Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

DE69113789T2 - Process of nitriding steel. - Google Patents

Process of nitriding steel.

Info

Publication number
DE69113789T2
DE69113789T2 DE69113789T DE69113789T DE69113789T2 DE 69113789 T2 DE69113789 T2 DE 69113789T2 DE 69113789 T DE69113789 T DE 69113789T DE 69113789 T DE69113789 T DE 69113789T DE 69113789 T2 DE69113789 T2 DE 69113789T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
gas
nitriding
fluorination
steel
chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE69113789T
Other languages
German (de)
Other versions
DE69113789D1 (en
Inventor
Kenzo Kitano
Teruo Minato
Haruo Senbokuya
Masaaki Tahara
Akira Yoshino
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Water Inc
Original Assignee
Daido Hoxan Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daido Hoxan Inc filed Critical Daido Hoxan Inc
Application granted granted Critical
Publication of DE69113789D1 publication Critical patent/DE69113789D1/en
Publication of DE69113789T2 publication Critical patent/DE69113789T2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING 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
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/02Pretreatment of the material to be coated
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING 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
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING 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
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18After-treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING 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
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24Nitriding
    • C23C8/26Nitriding of ferrous surfaces
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING 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
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/34Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases more than one element being applied in more than one step

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
  • Basic Packing Technique (AREA)

Abstract

This invention relates to a method for forming a uniform, deep nitride layer on and in steel works at low cost, wherein a steel work is fluorided in heated condition in an atmosphere of a mixed gas composed of fluorine gas and inert gas with or without nitrogen trifluoride gas and, then, nitrided in heated condition in an atmosphere of nitriding gas.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nitrierung von Stahl, zur Nitrierhärtung von Stahl, welches die Unterwerfung eines Stahlwerkstückes einer speziellen Vorbehandlung umfaßt, die eine tiefe und gleichmäßige Nitridschicht- oder -hülle fördert.The present invention relates to a method for nitriding steel, for nitriding steel, which comprises subjecting a steel workpiece to a special pretreatment which promotes a deep and uniform nitride layer or shell.

Für die Verbesserung der Verschleißfestigkeit, des Korrosionswiderstandes und der mechanischen Eigenschaften, wie Dauerfestigkeit, von Stahl, ist es allgemeine Praxis, eine Nitridschicht oder -hülle an der Oberfläche von Stahl zu bilden. Typisch für diese Technik ist der Nitrierungsprozeß (Gasnitrierung, Gasweichnitrierung), der Ammoniakgas allein oder ein Mischgas, bestehend aus Ammoniak und eine Kohlenstoffquelle enthaltendem Gas (RX-Gas) verwendet. Verfahren dieser Art haben Probleme mit der Prozeßstabilität, die darin besteht, daß bei der Behandlung von einem Legierungsstahl-Werkstück oder einem Stahlwerkstück mit einer verwikkelten Gestalt die resultierende Nitridhülle dazu neigt, ungleichmäßig zu sein.For improving the wear resistance, corrosion resistance and mechanical properties such as fatigue strength of steel, it is common practice to form a nitride layer or shell on the surface of steel. Typical of this technique is the nitriding process (gas nitriding, gas soft nitriding) using ammonia gas alone or a mixed gas consisting of ammonia and a carbon source-containing gas (RX gas). Processes of this type have problems with process stability, which is that when treating an alloy steel workpiece or a steel workpiece with a convoluted shape, the resulting nitride shell tends to be uneven.

Während Stahlwerkstücke generell bei Temperaturen nicht unter 500ºC nitriert werden, erfordert die Adsorption und Diffusion von Stickstoff an und in die Oberflächenschicht von Stahl nicht nur die Abwesenheit von organischen und anorganischen Verunreinigungen, sondern auch die Abwesenheit eines Oxidfilmes. Außerdem muß auch die Stahloberfläche selbst von hoher Aktivität sein. Tatsächlich ist es jedoch in solchen Nitrierprozessen unmöglich, die Bildung eines Oxidfilmes zu verhindern oder eine komplette Aktivierung zu erreichen. Nimmt man zum Beispiel ein Werkstück aus austenitischem rostfreien Stahl, so wird dieses im allgemeinen mit Flußsäure-Salpetersäure gereinigt, um den Passivierungsfilm vor dem Einbringen in den Nitrierofen zu entfernen, aber es ist schwierig, den Passivierungsfilm vollständig zu entfernen, und unmöglich, die Oberflächenschicht des Stahls vollständig zu aktivieren. Deshalb ist es nahezu unmöglich, eine befriedigende Nitridhülle zu bilden. Weiterhin wird das Entfernen von organischen und anorganischen Verunreinigungen vor dem Nitrieren im allgemeinen durch Alkali-Entfettung oder organische Reinigung mit, z. B., Trichlorethylen durchgeführt, aber die neuesten Antiverschmutzungsbestimmungen (Kontrolle gegen die Zerstörung der Ozonschicht) verhindern die Praxis der organischen Reinigung, welches die bisher effektivste verfügbare Reinigungsmethode ist, und dieser Faktor ist ein Haupthindernis für die Bildung einer zufriedenstellenden Nitridhülle.While steel workpieces are generally nitrided at temperatures not lower than 500ºC, the adsorption and diffusion of nitrogen on and into the surface layer of steel requires not only the absence of organic and inorganic impurities but also the absence of an oxide film. In addition, the steel surface itself must also be of high activity. In fact, however, in such nitriding processes it is impossible to prevent the formation of an oxide film or to achieve complete activation. For example, taking an austenitic stainless steel workpiece, it is generally cleaned with hydrofluoric acid-nitric acid to remove the passivation film before placing it in the nitriding furnace, but it is difficult to completely remove the passivation film and impossible to completely activate the surface layer of the steel. Therefore, it is almost impossible to form a satisfactory nitride shell. Furthermore, the removal of organic and inorganic impurities Prior to nitriding, degreasing is generally carried out by alkali degreasing or organic cleaning with, for example, trichloroethylene, but the latest anti-pollution regulations (control against the destruction of the ozone layer) prevent the practice of organic cleaning, which is the most effective cleaning method available to date, and this factor is a major obstacle to the formation of a satisfactory nitride shell.

