DE2122024C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Gaschromieren von Stahl - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gaschromieren von Stahl mittels dampfförmiger Chromhalogenide, bei dem ein aus Chrom bestehender Poröskörper erhitzt wird.

Die bekannten Verfahren zum Gaschromieren von Stahl basieren auf der Verwendung hygroskopischer Chromverbindungen, üblicherweise Chromchlorid, die bei der Lagerung bis zum Verbrauch und während ihrer Handhabung beim Verbrauch Feuchtigkeit aufnehmen. Beim Erhitzen einer Feuchtigkeit oder *5 Hydroxyd enthaltenden Chromverbindung während des Gaschromierens entsteht daher Chromoxyd. Des weiteren entsteht bei der Verwendung kohlenstoffhaltiger Chromverbindungen während des Gaschromierens auch Chromkarbid. Sowohl Chromoxyd als auch Chromkarbid diffundieren kaum in die Stahloberflächc ein und stören damit das Inchromieren.

Bekannt ist aus der britischen Patentschrift I 135 864 bereits ein Verfahren zum Gaschromieren mit Hilfe eines Pulvers des einzudiffundierenden Legierungsmittels. Des weiteren wird in der britischen Patentschrift ein Verfahren beschrieben, bei dem zunächst ein mit Ausnehmungen versehener Körper aus dem einzudiffundierenden Legierungsmittel hergestellt und die zu inchromierenden Teile in die Ausnehmungen eingebettet sowie der Gesamtkörper im Vakuum erhitzt wird. Bei diesem Verfahren sind die zu inchromierenden Teile von metallischem Chrom umgeben. Dies gilt auch für ein in der Patentschrift 66 345 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin be- ⁶S schriebenes Verfahren, bei dem das zu inchromierende Werkstück zunächst mit einem festhaftenden, porösen und metallisches Chrom in einem Metall-zu-Metall-Kontakt mit dem Werkstück enthaltenden Oberflächenschicht versehen wird, ehe es mit einem metallhalögenidhaltigen Überzug versehen und das ganze zum Eindiffundieren des Chroms bei einer Temperatur von mindestens 750C geglüht wird. Somit wird bei diesem Verfahren ein Werkstück inchromiert, das bereits einen beispielsweise galvanisch aufgebrachten Chromüberzug besitzt. Das Metallhalogenid dient dabei als Reaktionspartner beim Inchromieren, darüber hinaus aber insbesondere auch dazu, schädliche Dämpfe auszutreiben, die zwischen den miteinander in Kontakt stehenden Werkstückoberflächen eingeschlossen sind oder sich im Überzug befinden. Abgesehen davon daß die Metallhalogenide zumeist hygroskopisch sind, soll das bekannte Verfahren unter anderem vorzugsweise mit hydratisiertem Ferrochlond durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum" Gaschromieren von Stahl mittels dampfförmiger Chromhalogenide zu schaffen, ohne daß die Gefahr einer Bildung von Chromoxyd besteht. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, für das Inchromieren nicht nur sauerstofffreie Chromhalogenide zu verwenden, sondern diese auch sauerstofffre.i zu halten, um auf diese Weise das Entstehen von Chromoxyd auszuschließen. Im einzelnen besteht die Erfindung darin, daß bei dem eingangs erwähnten Verfahren feuchtigkeits-, hydroxyd- und kohlenstofffreie Chromhalogenide in poröses Chrom bzw. einen Poroskörper aus Chrom eingebettet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren fungieren die Chromteilchen des Poröskörpers praktisch als Sperrmittel gegenüber der Luftfeuchtigkeit, so daß eine Aufnahme gebundenen Sauerstoffs durch die Chromhalogenide unmöglich ist. Die somit sauerstoff- bzw wasser- und hydroxydfreien Halogenide werden dann beim Inchromieren durch Erhitzen des Poröskörpers ausgetrieben und dienen in üblicher Weise zum Gaschromieren von Stahl. Dabei muß selbstverständlich die Ofenatmosphäre frei von Sauerstoff gehalten werden. Außerdem sollte die Ofenatmosphäre frei von Kohlenstoff sein, da auch der Kohlenstoff über die Bildung von Chromkarbid das Inchromieren beeinträchtigt. .

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Poröskörpers;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Teils des in Fig. 1 dargestellten Poröskörpers zur Veranschaulichung der Verteilung des Chroms und der Chromhalogenide;

Fig. 3 bis 5 Querschnitte durch erfindungsgemalSe

Inchromierofen.

