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Verfahren zum Aufkohlen und Carbonitrieren von legierten und unlegierten Stählen
Es ist bekannt, bei Stählen mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt eine Härtesteigerung dadurch zu erzielen, dass man sie in einer cyanidhaltigen Salzschmelze bei Temperaturen zwischen 650 und 10000 C behandelt. Derartige Salzschmelzen besitzen im allgemeinen einen Gehalt von 15 bis 951o Alkalicyanid, während der Rest aus Chloriden und/oder Carbonaten von Alkalien oder Erdalkalien besteht. In die Oberflächenschicht des zu behandelnden Werkstückes wird hiebei Kohlenstoff und eine geringe Menge Stickstoff eingelagert, wodurch die Härte dieser Oberflächenschicht durch eine bei einem mehr oder weniger schroffen Abkühlen auftretende Martensitbildung erzielt wird.
Derartige cyanidhaltige Bäder können gegebenenfalls auch einen Gehalt von maximal 10/0 an Cyanaten aufweisen.
Die Verwendung von Salzschmelzen, die gleichzeitig Cyanid und Cyanat enthalten, ist für bei relativ niedrigen Temperaturen arbeitende Nitrierbäder bekannt, mit welchen die Erzeugung einer Carbonitridschicht ohne wesentliche Erhöhung der Härte angestrebt wird.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, Oberflächenschichten von hoher Härte und weiteren, in mehrfacher Hinsicht verbesserten Eigenschaften zu schaffen. Überraschenderweise wurde gefunden, dass dieses Ziel unter Vermeidung von giftigen Cyanidbädern verwirklicht werden kann, wenn man das Aufkohlen und Carbonitrieren von legierten und unlegierten Stählen in alkylicyanathaltigen Bädern bei Temperaturen zwischen 650 und 10000 C vornimmt, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Salzschmelze frei von Cyaniden ist und aus 3 - 30 Gew. -0/0 Alkalicyanat, Rest Chloride und/oder Carbonate und/oder Oxyde von Alkalien oder Erdalkalien, besteht.
Das Arbeiten mit cyanidfreiem alkalicyanathaltigen Salzbädern bei den angegebenen hohen Temperaturen hat, obgleich aus wissenschaftlichen Untersuchungen bekannt ist, dass bei der Kohlenstoffabgabe aus cyanidhaltigen Salzschmelzen an Eisen das Cyanid zunächst in Cyanat übergeht und dieses aufkohlend wirkt, bisher in die Technik keinen Eingang finden können. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird nun das Aufkohlen und Carbonitrieren von legierten oder unlegierten Stählen unmittelbar mit Cyanatbädern ohne Cyanidgehalt, u. zw. bei Temperaturen von 650 bis 10000 C mit besonderem technischen Erfolg vorgenommen.
Dabei bildet sich auf dem behandelten Metallkörper eine äussere, relativ dünne, in der Metallbehandlungstechnik als Verbindungszone bezeichnete Schicht aus Nitriden und Carbiden, während unterhalb dieser Zone eine Schicht aus Martensit entsteht, die eine wesentliche Härtesteigerung an der Oberfläche der behandelten Werkstücke bewirkt. Durch die äussere dünne Verbindungszone aus Nitriden und Carbiden besitzen die behandelten Werkstücke eine sehr hohe Ver- schleiss- und vor allem Fressfestigkeit, während durch die harte Martensitschicht gleichzeitig eine grosse Widerstandsfähigkeit gegen Druckbeanspruchungen vorhanden ist. Diese Eigenschaften eines behandelten Werkstückes sind beispielsweise bei Zahnrädern ausserordentlich vorteilhaft.
Neben den geschilderten Vorteilen besitzt die erfindungsgemäss benutzte Salzschmelze noch den weiteren Vorteil, dass sie infolge des Fehlens von Cyanid ungiftig ist und daher besondere Vorsichtsmassnahmen bei den Arbeiten mit der Schmelze und bei der Beseitigung vonSalzresten und Abwässern
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nicht notwendig sind.
Bei den in Betracht kommenden Temperaturen ist es zweckmässig dafür zu sorgen, dass keine Zersetzung des Cyanats eintritt. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Badbehälter zur Aufnahme der Schmelze zumindest in ihrer Oberflächenschicht aus einem Nichteisenmetall, z. B. Titan, Zirkonium, Nickel, Kobalt oder ihren praktisch eisenfreien Legierungen bestehen. Auch andere mit der Schmelze in Berührung kommende Bauteile der Behandlungsvorrichtung, wie Heizelektroden od. dgl., bestehen zweckmässigerweise aus den genannten Metallen.
Die unvermeidliche Zersetzung des Cyanats verläuft bei der erfindungsgemäss benutzten Salzschmelze unter Carbonatbildung, während Cyanid nur in belanglosen Mengen entsteht. Die zur Härtesteigerung führende Martensitbildung erfordert wie üblich eine mehr oder weniger schroffe Abkühlung von der Behandlungstemperatur je nach der verwendeten Legierung.
