NO131420B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte til fremstilling av atmosfærer for gass-sementering av jernlegeringer.

Sementering av jernholdige materialer

ved hjelp av gasser har funnet anvendelse

i industrien.

Erfaring har vist, at man stadig kan

oppnå gode resultater ved å anvende en

atmosfære som er blitt fremstilt av lysgass

på den i norsk patent nr. 74 436 beskrevne

måte, hvor gassens innhold — selv om den

varierer noe etter innholdet av den lysgass det ble gått ut fra — utgjøres av ca.

45—55 % vannstoff, 10—25 %CO, 10—25 %

metan og resten (ca. 10 %) av praktisk talt

inert gass. I slike gassblandinger er tilste-deværelse av betydelige mengder av kull-dioksyd eller av surstoff meget litet ønske-lig.

Ved «kasseherdning», som kan kalles

karbonitridisering, er det også mulig å inn-føre en nitridiseringsgass, f. eks. ammoniakk, i slike atmosfærer.

Det er også kjent å fremstille semente-ringsatmosfærer ved krakking av flytende

kullvannstoffer, som dryppes inn i varmebehandlingsovnen. I praksis anvendes det

for dette hovedsakelig alifatiske forbindelser, men selv om det oppnås ganske gode

resultater opptrer det en tilbøyelighet til

sterk avsetning av sot på arbeidsstykket,

hvorved resultatene blir dårlige hvis ikke

alle arbeidsbetingelsene reguleres og styres

overordentlig nøyaktig.

Den foreliggende oppfinnelses formål er

å skaffe en fremgangsmåte til fremstilling

av atmosfærer, for sementering ved hjelp

av gasser, som fremstilles ved dryppetilfør-selsmetoden og hvis egenskaper er like gode

som hos atmosfærer som fremstilles av lysgass.

I denne hensikt ble det først undersøkt hvilke av de meget tallrike organiske væsker, som ved krakking ved temperaturer omkring 850—1100° C kan gi atmosfærer som inneholder CO, CH+ og Ha, er både økonomisk brukbare og teoretisk effektive.

Erfaringer med sementeringsatmosfæ-rer som var fått av behandlet lysgass viste at følgende trekk var viktige: (a) Atmosfæren skal være fullstendig fri for avkullende gasser, som CO2, O2 og vanndamp. (b) Skadelige svovelforbindelser må

ikke forefinnes.

(c) For sterk sotdannelse må ikke finne

sted, da dette kan hindre kulling.

(d) Atmosfæren må være en som, så-vidt mulig, ikke behøver å anvendes med noen bestemt eller kritisk tilstrømnings-hastighet for å gi gode resultater.

Dette innsnevret området til slike væsker eller væskeblandinger som inneholder kullstoff, vannstoff, surstoff og kvelstoff men som er fri for alle andre elementer, spesielt svovel.

De to hovedklasser av væsker som så ble å studere var alifatiske resp. aroma-tiske eller ring-forbindelser.

Den sistnevnte klasse omfatter bensol-ring-, naftenring- og liknende ringforbin-delser som, fordi de er umettet, vil utskille uheldig store mengder sot når de krakkes. Av denne grunn ble disse ansett som ikke egnet. Undersøkelsene ble derfor begrenset til alifatiske forbindelser. Her finnes det igjen mange underavdelinger, og det ble ansett best å begrense undersøkelsene til helt mettede forbindelser, da umettede alifatiske forbindelser også, likesom de aro-matiske, har tilbøyelighet til å avsette uheldig sot ved krakking.

De alifatiske forbindelser som skulle studeres var de enverdige, alifatiske flytende alkoholer og de alifatiske ketoner.

Av praktiske og økonomiske hensyn ble

den førstnevnte gruppe valgt for en teoretisk vurdering av sannsynlig reaksjon når stoffene ble underkastet krakking ved 850—950° C. Den følgende tabell angir den sannsynlige reaksjon av visse, lett tilgjen-gelige alkoholer under slike forhold; (ang. betydningen av (P) og (S) se nedenfor):

Ved de ovenanførte teoretiske betrakt-ninger er det blitt antatt at: (a) Krakkingreaksjonen har funnet sted i en beholder som er fri for luft og praktisk talt fri for jern. (b) Væsken ble dryppet inn i den opp-hetede beholder med konstant hastighet. (c) Beholderens temperatur ble holdt praktisk talt konstant, f. eks. 925 ± 10° C. (d) Som regel er bare den med (P) be-tegnede, primære krakkingreaksjon blitt tatt i betraktning. I eksempel 3 er det dog vist, og betegnet med (S), en sekundær eller side-reaksjon som sannsynligvis kan opptre.

Den ovenstående tabell viste at isopropylalkohol teoretisk ville gi en atmosfære som mest nærmet seg til en effektiv sådan, selv om det samlede innhold av CO og CH+ er noe høyt og — ut fra langvarige erfaringer med «tilberedt lysgass» — sotdannelse kunne ventes unntagen hvis man regulerte tilførselsmengdene overordentlig nøyaktig.