Unter diesen Umständen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung früher festgestellt, daß dann, wenn ein Stahlwerkstück vor der Nitrierung erst in erhitztem Zustand unter einer fluoridhaltigen Gasdecke wie NF&sub3; fluoriert werden und anschließend nitriert werden, sowohl die Reinigung (Entfernung von organischen und anorganischen Verunreinigungen und Entfernung des Oxidfilmes) als auch die Aktivierung der Stahloberfläche erreicht werden kann, um eine zufriedenstellende Nitridhülle zu ergeben, und es liegt eine Patentanmeldung für diese Technologie vor (Japanische Patentanmeldung Nr. 1-177 660 und Europäische Patentanmeldung EP 0 408 168). Bei diesem Verfahren wird das Stahlwerkstück erst in einem Ofen für die Vorbehandlung erhitzt und mit einem Gas, wie NF&sub3;, kontaktiert. Als Ergebnis werden die organischen und anorganischen Verunreinigungskomponenten, die an der Stahloberfläche haften, durch die aktivierten Fluoratome zerstört, um eine reine Stahloberfläche zurückzulassen, und zur gleichen Zeit wird der Passivierungsfilm, einschließlich des Oxidfilmes, an der Stahloberfläche in einen Fluorid-Film umgewandelt, um die Stahloberfläche abzudecken und zu schützen. Das Stahlwerkstück wird dann nitriert. In diesem Nitrierungsprozeß wird der o. g. Fluorid-Film durch Einleitung eines Mischgases, bestehend aus einem eine Kohlenstoffquelle enthaltenden Nitriergas (d. h. NH&sub3;-Gas) und H&sub2;-Gas, in den Ofen unter Erhitzung zerstört und entfernt. Genauer gesagt hinterläßt die Zerstörung und Entfernung des vorgenannten Fluorid-Filmes eine reine und aktivierte Stahloberfläche und die N-Atome in dem Nitriergas dringen und diffundieren rasch in diesen gereinigten und aktivierten Stahl ein, um eine gleichmäßige und tiefe Nitridhülle zu bilden. Trotz der o. g. wünschenswerten Leistungskennwerte von NF&sub3;-Gas hat es den Nachteil hoher Kosten. Darüber hinaus ist für eine ausreichende Fluorierung eine ziemlich hohe Temperatur (280 bis 500ºC) erforderlich, und dies bedeutet einen signifikanten thermalen Energieverbrauch, der sich zu den Behandlungskosten addiert.Under these circumstances, the present inventors have previously found that if a steel workpiece is first fluorinated in a heated state under a fluoride-containing gas blanket such as NF₃ prior to nitriding and then nitrided, both cleaning (removal of organic and inorganic impurities and removal of oxide film) and activation of the steel surface can be achieved to give a satisfactory nitride shell, and a patent application for this technology has been filed (Japanese Patent Application No. 1-177,660 and European Patent Application EP 0 408 168). In this method, the steel workpiece is first heated in a furnace for pretreatment and contacted with a gas such as NF₃. As a result, the organic and inorganic impurity components adhering to the steel surface are destroyed by the activated fluorine atoms to leave a pure steel surface, and at the same time, the passivation film including the oxide film on the steel surface is converted into a fluoride film to cover and protect the steel surface. The steel workpiece is then nitrided. In this nitriding process, the above-mentioned fluoride film is destroyed and removed by introducing a mixed gas consisting of a nitriding gas (i.e., NH3 gas) containing a carbon source and H2 gas into the furnace under heating. More specifically, the destruction and removal of the above-mentioned fluoride film leaves a pure and activated steel surface, and the N atoms in the nitriding gas rapidly penetrate and diffuse into this purified and activated steel surface. steel to form a uniform and deep nitride shell. Despite the desirable performance characteristics of NF3 gas mentioned above, it has the disadvantage of high cost. In addition, a fairly high temperature (280 to 500ºC) is required for sufficient fluorination and this means a significant thermal energy consumption which adds to the treatment costs.

Die Europäische Patentanmeldung EP 0 481 136, welche vor dem Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung noch nicht veröffentlicht war, beschreibt ein Nitrierungsverfahren, bei welchem eine Fluoridschicht an der Oberfläche des Stahls unter Verwendung eines Mischgases von 1 % F&sub2; und 99 % N&sub2; gebildet wird.European patent application EP 0 481 136, which was not published before the filing date of the present application, describes a nitriding process in which a fluoride layer is formed on the surface of the steel using a mixed gas of 1% F₂ and 99% N₂.

