DE3839493C2 - Verfahren zur Nitrierwärmebehandlung von Metallen und Anwendung dafür - Google Patents
Verfahren zur Nitrierwärmebehandlung von Metallen und Anwendung dafürInfo
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- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nitrierwärmebehandlung
von Metallen in einer Wärmebehandlungsanlage mit einer Stickstoff
abgebenden Behandlungsgasatmosphäre, bei dem zur Bildung der
Stickstoff abgebenden Atmosphäre zumindest eine stickstoffhaltige,
organische Verbindung dosiert neben einem Trägergas in die Wärmebe
handlungsanlage eingeleitet wird, wobei die stickstoffhaltige, orga
nische Verbindung unter der Wärmeeinwirkung in der Behandlungsanlage
letztlich Stickstoff an das Behandlungsgut abgibt.
Bei Nitrierwärmebehandlungen unter Behandlungsgas in einem
Temperaturbereich etwa zwischen 500 und 700°C wird von Stahlteilen
aus der Behandlungsgasatmosphäre Stickstoff zur Bildung verschleiß-
und korrosionsbeständiger Oberflächenschichten aufgenommen. Die
Behandlungsatmosphäre setzt sich dabei bei bekannten Verfahren
in aller Regel aus einem Trägergas und Ammoniak zusammen. Ammoniak hat
sich für das Gasnitrieren als besonders geeignet erwiesen, da er
sich im Gegensatz beispielsweise zu reinem Stickstoffgas unter den
Parametern einer Nitrierwärmebehandlung günstig zersetzt und den zur
Nitrierung notwendigen elementaren Stickstoff liefert.
Darüber hinaus ist Ammoniak aufgrund seines gasförmigen
Zustandes unter Verbrauchsbedingungen entsprechend
einfach und gut dosierbar in einem Verfahrensablauf
einsetzbar. Bisher sind auch keine anderen, für
Nitrierwärmebehandlungen bei Atmosphärendruck besser
geeignete Stoffe bekannt geworden. Zurückkommend auf
die obengenannten Trägergase ist zu bemerken, daß diese
häufig mit Gasgeneratoren erzeugt werden und im
wesentlichen Stickstoff, Wasserstoff, CO und CO2
enthalten. Daneben sind auch Trägergase aus reinem
Stickstoff oder reinem Wasserstoff oder
Stickstoff-Wasserstoff-Mischungen gebräuchlich, wobei
die Einzelgase aus Vorratsbehältern entnommen werden.
Für eine Nitrierbehandlung wird häufig im Prinzip
Trägergas und Ammoniak in die Behandlungseinrichtung
eingeleitet und durch Messung charakteristischer
Anteile der entstehenden Atmosphäre eine Regelung
derselben und somit der gesamten Wärmebehandlung
durchgeführt. Ein Nachteil dieser bekannten
Nitrierverfahren besteht jedoch darin, daß das dabei in
erheblichen Mengen zur Anwendung kommende Ammoniakgas
vergleichsweise teuer ist.
Aus der US-PS 4 163 680 ist ferner ein Verfahren zum Carbonitrieren
von Eisenmetallwerkstücken in einer mit dampfförmigem Ammoniumcarbamat
(NH₄O(CO)NH₂) gebildeten Atmosphäre bekannt, wobei das Ammoniumcar
bamat bevorzugt unmittelbar vor der Zufuhr zum Nitrierprozeß aus
Ammoniak und Kohlendioxid gebildet wird. Hierbei bildet jedoch wie
derum das relativ teure Ammoniak das eigentliche Ausgangsprodukt des
Prozesses, womit sich insoweit kein Unterschied zu anderen, bekannten
Verfahren ergibt.