Det viste seg å være viktig å finne en væske som ved krakking ville gi en lavere prosentmengde av CH+, for å unngå sotdannelse, selv når anvendelsesbetingelsene ikke ble kontrollert særlig nøye.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er en fremgangsmåte til fremstilling av atmosfærer for gass-sementering av jernlegeringer ved krakking av organiske væsker i varmebehandlingsovnen og under anvendelse av blandinger av surstoffholdige organiske væsker med vann karakterisert ved at en 5 til 30 volumprosent vann inne-holdende enverdig alifatisk alkohol krakkes i varmebehandlingsovnen ved en temperatur på mellom 850 og 950° C.

Det skal bemerkes at tysk patent nr. 850 900 omtaler krakking av en blanding av alkohol og vann, men denne krakking foregår ikke i varmebehandlingsovnen, og ikke under de spesielle mengde- og tempe-raturforhold som karakteriserer den foreliggende oppfinnelse.

Til blandingen av alkohol og vann kan det settes en kvelstoffholdig væske som er fullstendig blandbar med den nevnte blanding.

En kvelstoffholdig væske benyttes hvor det ønskes karbonitridisering i stedet for ren kulling. Den foretrukne væske er ammoniakk av sp. v. 0,880 som tilsettes i slik mengde at man får fra 2i/, til iy2 % ammoniakk i den resulterende atmosfære.

I hele det nevnte område av 5 til 30 volumprosent vann sammen med en passende alkohol kan det oppnås brukbare atmosfærer, men fortrinnsvis anvendes det isopropyl-alkohol med fra 15 til 25 % vann for ren kulling, mens en liknende propor-sjon av vann og ammoniakk anvendes sammen med isopropylalkohol for karbonitridisering.

Metylalkohol kan nok skaffes i industrien men den er underkastet visse restrik-sjoner og er temmelig dyr, slev når den kjø-pes i store mengder. Etylalkohol, 100 %'s eller tynnere, kan også skaffes, men den er underkastet toll og avgifter.

Isopropylalkohol, som lett kan skaffes, er forholdsvis billig og ikke (iallfall i Eng-land) underkastet toll og avgifter eller re-striksjoner med hensyn til dens anvendelse.

Det antas imidlertid, at andre alifatiske enverdige alkoholer med passende til-blandinger av vann kan gi like gode kul-lingsresultater. Tilsetning av ammoniakk av sp. v. 0,880 i passende mengde ville på liknende måte gi effektive karbo-nitridi-seringsatmosfærer.

Hva angår de sannsynlige reaksjoner

som kan opptre ved krakking av en blanding av isopropylalkohol og vann under nøyaktig de teoretiske betingelser som er anført ovenfor under a, b, c og d, har vi:

i

Dette skulle gi en teoretisk gassammensetning svarende til: CO = 33,3 %; CH+ = 16,6 % og H^ = 50 %

En slik gass ville være utmerket for gassementering av jernmaterialer.

I ovennevnte likning har:

C.iH7OH en molekylarvekt lik 60

Hl> en molekylarvekt lik 18

Hvis man blander ekvimolekylære mengder av isopropylalkohol og vann blir altså 60 vektsdeler CkHtOH blandet med 18 vektsdeler vann. Da isopropylalkohols sp.v. er ca. 0,80 og vanns 1,00 fås den ovennevnte ekvimolekylære blanding ved å blande <18>/oo 100 % vektsdeler = 30 % og ,<8>/«o 0,80 100 % volumdeler = 24 volumprosent.

På grunn av de teoretiske muligheter ble det så gjort forsøk for å.finne hvilke resultater som kunne oppnås i praksis.

Det nødvendige utstyr, nemlig en gass-karbureringsovn, komplett med retorte, vifte og væsketildryppingsarrangement, ble laget, hvor hele retorten, viften osv. ble fremstilt av et materiale som var meget varmemotstandsdyktig og praktisk talt fritt for jern.

Forsøkene ble utført ved 925° C, som valgtes som en av de standard temperaturer som brukes i industrien ved gass-karbu-rering av stål når det anvendes tilberedt lysgass.

Det ble oppnådd følgende resultater, som ikke er tilfeldige enkeltresultater men resultater som minst er blitt oppnådd to ganger og i mange tilfelle flere ganger. Gassene som analysertes ble tatt ved utlø-pet fra retorten.

Gassammensetning i prosent.

Studium av Nr. 2 med teoretiske resultater er opplysende:

Tilstedeværelsen av små mengder CO2 O2 og CnHm (utmettede kullvannstoffgas-ser) kan skyldes sekundære reaksjoner, og avvikelsene av verdiene for CO, CH4 og H2 fra de teoretiske kan skyldes at noe CH* spaltes etter likningen CH± + 3Fe -> Fe:iC + 2H2 (cementitt) og at noe CO spaltes etter likningen 2CO CO2 + C. Dette skjedde som resultat av at disse gasser inn-virket på stålprøver som var anbrakt i retorten for metallurgisk arbeid.