Die unter den vorgenannten Umständen entwickelte vorliegende Erfindung hat als ihre Aufgabe ein Verfahren zur Nitrierung von Stahl vorzusehen, welches geeignet ist, eine gleichmäßige und tiefe Nitridhülle mit geringen Kosten zu bilden.The present invention, developed under the above circumstances, has as its object to provide a method for nitriding steel which is capable of forming a uniform and deep nitride shell at low cost.

Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen, ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Nitrierung von Stahl gerichtet, bei dem ein Stahlwerkstück fluoriert wird, indem es auf eine Temperatur zwischen 200 und 250ºC unter einer Decke aus einer Fluorgas-Stickstoffgas-Mischung erhitzt wird und dann das gleiche Werkstück in erhitztem Zustand unter einer Decke von Nitriergas nitriert wird.In order to achieve the above object, the present invention is directed to a method for nitriding steel, in which a steel workpiece is fluorinated by heating it to a temperature between 200 and 250°C under a blanket of a fluorine gas-nitrogen gas mixture and then nitriding the same workpiece in the heated state under a blanket of nitriding gas.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine Reihe von Untersuchungen zu Kostenreduzierungen eines NF&sub3; als Fluorierungsgas verwendenden Nitrierprozesses durchgeführt und herausgefunden, daß Fluorgas (F&sub2;), welches zum Zeitpunkt der Entwicklung der o. g. Basiserfindung, welche NF&sub3; als Fluorierungsgas verwendet, früher als zur Fluorierung ungeeignet angesehen worden ist, in Wirklichkeit ausgezeichnete Fluorierungsaktivität hat und das Fluorgas die Fluorierung bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur bewirkt als NF&sub3;. Die vorliegende Erfindung basiert auf vorgenannter Erkenntnis.The inventors of the present invention have conducted a series of investigations on cost reductions of a nitriding process using NF₃ as a fluorinating gas and found that fluorine gas (F₂), which was previously considered unsuitable for fluorination at the time of development of the above-mentioned basic invention using NF₃ as a fluorinating gas, actually has excellent fluorination activity and the fluorine gas effects fluorination at a much lower temperature than NF₃. The present invention is based on the above-mentioned finding.

Dies bedeutet, daß die vorliegende Erfindung auf einen Fluorierungs-Prozeß gerichtet ist, welcher eine Mischung von F&sub2; und einem Inert-Gas N&sub2; verwendet. Durch diese Technik kann kräftige Fluorierung bei vergleichsweise geringer Temperatur im Bereich von 200 bis 250ºC erreicht werden.This means that the present invention is directed to a fluorination process which uses a mixture of F₂ and an inert gas N₂. By this technique strong fluorination can be achieved at a comparatively low temperature in the range of 200 to 250°C.

Es wurde so gefunden, daß eine Temperaturdifferenz von soviel wie 100 bis 150ºC zwischen der Fluorierungstemperatur im Falle der Verwendung von F&sub2; alleine (F&sub2; + N&sub2;) und der Fluorierungstemperatur im Falle der Verwendung von NF&sub3; alleine (NF&sub3; + N&sub2;) vorliegt.It was thus found that there is a temperature difference of as much as 100 to 150°C between the fluorination temperature in the case of using F₂ alone (F₂ + N₂) and the fluorination temperature in the case of using NF₃ alone (NF₃ + N₂).

Als F&sub2;-Gas (Fluorgas) kann nicht nur ein generelles F1&sub2;-Gas verwendet werden, welches durch ein Schmelz-Elektrolyse- Verfahren und dergleichen gebildet wird, sondern auch F&sub2;- Gas, welches durch thermische Spaltung gebildet wird, indem eine fluorhaltige Verbindung wie z. B. BF&sub3;, CF&sub4;, HF, SF&sub6;, CF&sub6;, WF&sub6;, CHF&sub3;, SiF&sub4; in einen thermalen Spaltapparat eingeleitet wird. F&sub2;, wie es bei dieser Erfindung verwendet wird, schließt F&sub2;, welches durch thermale Spaltung gebildet wurde, ein.As the F2 gas (fluorine gas), there can be used not only a general F12 gas which is produced by a melt electrolysis method and the like, but also F2 gas which is produced by thermal cracking by introducing a fluorine-containing compound such as BF3, CF4, HF, SF6, CF6, WF6, CHF3, SiF4 into a thermal cracking apparatus. F2 as used in this invention includes F2 produced by thermal cracking.

Die vorliegende Erfindung wird nun detaillierter beschrieben.The present invention will now be described in more detail.

Die Konzentration von F&sub2; wird auf 0,05 bis 20 % (Volumenprozent, das gleiche trifft auch nachfolgend zu) eingestellt. Der Nachteil von F&sub2; besteht darin, da es hochreaktiv ist, daß die Steuerung der Fluorierung bei hoher Konzentration schwierig ist. Obgleich F&sub2; bei einer Konzentration, die 1 % nicht überschreitet, ziemlich leicht zu steuern ist, wird eine verlängerte Behandlung erforderlich, um eine ausreichende Nitrierhärtung von Stahl zu erreichen. Deshalb ist die bevorzugte F&sub2;-Konzentration 3 bis 10 %.The concentration of F₂ is set at 0.05 to 20% (volume percent, the same applies hereinafter). The disadvantage of F₂ is that since it is highly reactive, controlling fluorination at high concentration is difficult. Although F₂ is fairly easy to control at a concentration not exceeding 1%, prolonged treatment is required to achieve sufficient nitriding of steel. Therefore, the preferred F₂ concentration is 3 to 10%.