Die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung besteht
deshalb darin, ein kostengünstiges und praktikables Nitrierverfahren unter
Verzicht auf die Anwendung von Ammoniakgas anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
zur Bildung einer Nitrieratmosphäre
fertig vorhandene, kostengünstige Harnstoffverbindun
gen eingesetzt werden, insbesondere Harnstoff selbst sowie
strukturell unmittelbar verwandte, NH₂-Gruppen aufweisende
Verbindungen wie Methylharnstoff, Aminoharnstoff (= Semikarbazid) und
Thioharnstoff.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der
Erkenntnis, daß entsprechende, kostengünstige Verbindungen vorhanden
sind, die unter den bei einer Nitrierwärmebehandlung
anzuwendenden Parametern (Temperatur etwa zwischen 500
und 700°C und leichter Überdruck) eventuell unter
Reaktion mit anderen in der Behandlungsatmosphäre
enthaltenen Bestandteilen in Stickstoff abgebende und
andere für die Wärmebehandlung unschädliche Fragmente
zerfallen. Festzuhalten ist, daß die vorgeschlagenen
Stoffe selbst die Nitrierung nicht direkt bewirken,
sondern diese in aller Regel über die Zwischenstufe der
Ammoniakbildung und den darauf folgenden
Ammoniakzerfall in bekannter Weise erfolgt. Somit
können im Regelfall die vorhandenen Erfahrungen
bezüglich der Nitrierung mit Hilfe von Ammoniak weiter
angewendet werden und bekannte und vorhandene Meß- und
Regeleinrichtungen weiterhin benutzt werden. Bei
Auftreten eines anderen Zwischenproduktes muß eine
entsprechende Anpassung erfolgen. Bei der
Verfahrensdurchführung wird z.B. soviel
ammoniakliefernde Verbindung zugeführt, daß eine
gewünschte Ammoniakkonzentration in der
Behandlungsgasatmosphäre entsteht, günstigerweise etwa
ein Ammoniakgehalt von 20 bis 30 Vol.-%. Als Beispiele
für im Sinne der Erfindung geeignete Verbindungen sind
Harnstoff, Methylharnstoff, Thioharnstoff,
Semikarbazid zu nennen,
Harnstoffverbindungen also, die NH₂-Gruppen enthalten.
Das in einer Wärmebehandlungsanlage ablaufende
Reaktionsschema für erfindungsgemäße Stoffe sei im
folgenden am Beispiel von Harnstoff selbst gezeigt:
(NH₂)₂CO=(NH)CO+NH₃
(NH)CO+H₂O (aus d. Atmosph.)=(NH₂)(OH)CO
(NH₂)(OH)CO=NH₃+CO₂
(NH)CO+H₂O (aus d. Atmosph.)=(NH₂)(OH)CO
(NH₂)(OH)CO=NH₃+CO₂
In einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird der Harnstoff
zum Beispiel in
zerkleinerter Form in die Wärmebehandlungsanlage
eingeführt, beispielsweise mit Hilfe einer
Förderdosierschnecke.
In besonders vorteilhafter Weise erfolgt die Einleitung
der festen Harnstoff-Nitrierverbindung auf pneumatischer Basis
mit Hilfe des Trägergases, das der Behandlungsanlage ja
ebenfalls zuzuführen ist.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird
die Harnstoff-Nitrierverbindung
in einem flüssigen Lösungsmittel,
beispielsweise Methanol, gelöst, und so zusammen mit
dem Lösungsmittel in den Behandlungsofen unter
Zerstäubung eingedüst, wobei auch das Lösungsmittel
keine nachteiligen Effekte auf die Behandlungsatmosphäre
im Ofen haben darf.
Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße
Verfahren in Wirbelschicht-Wärmebehandlungsanlagen
angewendet. Das Funktionsprinzip dieser Anlagen läßt
eine einfache Ausführung des Verfahrens zu, da
Nitrierverbindungen in beliebigem Aggregatszustand
problemlos direkt, ohne weitere Maßnahmen in die
fluidisierte Wirbelschicht der Anlage eingebracht
werden können, wobei dort besonders günstige
Bedingungen für die erfindungsgemäß gewünschten
Reaktionsabläufe bestehen. Insbesondere aufgrund der
bereits genannten Einleitungsmethoden für die
verschiedenen Nitrierverbindungen ist aber die
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in
Wärmebehandlungsanlagen aller Art möglich.
Im folgenden sei das erfindungsgemäße Verfahren
beispielhaft anhand der Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch eine Wirbelschicht-
Wärmebehandlungsanlage mit zugehöriger
Regelungseinrichtung.
Fig. 1 zeigt einen Wirbelschichtofen 1 mit einer
Diffussionsplatte 9 und einer Zuleitung 2 für Trägergas
bzw. Wirbelgas. Oberhalb des Ofens 1 ist ein Behälter 3
für Harnstoffpulver angeordnet, der über eine
Dosiereinrichtung 4 und eine Verbindungsleitung 5 mit
dem Ofen 1 in Verbindung steht. Gasausgangsseitig am
Ofen ist an einer Abgasleitung 6 ein Gasanalysator 7,
der mit einer Regeleinheit 8 gekoppelt ist,
angeschlossen. Die Regeleinheit 8 ist ihrerseits
wiederum mit der Dosiereinrichtung 4 verknüpft.
