>9.</B> Verfahren nach Unteransprüchen <B>1,</B> 4 und<B>6.</B> <B>10.</B> Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass man nach Ab- schluss der genannten Behandlungsdauer den immer noch gasdicht abgeschlossenen Topf,

   in welchem sieh der Stahl während der Be- handlungsda-Lier in einem Ofen befand, aus dem Ofen in eine Abkühlgrube bringt, wo man dem Topf weiter einen Gasstrom zuführt. <B>11.</B> Verfahren nach Unteransprüchen <B>1</B> und<B>10.</B> 12. Verfahren nach Unteransprüchen 4 und<B>10.</B> <B>13.</B> Verfahren nach Unterausprüchen <B>1,</B> 4 und<B>10.</B> 14. Verfahren nach Unteransprüchen<B>6</B> und<B>10.</B> <B>15.</B> Verfahren nach Unteransprüclien <B>1, 6</B> <B>und 10.</B> <B>16.</B> Verfahren nach Unteransprüchen 4,<B>6</B> und<B>10.</B> <B>17.</B> Verfahren nach Unteransprüchen<B>1,</B> 4, <B>6</B> und<B>10.</B>