DE2000673A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nitrierung von Metallstuecken durch Jonisation - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Nitrierung von Metallstuecken durch Jonisation

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DE2000673A1 DE19702000673 DE2000673A DE2000673A1 DE 2000673 A1 DE2000673 A1 DE 2000673A1 DE 19702000673 DE19702000673 DE 19702000673 DE 2000673 A DE2000673 A DE 2000673A DE 2000673 A1 DE2000673 A1 DE 2000673A1
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Description

"Verfahren und Vorrichtung zur Nitrierung von Metallstücken durch Jonisation".
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nitrierung von Metallstücken durch Jonisation.
Es ist bekannt, daß ein Gas, das unter verringertem Druck ionisiert ist und Stickstoff enthält, zur Nitrierung von Metallen, insbesondere von Eisen und Stählen geeignet ist, wenn diese unter einer bestimmten Temperatur auf ein ausreichendes negatives Potential aufgeladen werden, um an ihrer Oberfläche eine kathodische Glimmlichtentladung (une gaine lumineuse cathodique) zu bewirken. Dieser chemische Vorgang ist von einem Wärmeeffekt begleitet, der die zu nitrierenden Metallstücke entsprechend der aufgewandten Energie mehr oder weniger erwärmt.
Bei bekannten Verfahren dieser Art erhält man die Polarisation und einen Teil der Erwärmung der zu nitrierenden Stücke
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aus Gleichstromaggregaten, die auf eine hohe Spannung regelbar sind. Dabei kann man unabhängig von der Polarisation eine Er-gänzung der Erwärmung der Stücke durch eine jonische Wechselstrom-Entladung erreichen, die einer Gleichstrom-Entladung überlagert ist.
Die zur Anwendung dieser Verfahren erforderlichen Vorrichtungen sind kompliziert und ermöglichen keine vollständige Unabhängigkeit zwischen der Erwärmung der Stücke und der Intensität des Nitriervorganges. Außerdem führt eine zur Erwärmung der zu nitrierenden Stücke benutzte Gleich- oder Wechselstrom-Entfe ladung zu erheblichen Stromstärken in dem verdünnten Gas, so daß die ionische Entladung die Tendenz zu einer die Metallstücke zerstörenden Lichtbogenentladung erhält. Um dieses Phänomen mit Sicherheit zu vermeiden, ist es notwendig in der apparativen Anlage elektronische Spezialgeräte normalerweise komplizierter Bauart zu verwenden, die Lichtbogen unmittelbar nach ihrem Entstehen zuverlässig löschen. Die Notwendigkeit, im Gleichstrom alle zu nitrierenden Oberflächen negativ zu polarisieren, zwingt zur Benutzung komplizierter Hilfsanoden, falls diese Flächen Löcher oder Bohrungen aufweisen.
Die Erfindung weist einen Weg zur Vermeidung dieser Nachteile, indem sie ein Verfahren und eine Vorrichtung einfacher W Bedienungsweise und mit einem weiten Regelbereich vorschlägt.
Danach besteht das neue Verfahren zum Nitrieren eines Metallstückes durch Jonisation bei dem man dieses Stück in ein unter geringerem Druck jonisiertes, Stickstoff enthaltendes Gas ein- und dann auf einmal auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur und ein negatives elektrisches Potential bringt, das ausreicht, um auf der Oberfläche dieser Teile eine kathodische Glimmlichtentladung zu erzeugen, darin, daß man das Metallstück durch eine Wärmequelle erhitzt, die von der oder den die Jonisation des Gases bewirkenden elektrischen Energiequellen
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unabhängig ist.
Die neue Vorrichtung hat ein dichtes Gehäuse zur Aufnahme eines unter verringertem Druck stehenden und Stickstoff enthaltenden Gases, sowie einen Träger zur Aufnahme der zu nitrierenden Metallstücke zur Voraussetzung. Das Neue "besteht darin, daß das Gehäuse außerdem im Inneren zwei an eine Wechselstromquelle angeschlossene Jonisationselektroden und eine Vorrichtung aufweist, die unabhängig die zu nitrierenden Metallstücke erwärmt, um die beiden Elektroden derart weniger warm zu halten, daß die Metallstücke die Rolle der warmen Kathode spielen und somit den für die negative Polarisation der Metallstücke erforderlichen Gleichrichtereffekt bewirken.