Zur Durchführung einer Nitrierwärmebehandlung werden
die zu behandelnden Werkstücke in den Ofen 1
eingebracht und die auf der Diffusionsplatte 9 liegende
Wirbelschicht durch Einleiten einer geeigneten Menge
Stickstoffgas über die Zuleitung 2 fluidisiert. Danach
wird die Ofenanlage zusammen mit den Werkstücken
aufgeheizt. Nach Erreichen der Nitriertemperatur von
etwa 570°C beginnt die eigentliche Nitrierphase. Dazu
wird mit Hilfe der Förder-Dosiereinrichtung 4
Harnstoffpulver aus dem Vorratsbehälter 3 in den Ofen
eingeleitet. Nach kurzer Zeit bildet sich im Ofen 1
Ammoniak, der mit Hilfe des an der Abgasleitung
angebrachten
Gasanalysators mengenmäßig festgestellt wird. Über eine
an den Gasanalysator gekoppelte Regeleinheit, die auf
die Dosiereinrichtung 4 für die Harnstoffzugabe Einfluß
nimmt, wird ein gewünschter Ammoniakanteil in der
Behandlungsatmosphäre über die gewünschte Nitrierzeit
gehalten, bis schließlich die Harnstoffzufuhr wieder
abgebrochen und die Behandlung beendet wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden eben solche
Ergebnisse erzielt, wie bei vergleichbaren
Nitrierwärmebehandlungen, bei denen vorrätig
gehaltenes, fertiges Ammoniakgas in die
Wärmebehandlungsanlage eingeleitet wird. Aufgrund der
Einfachheit und der günstigen Kosten gerade beispielsweise bei
Harnstoff stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine
echte Alternative zu den bekannten Nitrierverfahren dar.
Claims (4)
1. Verfahren zur Nitrierwärmebehandlung von Metallen in einer
Wärmebehandlungsanlage mit einer Stickstoff abgebenden Behandlungs
gasatmosphäre,
bei dem zur Bildung der Stickstoff abgebenden Atmosphäre zumindest eine stickstoffhaltige, organische Verbindung dosiert neben einem Trägergas in die Wärmebehandllungsanlage eingeleitet wird,
wobei die stickstoffhaltige, organische Verbindung unter der Wärme einwirkung in der Behandlungsanlage letztlich Stickstoff an das Behandlungsgut abgibt
dadurch gekennzeichnet, daß als stickstoffhaltige, organische Verbindungen fertig vorhandene, kostengünstige Harnstoffverbindun gen eingesetzt werden, insbesondere Harnstoff selbst sowie strukturell unmittelbar verwandte, NH₂-Gruppen aufweisende Verbindungen wie Methylharnstoff, Aminoharnstoff (= Semikarbazid), Thioharnstoff.
bei dem zur Bildung der Stickstoff abgebenden Atmosphäre zumindest eine stickstoffhaltige, organische Verbindung dosiert neben einem Trägergas in die Wärmebehandllungsanlage eingeleitet wird,
wobei die stickstoffhaltige, organische Verbindung unter der Wärme einwirkung in der Behandlungsanlage letztlich Stickstoff an das Behandlungsgut abgibt
dadurch gekennzeichnet, daß als stickstoffhaltige, organische Verbindungen fertig vorhandene, kostengünstige Harnstoffverbindun gen eingesetzt werden, insbesondere Harnstoff selbst sowie strukturell unmittelbar verwandte, NH₂-Gruppen aufweisende Verbindungen wie Methylharnstoff, Aminoharnstoff (= Semikarbazid), Thioharnstoff.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Harnstoff oder desgleichen in zerkleinerter Form und dosiert der
Wärmebehandlung zugeführt wird, insbesondere mit einer
Förderdosierschnecke oder mit Hilfe eines Trägergasstromes
eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Harnstoff oder desgleichen in einem flüssigen Lösungsmittel,
insbesondere Methanol, gelöst und unter Zerstäubung mit dem
Trägergas in die Wärmebehandlungsanlage eingeführt wird.
4. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 3 in einer Wirbelschicht-Wärmebehandlungsanlage.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE19883839493 DE3839493C2 (de) | 1988-11-23 | 1988-11-23 | Verfahren zur Nitrierwärmebehandlung von Metallen und Anwendung dafür |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19883839493 DE3839493C2 (de) | 1988-11-23 | 1988-11-23 | Verfahren zur Nitrierwärmebehandlung von Metallen und Anwendung dafür |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3839493A1 DE3839493A1 (de) | 1990-05-31 |
DE3839493C2 true DE3839493C2 (de) | 1994-09-15 |
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DE19883839493 Expired - Fee Related DE3839493C2 (de) | 1988-11-23 | 1988-11-23 | Verfahren zur Nitrierwärmebehandlung von Metallen und Anwendung dafür |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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SU643549A1 (ru) * | 1975-11-21 | 1979-01-25 | Волжское объединение по производству легковых автомобилей | Способ карбонитрировани стальных и чугунных изделий |
WO1988010320A1 (en) * | 1981-05-08 | 1988-12-29 | Daniil Borisovich Gorodetsky | Method of low-temperature nitrocarburizing of steel articles |
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1988
- 1988-11-23 DE DE19883839493 patent/DE3839493C2/de not_active Expired - Fee Related
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