Die Erfindung wird mit einem Inchromiermittel durchgeführt, das etwa folgende Zusammensetzung besitzt:

20 bis 60 % Chromhalogenide, beispielsweise

Chromchlorid,
bis 0,5 % Eisen,

5 bis 30 % Aluminiumoxyd oder Kieselsäure Rest im wesentlichen Chrom.

Bei dem vorerwähnten Inchromiermittel befindet sich das Chromhalogenid 2 in den Poren zwischen den Chromteilchen 1, so daß das Chromhalogenid praktisch zur Gänze von Chromteilchen umgeben ist und

demzufolge nicht in Verbindung mit der freien Atmesphäre steht, demzufolge keine Feuchtigkeit aufnehmen kann. Das inchromiermittel kann aus hohlzylindrischen Körpern (Fig. 1) nder Kugcin bestehen.

In einem beispielsweise elektrisch beheizten Inchromierofen 5 befindet sich das zu inchromierende Werkstück 4, beispielsweise ein Zahnrad aus dem Kohlenstoffstahl JIS S 20 C, und als Inchromiermittel Hohlzylinder 3, deren Gesamtgewicht das 3fache des Werkstücks beträgt. Das Inchromiermittel besteht aus einem porösen Trägerwerkstoff, der in der Lüge ist, 42 % Chromchlorid (CrCI₂) zu absorbieren und 0,01 % Eisen sowie 12% Aluminiumoxyd, Rest Chrom enthält. Das Inchromiermittel ist frei von Feuchtigkeit Hydroxyd und Kohlenstoff. In den Inchromierofen 5 wird nach dem Einbringen des Wertstücks 4 und des fnchromiermittels 3 ein nichtoxydierendes Gas, Beispielsweise Argon oder Stickstoff, bei Raumtemperatur eingeleitet, um zunächst die im Ofen befindliche Luft zu verdrängen. Danach wird der Ofen beheizt und verdampft das Chromchlorid aus dem Inchromiermittel in die Ofenatmosphäre. Die feinen Teilchen des Chromchlorids gehen in den halbgeschmolzenen Zustand auf der Ofenwandung über, so daß das Chrom auch auf die Werkstückoberfläche gelangt.

Nach dem Absenken der Ofentemperatur auf Raumtemperatur kann das inchromierte Werkstück 4 entnommen werden. Bei einer Ofentemperatur von 950 C und einer Behandlungsdauer von 3 Stunden beträgt die inchromierte Oberflächenschicht 3 μιη, während sich bei einer Behandlungszeit von 15 Stunden und derselben Temperatur eine inchromierte Oberflächenschicht von 35 jxm Dicke ergibt. In alien Fällen ist die Werkstückoberfläche glatt und glänzend.

Versuche haben ergeben, daß das Inchromiermittel 5mal benutzt werden kann.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 4 führt eine Gasleitung 9 zu einer Muffel 7, in einem Chromchlorid-Erzeuger 8, der im wesentlichen aus einem Ofen 6 und der Muffel 7 besteht. Von der Muffel 7 des Chromerzeugers 8 geht eine Chloridleitung 11 mit einem Ventil 10 in einen beispielsweise elektrisch beheizten Inchromierofen 5, in dem ein Ventilator 12 angeordnet ist. Der Inehromierofen 5 weist eine Ablaßleitung mil einem Absperrventil 13 auf und enthält das zu inchromierende Werkstück 4 beispielsweise aus dem oben bereits erwähnten Stahl. Hundert Kilogramm eines Inchromiermittcls 3 mit der obenerwähnten Zusammensetzung befinden sich in der Muffel 7, die auf eine Temperatur von 1050"C gebracht wird, so daß das Chromhalogenid verdampft und durch das über die Gasleitung 7 zugeführte nichtoxydierendc Gas, beispielsweise Argon, in den Inchromierofen 5 eingetragen wird. Nach 5stündigem Einleiten des Chromhalogenid enthaltenden Argons bei einer Ofentemperatur von 1000 C betrug die Dicke der inchromierten Diffusionsschicht 5 μιη, die Werkstückoberfläche war glänzend.