Das neue Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung bieten zahlreiche Vorteile.
In erster Linie wird die Erwärmung der zu nitrierenden Metallstücke unter verringertem Druck in einem dichten Behälter bekannter Bauart bewirkt, und zwar durch einen an sich ebenfalls bekannten Ofen, dessen Regelvorrichtungen gleichfalls bekannt sind. Außerdem wird die nitrierende «Ionisation'unabhängig von einer elektrischen Anordnung mit verminderter Leistung erreicht.
Als elektrisches Gerät mit höherer Spannung, die die «Ioni sation des Gases unter vermindertem Druck und die Polarisation der Metallstücke bewirkt, dient ein einfacher Transformator üblicher Bauart, der durch Industrie-Wechselstrom gespeist und mit bekannten Vorrichtungen regelbar ist.
OfUQiNAL INSPECTED 0Q9831/1041
Die Zündung der Lichtbögen in dem Nitriergehäuse wird durch die einfache Zwischenschaltung unbeweglicher Selbstinduktionselemente in den Stromkreis völlig vermieden, die weder einer Abnützung unterliegen, noch einer Wartung bedürfen. Der zur negativen Polarisierung der zu nitrierenden Stücke erforderliche Gleiohrichtereffekt wird einzig und allein durch die kalten Elektroden und durch die im verschlossenen Gehäuse zu nitrierenden Metallstücke bewirkt.
W Die Polarisation der Stücke entspricht nicht einer konstanten Spannungsdifferenz, sondern Halbperioden oder sinusförmigen Wechseln zwischen Null und einer regelbaren Maximalspannung bei einer Frequenz, die dem doppelten Wert der Netzfrequenz entspricht. Diese schnelle periodische Veränderung der zu nitrierenden Stücke bedingt die Gleichmäßigkeit der Nitrierung sogar im Inneren von Löchern und Bohrungen, ohne daß eine Veränderung der Lage oder der Stellung der anodischen Anoden erforderlich wäre.
Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Schema einer Vorrichtung zum Nitrieren von Metallstücken durch Jonisation,
Figur 2 ein Diagramm der Wellenform der Spannung zwischen einer Elektrode und dem Gehäuse während einer Wechselstromperiode,
Figur 5 ein Spannungsdiagramm an den Klemmen einer
Selbstinduktionsspule während einer Wechselstromperiode ,
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Figur 4 ein Diagramm der Veränderung des Jonisationsstromes während einer Periode,
Figur 5 und 6 Schemata für andere Ausführungsformen
für den elektrischen Speisestromkreis.
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung zeigt ein Metallgehäuse 1 in Rohrform, dessen mittlerer Teil durch einen außen angeordneten Ofen 2 bekannter Bauart mit einem an sich ebenfalls bekannten Temperaturregler heizbar ist. In der gleichmäßig erwärmten Zone ist ein mit dem Gehäuse 1 elektrisch verbundener Träger 3 vorgesehen, der jedoch zur Zirkulation der ionisierten Gase Durchlässe aufweist. Auf den Träger 3 werden die zu nitrierenden Stücke A aufgesetzt. Das Gehäuse ist an seinen Enden durch Deckel 4,5 dicht geschlossen, die ebenfalls dicht isolierende Durchgänge 4a,5a bekannter Art zur Durchführung von Elektroden 6,7 tragen. Letztere enden im Inneren des Gehäuses 1,vorzugsweise in Form einer Kugel oder eines Ellipsoids. Sie können aber auch als Platten, Zylinder oder in anderer Form ausgebildet sein. Das Gehäuse 1 kann bei 8 und 9 an den Enden des Ofens 2 durch Zirkulation von Wasser oder durch ein anderes bekanntes Mittel gekühlt werden.