Den videre forsøksrekke ble så utført

for å fastslå hvilke var de beste metallurgiske resultater man kunne oppnå med atmosfæren som erholdtes av 75 % isopropyl-alkohol og 25 % vann sammenliknet med de resultater som kan oppnås med tilberedt lysgass.

I den nedenstående tabell betegner EN. 32 et stål som er spesifisert i British Standards Schedule 970 (EN-series), T er den samlede behandlingstid og t er den aktive behandlingstid fulgt av en diffu-sjonsperiode.

Ovenstående resultater viser tydelig at man ved krakking av blandingen av isopropylalkohol og vann ikke bare får gass av en liknende sammensetning som tilberedt lysgass, men også metallurgiske resultater av samme art. Det sees at den samme karbureringsdybde kan oppnås ved samme karbureringstemperatur, og det karburerte fås fritt f or hypereutektoid (fri cementitt) ved å øke T/t-forholdet, dvs. øke diffu-sjonsperioden.

Om enn de i ovenstående tabell angitte resultater er tilfredsstillende forefinnes det en viss mangel på stadighet hos tallene for total karbureringsdybde og denne er ak-sentuert hos tallene for eutektoid karbureringsdybde.

Videre overlegninger førte til den teori, at mengdeforholdet av vann i blandingen av isopropylalkohol og vann kunne være noe for høyt, og derved medføre for stor

dannelse av CO2 i ovnsatmosfæren.

En rekke forsøk viste at C02-mengden i utgangsgassen fra ovnen nådde et mini-mum av null—0,3 % når det ble anvendt 15 % vann. Med 30 % vann var C02-mengden 0,4—1,0 %, med 25 % vann var den 0,4—0,7 % og med 20 % vann var den 0,4— 0,6 %.

En ytterligere rekke av forsøk ga be-merkelsesverdig jevne resultater både med hensyn til total karbureringsdybde og eutektoid karbureringsdybde. I en forsøks-rekke med En.32-stål ved 925° C og 15 % vann og isopropylalkohol varierte karbure-ringsdybden ikke med over 0,025 mm.

Deretter ble det gjort et sammenlik-nende forsøk hvor En 32-stål ble karburert ved 950° C med tilberedt lysgass som sam-menlikningsgrunnlag. Den følgende tabell angir resultatene:

Som det forstås kan karbureringen fås fri for hypereutektoid ved å regulere forholdet T/t, dvs. å innføre en diffusjonsperi-ode, slik som det er vanlig når tilberedt lysgass anvendes.

For å finne ut om de ovenfor viste resultater kunne fås for det hele område av normale karburerte legerte stål (B.S. 970-En.-series-stålene, En. 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 og 39), ble det valgt ut noen av de mer alminnelig anvendte stål, nemlig En. 34, En. 36 og En. 39. Den følgende tabell viser de erholdte resultater. I hvert tilfelle ble den totale tid (T) og diffusjonsforholdet (T/t) valgt som for tilberedt lysgass og vedkommende stål. I denne tabell betegner P.T.G, tilberedt lysgass og 15 % W/IPA betegner en blanding som inneholder 15 % vann og 85 % isopropylalkohol.

I alle tilfeller var produktene praktisk talt fri for hypereutektoid.

Ved å sette en passende mengde ammoniakk av egnet styrke til vannet kan man få en karbo- nitridiserende atmosfære som inneholder 2'/2 — 7'/> volum-% ammoniakk.

Det ble foretatt en rekke sammenlik-ningsforsøk hvor det anvendtes 15 % vann og isopropylalkohol, og hvor ammoniakk ble tilsatt som ammoniakk av sp.v. 0,880 tilsatt væsken.

Den følgende tabell angir de resultater som ble oppnådd:

Som foran nevnt er det grunn til å

tro at andre enverdige alifatiske alkoholer

blandet med vann i passende forhold kan

anvendes med hell, men økonomiske og

andre forhold gjør at de ikke foretrekkes.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av

atmosfærer for gass-sementering av jernlegeringer ved krakking av organiske væsker i varmebehandlingsovnen og under anvendelse av blandinger av surstoffholdige organiske væsker med vann, karakterisert ved at en 5 til 30 volum-% vann innehol-dende enverdig alifatisk alkohol krakkes i varmebehandlingsovnen ved en temperatur på mellom 850 og 950° C.

2. Fremgangsmåte ifølge påstand 1, ka- rakterisert ved at en med alkohol-vann- blandingen fullstendig blandbar kvelstoffholdig væske settes til den nevnte blanding.

3. Fremgangsmåte ifølge påstand 2, karakterisert ved at den kvelstoffholdige væske er ammoniakk med sp. v. 0,880.

4. Fremgangsmåte ifølge påstand 3, karakterisert ved at mengden av ammoniakk med sp. v. 0,880 er slik at det fås fra 2V2 til 7y2 volum-% ammoniakkgass i den resulterende atmosfære.

5. Fremgangsmåte ifølge påstand 1—4, karakterisert ved at det som enverdig alifatisk alkohol anvendes isopropylalkohol.

6. Fremgangsmåte ifølge påstand 5, karakterisert ved at vannmengden er 15 %.