Der Substrat-Stahl für die vorliegende Erfindung schließt eine Reihe von Stählen, wie Kohlenstoffstahl, rostfreier Stahl usw. ein. Die Stähle sind nicht in der Form oder dergleichen beschränkt und können die Form einer Platte oder eines Coils oder in der verarbeiteten Form von einer Schraube oder dergleichen sein. Der Substrat-Stahl für die vorliegende Erfindung ist auch nicht auf die vorgenannten Stähle beschränkt, sondern er schließt auch Legierungen der genannten Stähle und Legierungen, die auf den genannten Stählen basieren und mit anderen Metallen ergänzt sind, ein.The substrate steel for the present invention includes a variety of steels such as carbon steel, stainless steel, etc. The steels are not limited in shape or the like, and may be in the form of a plate or a coil, or in the processed form of a screw or the like. The substrate steel for the present invention is also not limited to the aforementioned steels, but also includes alloys of the aforementioned steels and alloys based on the aforementioned steels and supplemented with other metals.

Vorzugsweise wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Substrat-Stahl entweder behandelt unter Verwendung (A) eines ersten Hitzebehandlungsofens zur Fluorierung und eines zweiten Behandlungsofens zur Nitrierung oder (B) eines einzigen Hitzebehandlungsapparates, der sowohl eine Fluorierungskammer als auch eine Nitrierungskammer hat.Preferably, according to the present invention, the substrate steel is treated using either (A) a first heat treatment furnace for fluorination and a second treatment furnace for nitriding or (B) a single heat treatment apparatus having both a fluorination chamber and a nitriding chamber.

Im Falle der Behandlung des Substrat-Stahles unter Verwendung (A) eines Hitzebehandlungsofens zur Fluorierung und eines Hitzebehandlungsofens zur Nitrierung kann der Prozeß z. B. die folgenden Schritte umfassen. Zuerst wird die Fluorierung im genannten Hitzebehandlungsofen zur Fluorierung in der nachstehend beschriebenen Weise durchgeführt. Dementsprechend wird das Stahlwerkstück, welches nitriergehärtet werden soll, in dem ersten Hitzebehandlungsofen zur Fluorierung plaziert und auf eine Temperatur von 200 bis 250ºC erhitzt. Dann wird in dem gleichen Zustand Fluorgas (F&sub2; + N&sub2;) in den Erhitzungsofen eingeleitet und das Stahlwerkzeug wird bei der gleichen Temperatur wie oben in einer Atmosphäre von diesem Fluorgas während ungefähr 10 bis 120 Minuten, vorzugsweise während etwa 20 bis 90 Minuten, und für noch bessere Ergebnisse während etwa 30 bis 60 Minuten, gehalten. Im Falle der Verwendung von F&sub2;, welches durch Spaltung einer Verbindung wie BF&sub2; gebildet wurde, wird ein Spaltapparat vor dem Hitzebehandlungsofen oder in der Nähe desselben angeordnet. Nach der thermalen Spaltung der vorgenannten Verbindung wird das gebildete F&sub2; mit N&sub2; gemischt und die Mischung wird in den Erhitzungsofen eingeleitet. Durch dieses Verfahren wird der Passivierungsfilm (hauptsächlich bestehend aus Oxid) an der Stahloberfläche in einen Fluorid- Film umgewandelt. Diese Reaktion verläuft z. B. nach den folgenden Reaktionsformeln.In the case of treating the substrate steel using (A) a heat treatment furnace for fluorination and a heat treatment furnace for nitriding, the process may, for example, comprise the following steps. First, fluorination is carried out in said heat treatment furnace for fluorination in the manner described below. Accordingly, the steel workpiece to be nitrided is placed in the first heat treatment furnace for fluorination and heated to a temperature of 200 to 250°C. Then, in the same state, fluorine gas (F₂ + N₂) is introduced into the heating furnace, and the steel tool is kept at the same temperature as above in an atmosphere of this fluorine gas for about 10 to 120 minutes, preferably for about 20 to 90 minutes, and for still better results for about 30 to 60 minutes. In the case of using F₂ which is obtained by decomposition of a compound such as BF₂, the process may comprise the following steps: was formed, a cracking apparatus is placed in front of the heat treatment furnace or in the vicinity of it. After thermal cracking of the above compound, the F₂ formed is mixed with N₂ and the mixture is introduced into the heating furnace. This process converts the passivation film (mainly consisting of oxide) on the steel surface into a fluoride film. This reaction proceeds according to the following reaction formulas.

FeO + F&sub2; T FeF&sub2; + 1/2O&sub2;FeO + F2 TFeF2; + 1/2O2

Cr&sub2;O&sub3; + 2F&sub2; T 2CrF&sub2; + 3/2O&sub2;Cr₂O₃ + 2F2 T2CrF2; + 3/2O2

Die o. g. Behandlungen werden jeweils durchgeführt unter Verwendung eines Hitzebehandlungsofens, wie er z. B. in Figur 1 dargestellt ist.The above-mentioned treatments are each carried out using a heat treatment furnace, such as the one shown in Figure 1.

Bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen bedeutet das Bezugszeichen 1 eine glockenförmige äußere Abdeckung und 2 bezeichnet eine zylindrische innere Abdeckung, die von der äußeren Abdeckung 1 umschlossen ist. Am oberen Teil der äußeren Abdeckung 1 ist integriert eine Rahmenstruktur 10 angeordnet, die Angriffsmittel 10a für den Angriff eines Kranhakens oder dergleichen aufweist. Am oberen Teil der inneren Abdeckung 2 ist integral eine Abdeckungsstruktur 11 angeordnet, die Angriffsmittel zum Angriff eines Kranhakens oder dergleichen hat. Innerhalb der inneren Abdeckung 2 ist eine Fluorierungskammer gebildet und der Zwischenraum zwischen den beiden Abdeckungen 1 und 2 bildet eine Erhitzungskammer. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet Stahlwerkstücke, die in die innere Abdeckung 2 eingebracht und hieraus entnommen werden. Die Stahlwerkstücke 3 sind auf einer Plattform 15 angeordnet, die eine zentrale Öffnung 14 hat, und in dem Raum zwischen einem ersten zylindrischen Gitterteil 16, welches sich von der genannten zentralen Öffnung 14 nach oben erstreckt, und einem zweiten zylindrischen Gitterteil 17a, welches sich von dem Umfang der Plattform 15 nach oben erstreckt, durch dazwischen angeordnete löchrige Trennwände 17b gestapelt, die jeweils eine zentrale Öffnung haben, Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine in der Umfangswand des unteren Teiles der äußeren Abdeckung 1 gebildete Öffnung zur Installation eines Brenners, und 4a bezeichnet eine Auslaßöffnung, die in der oberen Wand der äußeren Abdeckung 1 gebildet ist. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Basis und 6 bezeichnet einen Ventilator zur Umwälzung der Ofenatmosphäre. Der Ventilator 6 ist gegenüber der zentralen Öffnung 14 der Plattform 15 angeordnet und zirkuliert die Ofenatmosphäre durch die zentrale Öffnung 14 und das zylindrische Gitterteil 16, welches sich von dort aus aufwärts erstreckt. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen Wärmetauscher, der in einer Rohrleitung 7a angeordnet ist, die sich von der Basis der inneren Abdeckung 2 nach unten erstreckt. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet ein Umwälzgebläse zur Zwangskühlung, welches in der Rohrleitung 7a in Strömungsrichtung unterhalb des Wärmetauschers 7 angeordnet ist, während eine Rohrleitung zur Einleitung von Fluorgas in die innere Abdeckung 2 bei 9 angedeutet ist. Bei 12a ist zum Abzug von verbrauchtem Gas aus der inneren Abdeckung 2 eine Abgas-Rohrleitung angedeutet, die in einem Zwischenabschnitt gegabelt ist, wobei eine Zweig-Rohrleitung 17 mit einem Ventil 18 ausgerüstet ist und die andere Zweig-Rohrleitung 19 mit einem Ventil 20 und einer Vakuumpumpe 21 ausgerüstet ist. Wenn der Gasdruck des verbrauchten Gases in der inneren Abdeckung 2 hoch ist, wird der Weg über die Zweig-Rohrleitung 17 benutzt, während der Weg über die Zweig-Rohrleitung 19 zur Vakuumevakuierung durch die Saugkraft der Vakuumpumpe 21 benutzt wird, wenn der Druck des verbrauchten Gases niedrig ist. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Vorrichtung zur Verhinderung von Umweltverschmutzung, die an das Ausgangsende der Abgas-Rohrleitung 12a angeschlossen ist. Diese Vorrichtung 12 zur Verhinderung von Umweltverschmutzung umfaßt ein Paar von Aktivkohle-Kolonnen 22, eine Erhitzerwicklung 23, die um den Umfang jeder Kolonne gewickelt ist, und einen Rippen-Typ-Wärmetauscher 24 und funktioniert in der Art, daß das in die Aktivkohle-Kolonne 22 eingeleitete verbrauchte Gas durch thermische Reaktion des restlichen F&sub2; usw. mit der Aktivkohle in harmloses CF&sub4; umgewandelt und dem Rippen-Typ-Wärmeaustauscher 24 zur Kühlung zugeleitet wird. Bei 13 ist ein Naßreiniger angedeutet, der in einer Rohrleitung 25, die vom Wärmetauscher 24 ausgeht, angeordnet ist. Dieser Naßreiniger enthält Wasser und hat die Aufgabe, das verbrauchte Gas sorgfältig zu behandeln, damit es zur Abgabe in die Atmosphäre harmlos gemacht wird, indem das verbrauchte Gas aus der Rohrleitung 25 in Bläschen überführt wird, um die HF-Fraktion des verbrauchten Gases (welche durch die Reaktion von F&sub2; mit H&sub2;O und H&sub2; nebenbei in der inneren Abdeckung 2 produziert wurde) in Wasser zu lösen.Referring to the accompanying drawings, reference numeral 1 denotes a bell-shaped outer cover and 2 denotes a cylindrical inner cover enclosed by the outer cover 1. On the upper part of the outer cover 1 is integrally arranged a frame structure 10 having engagement means 10a for engagement with a crane hook or the like. On the upper part of the inner cover 2 is integrally arranged a cover structure 11 having engagement means for engagement with a crane hook or the like. Inside the inner cover 2 a fluorination chamber is formed and the space between the two covers 1 and 2 forms a heating chamber. Reference numeral 3 denotes steel workpieces which are inserted into and removed from the inner cover 2. The steel workpieces 3 are arranged on a platform 15 having a central opening 14 and stacked in the space between a first cylindrical grid part 16 extending upward from said central opening 14 and a second cylindrical grid part 17a extending upward from the periphery of the platform 15 through interposed perforated partition walls 17b each having a central opening. Reference numeral 4 denotes an opening formed in the peripheral wall of the lower part of the outer cover 1 for installing a burner, and 4a denotes an exhaust opening formed in the upper wall of the outer cover 1. Reference numeral 5 denotes a base and 6 denotes a fan for circulating the furnace atmosphere. The fan 6 is arranged opposite the central opening 14 of the platform 15 and circulates the furnace atmosphere through the central opening 14 and the cylindrical grille member 16 extending upward therefrom. Reference numeral 7 denotes a heat exchanger arranged in a pipe 7a extending downward from the base of the inner cover 2. Reference numeral 8 denotes a circulation fan for forced cooling arranged in the pipe 7a downstream of the heat exchanger 7, while a pipe for introducing fluorine gas into the inner cover 2 is indicated at 9. Indicated at 12a is an exhaust piping for discharging exhaust gas from the inner cover 2, which is bifurcated at an intermediate portion, one branch piping 17 is equipped with a valve 18 and the other branch piping 19 is equipped with a valve 20 and a vacuum pump 21. When the gas pressure of the exhaust gas in the inner cover 2 is high, the path via the branch piping 17 is used, while when the pressure of the exhaust gas is low, the path via the branch piping 19 is used for vacuum evacuation by the suction force of the vacuum pump 21. Reference numeral 12 denotes a pollution prevention device connected to the outlet end of the exhaust piping 12a. This pollution prevention device 12 comprises a pair of activated carbon columns 22, a heater coil 23 wound around the periphery of each column, and a fin-type heat exchanger 24, and functions in such a manner that the spent gas introduced into the activated carbon column 22 is converted into harmless CF4 by thermal reaction of the residual F2 etc. with the activated carbon and is supplied to the fin-type heat exchanger 24 for cooling. Indicated at 13 is a wet scrubber which is arranged in a pipe 25 extending from the heat exchanger 24. This wet scrubber contains water and has the function of carefully treating the spent gas to make it harmless for release into the atmosphere by bubbling the spent gas from the pipe 25 to dissolve the HF fraction of the spent gas (which was produced by the reaction of F₂ with H₂O and H₂ incidentally in the inner cover 2) in water.