An das eine Ende des Gehäuses 1 ist über eine Leitung eine Vakuumpumpe 11 mit allen üblichen Elementen zur Mengenregelung, zum Stillsetzen sowie für den Vor- und Rücklauf angeschlossen. Eine andere Leitung 12 dient über einen Schütz 12a bekannter Ausführung dem schnellen und diskontinuierlichen oder dem einer vorbestimmten Menge entsprechend langsamen Einlaß des Gases oder einer Gasmischung in das Gehäuse 1. Über eine
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Anzapfleitung 13 ist ein Manometer 14 oder ein anderes Instrument zur Messung des Vakuums an das bei 15 elektrisch geerdete Gehäuse 1 angeschlossen, so daß man in dessen Innerem den Gasdruck bestimmen und aufrechterhalten kann. Die Elektroden 6 und 7 sind quer zu den Selbstinduktionsspulen 16 und 17 mit einem Eisenkern an die Enden der Sekundärwicklung 18 eines Spannungstransformators 19 angeschlossen. Der Mittelpunkt 20 dieser Wicklung 18 ist geerdet. Die Primärwicklung 21 des Transformators 19 wird aus dem Netz 22 über einen an sich bekannten Spannungsregler gespeist, wie dies schematisch durch einen P Regeltransformator 23 angedeutet ist. Man kann aber auch jede andere Vorrichtung mit derselben Funktion rählen. Zwei Meßvorrichtungen, nämlich ein Voltmeter 24 und ein Amperemeter 25 dienen zur Kontrolle der benutzten Spannungswerte und der Stromstärke, die für die Jonisabion des Gases aufgenommen wird.
Die neue Vorrichtung, die unter verringertem Druck stehenden Stickstoff oder eine Stickstoff enthaltende Mischung bei bekannten Voraussetzungen enthält, gestattet ein Nitrieren unter Verwendung eines einzigen Wechselstroms, ohne diesen vorher durch eine besondere Vorrichtung gleichrichten zu müssen. Die Erfahrung zeigt, daß die Kombination des Gehäuses 1 zur Aufnahme des verdünnten Gases mit den Elektroden 6 und 7 die ™ Rolle eines jonischen Gleichrichters spielt, wobei die auf den Träger 3 aufgebrachten und durch den Ofen 2 erwärmten Gegenstände wie eine warme Kathode wirken, wenn sich die Elektroden 6 und 7 in den Halbperioden des speisenden Wechselstroms wechselweise als Anoden verhalten, d.h. , wenn bei jedem positiven Wechsel des Stromes der Stromkreis über Erde geschlossen wird. Auf diese Weise ist die negative Polarisation der Metall-
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stücke nicht kontinuierlich, sondern sie schwingt zwischen Null und dem Maximum der gewählten Spannung mit einer doppelten Netzfrequenz, wodurch die folgenden Vorteile erreicht werden.
In erster Linie ist es bekannt, daß es zur Erzielung der Bedingungen für eine Nitrierung durch Jonisation notwendig ist, bei einer gegebenen Temperatur eine bestimmte kritische Polarisationsspannung zu überschreiten, unterhalb welcher die Atome des Stickstoffs nicht erregt werden und sich dementsprechend gegenüber dem netall inaktiv verhalten. Oberhalb dieser Spannung erfolgt die NilcLerung und ihr Portschritt als Funktion von der Zeit ist von der Zahl der angeregten Atome und infolgedessen von der Intensität des ionisierenden Stromes abhängig. Wenn die Polarisation durch einen Gleichstrom bewirkt wird, ist es schwierig, diese beiden Faktoren unabhängig voneinander zu regeln: Tatsächlich bewirkt die kritische Spannung, sobald sie erreicht ist, sturzartig eine Jonisation, die die Stromstärke beträchtlich anhebt indem sie den Durchgangwiderstand des Stromes durch das jonisierte Gas vermindert bis sich ein Lichtbogen ausbildet. In diesem Augenblick wird der Spannungsgradient an den Kontakt der zu nitrierenden Stücke, der eine Kathode bildet, zu Null. Es erfolgt leine Erregung der Stickstoffatome an der Oberfläche der Stücke mehr. Dadurch wird der Nitriereffekt mit einer entsprechenden Auswirkung auf die Zerstörung der Stücke in der Umgebung der Zündung des Lichtbogens unterdrückt. Erhält man umgekehrt am Ausgang einer Spannung, die die Form eines sinusförmigen Wechselstromes aufweist und deren Dauer 1/100 Sekunde bei einer Netzfrequenz von 50 aufweist, eine negative Polarisation, so wirkt sich die Jonisation und die Aktivierung der Stickstoffatome nur auf Spannungen in der Nähe des Scheitels der Sinuskurve und auf die Dauer in der Größenordnung von 1/200 Sekunden aus, die durch Intervalle der gleichen Größenordnung unterbrochen sind, während welcher keinerlei Jonisation stattfindet.