Da sich erfindungsgemäß die feinen Teilchen des Chromhalogenide im Innern des Inchromiermittels befinden und von Chromkörnern umgeben sind, kommt es nicht zu einer Feuchtigkeiisaufnahme, so daß das Inchromiermittel kein Hydroxyd und keinen Kohlenstoff enthält. Da auch die im Ofen befindliche Luft vor dem Inchromieren durch Inertgas ersetzt wird, kann es auch bei der Arbeitstemperatur des Ofens nicht zur Bildung von Chromoxyd oder Chromhydroxyd kommen. Damit ist der Vorteil siner dicken Diffusionsschicht und eines wirksamen Inchromierens

"> verbunden. Außerdem gelangen aus dem im Chromhalogenid-Erzeuger befindlichen Inchromiermitte! die Chromhalogenid-Dämpfe rasch in den Inchromierofen, so daß das Inchromieren mit großer Wirtschaftlichkeit und insbesondere kontinuierlich durchgeführt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Ofen nach Fig. 5 befindet sich das Inchromiermittel in Form mehrerer Zylinder 24 am Boden einer Kammer 23 im Innern eines elektrisch beheizten Ofens 21, der auf feuerfesten Füßen 22 ruht. Im Innern des Inchromierofens 23 befindet sich ein zu inchromierendes Werkstück, das auf einem gelochten Ständer in der Inchromierkammer 23 ruht. Das Inchromiermittel 24, der Ständer 25 und das Werkstück 26 sind mit einem neutralen Salz 27 bedeckt.

Der Kragen 30 eines Deckels 29 greift in einem am oberen Ende der inchromierkammer 23 befindliche, mit einem Abdichtungspulver 31 gefüllte Tasse 28. Über eine Einlaßleitung 32 wird Inertgas, beispielsweise Argon oder Stickstoff, durch den Deckel 29 in die Inchromierkammer 23 eingeleitet. Das in der Kammer befindliche Gas kann über eine Ablaßleitung 32 austreten. Nach dem Ausspülen der Anfangsluft durch das über die Leitung 32 eingeleitete Inertgas werden die Leitungen 32, 33 geschlossen und die Inchromierkammer mittels des Ofens 21 2 Stunden auf etwa 1000 C gehalten.

Das in der Inchromierkammer befindliche Salz 27 besteht aus 40 % Natriumchlorid, 30 % Bariumchlorid und 10% Kalziumchlorid. Außerdem enthält die Inchromierkammer 20 % des Werkstückgewichts an hohlzylindrischem Inchromiermittel aus porösem Chrom mit 42 % absorbiertem Chromchlorid und 0,01 % Eisen, 12 ";, Aluminiumoxyd, Rest Chrom. Das Inchromiermittel ist frei von Feuchtigkeit, Hydroxyd und Kohlenstoff. Das Werkstück, beispielsweise ein Zahnrad 26, besteht aus einem Stahl mit 0,21 % Kohlenstoff, 0,23% Silizium, 0,61% Mangan, 0,015% Phosphor, 0,020 % Schwefel, Rest Eisen und wurde 2 Stunden bei 1000 C inchromiert. Die Dicke der Diffusionsschicht betrug nach dieser Behandlung etwa 10 μηι. Das neutrale Salz besitzt eine große Wärmekapazität und ist sauerstoff frei, so daß es auch bei erhöhter Temperatur nicht zu einer Oxydation kommt. Das Inchromieren findet mit einem Inchromiermittel, insbesondere einem porösen, absorbiertes Chromhalogenid enthaltenden, jedoch feuchtigkcits-, hydroxyd- und kohlenstofffreiem Chrom statt, so daß es nicht zur Bildung von Chromoxyd und Chromkarbid kommt. Demzufolge ergibt sich eine große Diffusionstiefe, die ein späteres Entchromen ausschließt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Gaschromieren von Stahl mittels dampfförmiger Chromhalogenide, bei dem ein aus Chrom bestehender Poröskörper erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein feuchtigkeits-, hydroxyd- und kohlenstofffreie Chromhalogenide enthaltender Poröskörper verwendet wird. ¹Q

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück und das Inchromiermittel in einer neutralen Salzschmelze erwärmt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Chromhalogenid-Erzeuger (8) mit einem Ofen (6) und einer Muffel (7), von der eine mit einem Ventil (10) versehene Gasleitung (11) zu einem Inchromierofen (5) mit einem Ventilator (12) und ao einer Ablaßleitung mit einem Absperrventil (13) führt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine in einem elektrisch beheizten Ofen (21) angeordnete Inchromierkammer (23) mit einer Pulvertasse (28, 31), in die der Kragen (30) eines mit einer Einlaß- und einer Auslaßleitung (32, 33) versehenen Deckels (29) eingreift.

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