Unter Verwendung dieses Hitzebehandlungsofens wird die Fluorierung wie folgt durchgeführt. Sinngemäß wird der Haken eines Kranes oder dergleichen (nicht dargestellt) mit den Angriffsmitteln 10a und 11a der äußeren Abdeckung 1 und der inneren Abdeckung 2 verbunden, um die äußere Abdeckung 1 und die innere Abdeckung 2 an dem Kran anzuhängen. In diesem Zustand wird der Basisstahl 3 auf der Plattform 15 plaziert, wie es dargestellt ist, und die äußere Abdeckung 1 und die innere Abdeckung 2 werden zu ihren ursprünglichen Positionen abgesenkt (dieser Zustand ist in Figur 1 dargestellt). Dann wird die Hitze von einem in die Öffnung 4 eingesetzten Brenner (nicht gezeigt) in die zwischen der äußeren Abdeckung 1 und der inneren Abdeckung 2 gebildete Erhitzungskammer abgegeben, wodurch das Stahlwerkstück 3 in der inneren Abdeckung 2 erhitzt wird. Dann wird das Fluorierungsgas in die innere Abdeckung 2 von ihrem Boden her durch die Rohrleitung 9 zur Fluorierung eingeleitet. Die Dauer dieser Fluorierung ist, wie vorerwähnt, generell etwa 30 bis 60 Minuten.Using this heat treatment furnace, the fluorination is carried out as follows. In other words, the hook of a crane or the like (not shown) is connected to the engaging means 10a and 11a of the outer cover 1 and the inner cover 2 to hang the outer cover 1 and the inner cover 2 on the crane. In this state, the base steel 3 is placed on the platform 15 as shown, and the outer cover 1 and the inner cover 2 are lowered to their original positions (this state is shown in Fig. 1). Then, the heat from a burner (not shown) inserted into the opening 4 is released into the heating chamber formed between the outer cover 1 and the inner cover 2, thereby heating the steel workpiece 3 in the inner cover 2. Then, the fluorination gas is introduced into the inner cover 2 from its bottom through the pipe 9 for fluorination. The duration of this fluorination is, as mentioned above, generally about 30 to 60 minutes.