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Bei ausreichend hohen Spannungen würden diese Löschintervalle jedoch nicht ausreichen, um zusätzliche Phänomene zu verhindern, die die Bildung eines Lichtbogens ermöglichen. Die Selbstinduktionsspulen 16 und 17» die in Serie im Speisestrom der Elektroden liegen, lassen diese Bildung des Lichtbogens vermeiden. Dies zeigen oszylographische Aufzeichnungen, die zwischen den Punkten 6 und 7 und dem Gehäuse 1 aufgenommen worden sind.
Figur 2 zeigt die Form eines dieser Wiederanstiege der Spannung zwischen dem Gehäuse 1 und der Elektrode 7 während einer ganzen Periode des Wechselstroms. Die Spannung steigt zuerst vom Punkt a zum Punkt b ( Fig. 2 ), wo sie die Jonisationszündung bewirkt. Dann fällt sie bis zum Punkt c. In diesem Augenblick hört die Jonisation auf, die Gase im Inneren des Gehäuses 1 bewirken praktisch keine Entladung mehr zwischen der Elektrode 7 und dem Träger 3» und die Spannung folgt der theoretischen sinusförmigen Änderung bis zur folgenden Periode. Dasselbe Phänomen spielt eich zwischen der Elektrode 6 und dem Träger 3 mit einer Phasenverschiebung um eine halbe Periode ab.
Figur 3 zeigt den Spannungsanstieg während derselben Zeit an den Klemmen der Selbstinduktionsspule 17: Man sieht, daß während der Zeit, in der die Jonisation und infolgedessen auch die negative Polarisation der Stücke 3 erfolgt, ein Teil der durch die Spule 18 des Transformators gelieferten Spannung durch die Selbstinduktionsspule 17 blockiert, dadurch die zwischen der Elektrode 7 und dem Träger 3 zur Verfügung stehende Spannung verringert und der Anstieg der ionisierenden Stromstärke reduziert wird. Dies wirkt der Bildung eines Lichtbogens entgegen.
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Schlie&Licli ist die Intensität des Jonenflusaes von den Elektroden 6,7 au den Stücken A in Figur 4 für eine volle !Periode de» joniaierenden Stromes dargestellt. So läßt die Torrichtung gemäß der Erfindung unabhängig vergrößerte Polarisationa-Eathoden und variierte Stärken des jonisierenden Stromes durch, eine zweckmäßige Wahl des Wertes der Induktanz der SellDstiBduktionavicklungen 16 und 17 erreichen, ohne daß ein Lichtbogen entsteht.