Als Nachfüllsalz werden zweckmässig Salzgemische mit einem hohen Anteil an Cyanat, insbeson-
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EMI2.2
<tb>
<tb> 10 <SEP> Gew.-Teile <SEP> NaCNO <SEP>
<tb> 90 <SEP> Gew.-Teile <SEP> NaCl. <SEP>
<tb>
Behandelt man in dieser Salzschmelze einen Stahl von 0,15% Kohlenstoffgehalt bei einer Temperatur von 8500 C für eine Zeit von 90 min, so bildet sich an der Oberfläche des Werkstückes eine 20 J. 1 dicke, aus Nitriden und Carbiden bestehende Verbindungszone. Unter dieser Schicht bildet sich eine ungefähr 350 ja dicke Schicht, in die Kohlenstoff mit Stickstoff eingewandert ist und die nach Abschrecken infolge Martensitbildung eine Härte von 800 Vickers-Einheiten besitzt, während die Ursprungshärte des Materials 150 Vickers-Einheiten betrug.
Zum Nachfüllen benutzt man bei dieser Schmelze ein Gemisch aus
EMI2.3
<tb>
<tb> 50 <SEP> Gew.-Teilen <SEP> NaCNO <SEP> und
<tb> 50 <SEP> Gew.-Teilen <SEP> NaCl. <SEP>
<tb>
Es wird so viel dieser Schmelze nachgefüllt, dass sich im Bad ein Cyanatgehalt zwischen 5 und 10% einstellt.
Beispiel 2 : Die Salzschmelze hat folgende Zusammensetzung :
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<tb>
<tb> 10 <SEP> Gew.-Teile <SEP> NaCNO
<tb> 50 <SEP> Gew.-Teile <SEP> NaCl <SEP>
<tb> 40 <SEP> Gew. <SEP> -Teile <SEP> KCl. <SEP>
<tb>
Zum Nachfüllen wird eine Schmelze aus
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<tb>
<tb> SOGew.-TeilenNaCNO
<tb> 25 <SEP> Gew.-Teilen <SEP> KC1 <SEP>
<tb> 25 <SEP> Gew.-Teilen <SEP> NaCI <SEP>
<tb>
verwendet und von dieser Mischung wird soviel nachgefüllt, dass ein Cyanatgehalt von 5 bis 10% NaCNO erhalten bleibt. Diese Schmelze hat vor der Schmelze nach Beispiel 1 den Vorteil eines niedrigeren Schmelzpunktes. Sie lässt sich bereits unter 800 C für den in Rede stehenden Zweck verwenden.
Beispiel 3 : Die Schmelze wird angesetzt aus
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<tb>
<tb> 5 <SEP> Gew.-Teilen <SEP> NaCNO <SEP>
<tb> 50 <SEP> Gew.-Teilen <SEP> BaCl2
<tb> 45 <SEP> Gew.-Teilen <SEP> KCl. <SEP>
<tb>
Nachgefüllt wird eine Schmelze aus
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<tb>
<tb> 40 <SEP> Gew.-Teilen <SEP> NaCNO <SEP>
<tb> 30 <SEP> Gew. <SEP> -Teilen <SEP> BaCl2 <SEP>
<tb> 30 <SEP> Gew.-Teilen <SEP> KC1. <SEP>
<tb>
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Auch diese Schmelze hat gegenüber Beispiel 1 den Vorteil eines niedrigeren Schmelzpunktes.
Beim Gebrauch der Schmelze bildet sich durch Oxydation des Cyanats Alkalicarbonat. Man kann dieses Alkalicarbonat von Anfang an hinzufügen, indem man beispielsweise eine Schmelze aus
EMI3.1
<tb>
<tb> 20 <SEP> Gew.-Teilen <SEP> NaCNO <SEP>
<tb> 40 <SEP> Gew.-Teilen <SEP> Na <SEP> COg
<tb> 30 <SEP> Gew.-Teilen <SEP> KC1 <SEP>
<tb>
herstellt.
Wenn ein niedriger Schmelzpunkt nicht erforderlich ist, kann man sogar von einem Zusatz von Chloriden völlig absehen und eine Schmelze herstellen aus
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<tb>
<tb> 10-20% <SEP> NaCNO <SEP>
<tb> 80-90% <SEP> NazCOg. <SEP>
<tb>
Eine solche Schmelze braucht nur mit Natrium- oder Kaliumcyanat nachgefüllt zu werden, so dass der zu einer genügenden Stickstoff- und Kohlenstoffanreicherung erforderliche Cyanatgehalt aufrechterhalten bleibt.
Um Wärmeabstrahlung und Dampfen der Bäder zu verhindern, insbesondere bei Temperaturen über 850 oder 9000 C, kann man wie üblich das Bad mit Graphit oder Kohle abdecken. Die zur Verwendung des Bades benutzten Badbehälter können von aussen mit Gas, Öl oder Elektrizität beheizt werden. Sie können aber auch mit eingetauchten Elektroden von innen elektrisch beheizt werden. In diesem Fall ist es erforderlich, die Elektroden aus einem ähnlichen Material herzustellen, wie oben für die Badbehälter angegeben, oder sie mit diesem Material zu ummanteln.