Dann wird die Nitrierung wie folgt durchgeführt. Da das Stahlwerkstück jetzt nach der oben beschriebenen Fluorierungsbehandlung mit einem Fluorid-Film abgedeckt ist, bleibt es ohne Oberflächenoxidation inaktiv, selbst wenn es der Atmosphäre, wie z. B. Luft, ausgesetzt wird. Das Stahlwerkstück wird in diesem Zustand entweder gelagert oder sofort einer Nitrierung in einem zweiten Erhitzungsofen zur Nitrierung ausgesetzt. Dieser zweite Erhitzungsofen zur Nitrierung entspricht im Aufbau dem oben beschriebenen ersten Erhitzungsofen. Demzufolge werden die innere Abdeckung 2 und die äußere Abdeckung 1 von diesem zweiten Erhitzungsofen A' hochgezogen, das Stahlwerkstück 3 wird dann aufgestapelt und die innere Abdeckung 2 und die äußere Abdeckung 1 werden in ihre ursprünglichen Positionen abgesenkt. Dann wird die Hitze einer Flamme von einem Brenner in den Raum zwischen der inneren Abdeckung 2 und der äußeren Abdeckung 1 abgegeben, um das Stahlwerkstück in der inneren Abdeckung 2 auf eine Nitrierungstemperatur von 480 bis 700ºC zu erhitzen. In diesem Zustand wird NH&sub3;-Gas oder ein Mischgas, bestehend aus NH&sub3; und einem eine Kohlenstoffquelle enthaltenden Gas, in den Ofen vom Boden des Erhitzungsofens durch eine Rohrleitung 9 eingeleitet und das Stahlwerkstück wird in diesem Zustand für ungefähr 120 Minuten oder mehr gehalten. Bei diesem Prozeß wird der Fluorid-Film durch H&sub2; oder eine geringe Menge von Wasser (Nebenprodukt im Laufe der Nitrierreaktion) zerstört, um einer aktiven Stahloberfläche Platz zu machen, z. B. nach den folgenden Reaktionsformeln.Then, nitriding is carried out as follows. Since the steel workpiece is now covered with a fluoride film after the fluorination treatment described above, it remains inactive without surface oxidation even when exposed to the atmosphere such as air. The steel workpiece is either stored in this state or immediately subjected to nitriding in a second heating furnace for nitriding. This second heating furnace for nitriding is similar in structure to the first heating furnace described above. Accordingly, the internal Cover 2 and the outer cover 1 are pulled up from this second heating furnace A', the steel workpiece 3 is then stacked, and the inner cover 2 and the outer cover 1 are lowered to their original positions. Then, the heat of a flame from a burner is emitted into the space between the inner cover 2 and the outer cover 1 to heat the steel workpiece in the inner cover 2 to a nitriding temperature of 480 to 700 °C. In this state, NH₃ gas or a mixed gas consisting of NH₃ and a gas containing a carbon source is introduced into the furnace from the bottom of the heating furnace through a pipe 9, and the steel workpiece is kept in this state for about 120 minutes or more. In this process, the fluoride film is destroyed by H₂ or a small amount of water (by-product in the course of the nitriding reaction) to give way to an active steel surface, e.g. B. according to the following reaction formulas.

CrF&sub4; + 2H&sub2; T Cr + 4HFCrF4; + 2H2 T Cr + 4HF

2FeF&sub3; + 3H&sub2; T 2Fe + 6HF2FeF3; + 3H2 T2Fe + 6HF

Bezugnehmend auf die o. g. Entfernung des Fluorid-Films kann der Film durch die Einleitung eines Mischgases von N&sub2; und H&sub2; oder H&sub2; vor der Einleitung des Nitriergases zerstört werden. Diese Praxis wird eigentlich vorgezogen, weil Probleme infolge der Nebenproduktion von Ammoniumfluorid vermieden werden können.Referring to the above-mentioned removal of the fluoride film, the film can be destroyed by introducing a mixed gas of N₂ and H₂ or H₂ before introducing the nitriding gas. This practice is actually preferred because problems due to the by-production of ammonium fluoride can be avoided.

Auf der so gebildeten aktiven Stahloberfläche wirkt der aktive Stickstoff, der vom Nitriergas herrührt, um in das Stahlwerkstück einzudringen und zu diffundieren. Als Ergebnis wird zum Innern des Stahlwerkstückes von seiner Oberfläche her eine ultraharte Verbindungsschicht (Nitrid- Schicht), enthaltend Nitride wie CrN, Fe&sub2;N, Fe&sub3;N und Fe&sub4;N, gleichmäßig und von ausreichender Tiefe gebildet, gefolgt von der Bildung einer harten Diffusionsschicht aus N-Atomen, und die o. g. Verbindungsschicht und die Diffusionsschicht bilden die gesamte Nitridhülle.On the active steel surface thus formed, the active nitrogen originating from the nitriding gas acts to penetrate and diffuse into the steel workpiece. As a result, an ultra-hard compound layer (nitride layer) containing nitrides such as CrN, Fe₂N, Fe₃N and Fe₄N is formed uniformly and of sufficient depth toward the inside of the steel workpiece from its surface, followed by the formation of a hard diffusion layer of N atoms, and the above compound layer and the diffusion layer form the entire nitride shell.