Ein weiterer Torteil des neuen Verfahrens und der Vorrichtung: gemäß der Erfindung resultiert aus der Variation der Polarisationsspannung zwischen Null und einem Maximum mit der doppeltem Bfetzfrequenz. Sas elektrische Feld auf der Oberfläche der zu nitrierenden Stücke A1 das die Verteilung der Slimmlichtentladung an der Kathode und dementsprechend auch die Wirksamkeit der Nitrierung bestimmt, ist nämlich nicht allein durch die Geometrie dieser Stücke, wie dies bei einem statischen Feld sein würde, bestimmt. Vielmehr wird es aufgrund der Frequenz &bt Variationen der Polarisation und ihrer Änderung der Orientierung von einer Elektrode zur anderen zu einer dynamischen Form geführt. Infolgedessen erfolgt die Polarisation der Stücke A und ebenso der diese bedeckenden kathodischen Glimmlichtentladung gleichmäßig auf ihre Oberfläche verteilt, und zwar selbst dann, wenn die Stücke Unebenheiten und nicht durchgehende Bohrungen aufweisen, deren Länge das lOfache ihres Durchmessers überschreiten kann. Auf diese Weise können solche Stücke vollkommen gleichmäßig und ohne Schwierigkeiten nitriert werden, während ein Nitrieren unter Verwendung von Gleichstrom ohne eine Spezialanordnung der Elektroden nach bekannten Verfahren unmöglich ist.
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Bel Anwendung des neuen Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann man unabhängig dl· Te^eratur der zu nitrierenden Stücke variieren, die die Fusionsgeschwindigkeit des Stickstoffs in das Netall bestimmt und die Anregungsspannung der Stickstoffatome % so daß sich diese aktiv gegenüber den zu nitrierenden Metallstücken bewegen, sowie die Intensität des jonischen Flusses regeln, d.h. die Intensität des Nitriervorganges indem man gemäß einer unmittelbar aus der Praxis folgenden Technik die Regelung des Gasdrucks im ™ Gehäuse und den Wert der Induktanz en der gegen die Bildung eines Lichtbogens wirkenden selbstinduzierenden Wicklungen kombiniert. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung bilden dementsprechend einen Fortschritt gegenüber den. üblichen Nitriervorrichtungen, die empfindliche Regelvorrichtungen zur Erzeugung der Gasmischungen verlangen, die Amoniak enthalten, und gegenüber bekannten Vorrichtungen zur jonischen Nitrierung, da nur die Installation weniger aufwendig ist und weil die Benutzungsart raumsparender, jedoch verständlicher ist.
Ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen kann man die Selbstinduktionsspulen 16,17 ( Fig. 1 ) durch eine andere zwischen den Mittelpunkt 20 und die Erde eingeschaltete SeIbstinduktionsspule ersetzen oder vervollständigen, diese Selbstinduktionsspulen variabel gestalten, zwischen den Punkt 20 und die Erde ein ergänzendes Gleichrichtersystem einschalten oder den Mittelpunkt 20 durch einen künstlichen Punkt 20a ersetzen, wie er in den Fig. 5 und 6 angedeutet ist. Um die Gleichrichterwirkung der durch das Gehäuse 1 und die Elektroden 6 ^mti 7 gebildeten Vorrichtung zu vervollständigen, sind zwischen die Elektroden 6 und 7 an sich bekannte Gleichrichterelemente 27 und 28 eingeschaltet. Ihre Kathoden sind
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entsprechend mit den Elektroden 6 und 7 verbunden, während ihre Anoden gemeinsam den an Erde liegenden künstlichen Mittelpunkt 20a bestimmen. Eine Selbstinduktionsspule 26 kann beispielsweise zwischen den Punkt 20a und die Erde ( Fig. 5) eingeschaltet werden. Gemäß einer Variante kann man eine solche Selbstinduktionsspule aber auch zwischen einen der Gleichrichter, gegebenenfalls den Gleichrichter 28, und die Sekundärwicklung 18 ( Fig. 6 ) legen.
Das Rohr 1 kann durch ein Gehäuse anderer Form ersetzt und die Elektroden können verschiedenartig angeordnet werden, um die geforderte Gleichrichterwirkung zu erhalten.
Die Vorrichtungen zur Messung der Spannung und der Stromstärke können in einer von der im Schema der Fig. 1 dargestellten Art abweichen. Die Stromstärke kann beispielsweise direkt zwischen dem Punkt 20 und der Erde und die Spannung der Polarisation zwischen einer der Elektroden 6 oder 7 und der Erde durch Vorrichtungen von der Art kathodischer Oszylographen gemessen werden oder durch elektronische oder elektromagnetische Voltmeter oder dergleichen. Der Wirkungsgrad der Selbstinduktionsspulen kann beispielsweise durch Messung der Spannung an ihren Klemmen überwacht werden.
Das Gas oder die Gasmischung im Gehäuse kann Stickstoff oder Stickstoff und Wasserstoff oder ein ganz anderes Gas sein, das die geforderte Gleichrichterwirkung ergibt.
Das Gehäuse kann durch alle bekannten Mittel, beispielsweise durch einen Verbrennungsofen, durch einen elektr - ischen Ofen, durch Induktion hoher oder niedriger Frequenz, durch Widerstandsheizung oder dergleichen erwärmt werden. Es kann auch kalt bleiben, wobei man die Heizung derart in das Innere verlegt, daß sie nur die zu nitrierenden Stücke erwärmt.
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Claims (10)

  1. Pat ent anspräche
    Verfahren zum Nitrieren von Metallstücken durch .Ionisation, bei dem man diese Stücke in einem unter verringertem Druck ,ionisierten, Stickstoff enthaltenden Gas plötzlich auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur erwärmt und auf ein negatives elektrisches Potential bringt, das zur Bildung einer kathodischen Glimmlichtentladung auf seiner Oberfläche ausreicht, dadurch gekennzeichnet, daß man die Metallstücke (A) aus einer Wärmequelle (2) erwärmt, die von der oder den die ) «Ionisation des Gases bewirkenden elektrischen Wärmequellen unabhängig ist und nicht durch «Ionisation wirkt.
  2. 2. Vorrichtung zur Ausübung eines Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem dichten Gehäuse zur Aufnahme eines unter verringertem Druck reduzierten, Stickstoff enthaltenden Gases und einem Träger für die zu nitrierenden Metalletücke, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (1) zwei an eine Wechselstromquelle angeschlossene Jonisationselektroden (6,7) und zur Erwärmung der Metallstücke (A) eine unabhängige Wärmequelle (2) zur Kühlung der beiden Elektroden (6,7) angeordnet sind, indem die Metallstücke (A) die Bolle der warnen Kathode spielen und dadurch den für die negative Polarisation der
    " Metallstücke erforderlichen Gleichrichtereffekt begünstigen.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden im Gehäuse (1) angeordneten Elektroden (6,7) an die Enden einer Sekundärspule (18) eines Transformators (19) angeschlossen sind.
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  4. 4. Torrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Elektroden (6,7) unter Zwischenschaltung einer Selbstinduktionsspule (16,17) soa. die Sekundärspule (18) angeschlossen ist, deren Mittelpunkt (20) an Erde liegt.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hittelpunkt (20) der Sekundärspule (18) unter Zwischenschaltung einer zusätzlichen Selbstinduktionsspule an die Erde angeschlossen ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (6,7) an die entsprechenden Kathoden der beiden Gleichrichterelemente (27»28) angeschlossen sind, deren Anoden gemeinsam an Erde liegen.
  7. 7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt der beiden Gleichrichter (27,28) unter Zwischenschaltung einer Selbstinduktionsspule (26) an die Erde angeschlossen ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der die zu nitrierenden Metallstücke (A) aufnehmende !Teil des dichten Gehäuses (1) außen von einer Heizung (2) , z.B. einem Verbrennungsofen, einem Elektroofen, einer Induktionsheizung mit hoher oder niedriger Frequenz, oder einer Widerstandsheizung umgeben ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des die Elektroden (6,7) aufnehmenden Teils des Gehäuses (1) eine Kühlvorrichtung (8,9 ) vorgesehen ist.
  10. 10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 7 t dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (1) eine Vorrichtung zum einzelnen Erwärmen der zu nitrierenden Metallstücke (A) angeordnet ist. kK ^^-W^
    Dr.-Ing.Jooß Dipl.-ing.Gramm Dr.J/Gru. Patentanwälte
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