Falls sowohl die Fluorierung als auch die Nitrierung in einem einzigen Hitzebehandlungsofen (B) durchgeführt werden, wird ein Ofen, z. B. mit dem in Figur 2 gezeigten Aufbau, verwendet. In dieser Darstellung bezeichnet 1' einen Ofen und 2' einen Metallkorb, der mit Stahlwerkstücken (nicht dargestellt) beladen ist. Das Bezugszeichen 3' bezeichnet einen Erhitzer, 5' eine Abgas-Rohrleitung, 6' eine adiabatische Wand, 7' eine Türe, 8' einen Ventilator, 10' einen Pfosten, 12' eine Vakuumpumpe und 13' eine Abgasbehandlungseinheit. Bei 21 ist der Ofenkörper angedeutet, der eine adiabatische Wand hat, welche durch eine Trennwand oder eine Gleittafel, die frei geöffnet und geschlossen werden kann, in zwei Räume 23' und 24' geteilt ist. Die Gleittafel 22' ist so ausgebildet, daß sie die zwei Räume 23', 24' gasdicht und gegen Hitze isoliert halten kann und frei durch Vertikalverschiebung zu öffnen und zu schließen ist. Das Bezugszeichen 23' bezeichnet eine Fluorierungskammer, während eine Nitrierungskammer mit 24' bezeichnet ist. Sowohl die Fluorierungskammer 23' als auch die Nitrierungskammer 24' ist mit einer Basis 25' ausgerüstet, welche den Metallkorb 2' aufnimmt. Die Basis 25' besteht aus einem Paar von Schienen und ist so angeordnet, daß der Metallkorb auf den Schienen wahlweise in die Fluorierungskammer 23' oder die Nitrierungskammer 24' verschoben werden kann. Das Bezugszeichen 26' bezeichnet eine Gaseinlaßleitung zur Einführung von Fluorierungsgas in die Fluorierungskammer 23', während eine Temperaturfühlsonde mit 27' bezeichnet ist. Die vordere Öffnung der Fluorierungskammer 23' ist lösbar abgedeckt mit einer seitlich angetriebenen Abdeckung 7'. Das Bezugszeichen 28' bezeichnet eine Nitriergasleitung zur Einleitung von Nitriergas in die Nitrierkammer 24'.If both fluorination and nitriding are carried out in a single heat treatment furnace (B), a furnace having, for example, the structure shown in Figure 2 is used. In this illustration, 1' designates a furnace and 2' a metal basket loaded with steel workpieces (not shown). Reference numeral 3' designates a heater, 5' an exhaust pipe, 6' an adiabatic wall, 7' a door, 8' a fan, 10' a post, 12' a vacuum pump and 13' an exhaust treatment unit. At 21 is indicated the furnace body, which has an adiabatic wall divided into two spaces 23' and 24' by a partition wall or a sliding panel that can be freely opened and closed. The sliding board 22' is designed to keep the two spaces 23', 24' gas-tight and heat-insulated and to be freely opened and closed by vertical displacement. The reference numeral 23' denotes a fluorination chamber, while a nitriding chamber is denoted by 24'. Both the fluorination chamber 23' and the nitriding chamber 24' are equipped with a base 25' which accommodates the metal basket 2'. The base 25' consists of a pair of rails and is arranged so that the metal basket can be slid on the rails selectively into the fluorination chamber 23' or the nitriding chamber 24'. The reference numeral 26' denotes a gas inlet pipe for introducing fluorination gas into the fluorination chamber 23', while a temperature sensing probe is denoted by 27'. The front opening of the fluorination chamber 23' is detachably covered with a laterally driven cover 7'. The reference number 28' designates a nitriding gas line for introducing nitriding gas into the nitriding chamber 24'.

In obigem Erhitzungsofen wird die Nitrierung wie folgt durchgeführt. Zuerst wird der Korb 2', der das Stahlwerkstück enthält, in die Fluorierungskammer 23' gesetzt und in diesem Zustand wird die Innentemperatur der Fluorierungskammer 23' erhöht, um das Stahlwerkstück auf 200 bis 250ºC zu erhitzen. Dann wird in diesem Zustand das Fluor-Gas (F&sub2; + N&sub2;) in die Kammer zur Fluorierung während 30 bis 60 Minuten eingeleitet. Nach Vervollständigung der Fluorierung wird die Fluorierungskammer 23' ventiliert, um das Gas abzulassen.In the above heating furnace, nitriding is carried out as follows. First, the basket 2' containing the steel workpiece is placed in the fluorination chamber 23' and in this state, the internal temperature of the fluorination chamber 23' to heat the steel workpiece to 200 to 250ºC. Then, in this state, the fluorine gas (F₂ + N₂) is introduced into the chamber for fluorination for 30 to 60 minutes. After completion of fluorination, the fluorination chamber 23' is ventilated to discharge the gas.

Dann wird die Nitrierung wie folgt durchgeführt. Die o. g. Gleittafel 22' wird geöffnet, um die Stahlwerkstücke und den Metallkorb 2' als Einheit in die Nitrierungskammer 24' zu transferieren und die Gleittafel 22' wird dann geschlossen. In diesem Zustand wird die Innentemperatur der Nitrierungskammer 24' erhöht, um das Stahlwerkstück auf 480 bis 600ºC zu erhitzen und H&sub2;-Gas wird in die Nitrierkammer 24' eingeleitet, um diesen Zustand eine Stunde lang aufrechtzuerhalten, wodurch der Fluorid-Film, welcher die Stahloberfläche bedeckt, zerstört wird, um die Substrat-Oberfläche des Werkstückes freizulegen. Dann wird die Nitrierung bei dieser Temperatur während 4 bis 5 Stunden unter Einleitung von Nitriergas in die Nitrierkammer 24', d. h. ein Mischgas von NH&sub3;, N&sub2;, NH&sub2;, CO und CO&sub2;, durchgeführt. Danach wird die Innentemperatur auf 350 bis 450ºC gesenkt und in diesem Zustand wird die Reinigung durch Einleitung eines Mischgases, bestehend aus H&sub2; und N&sub2;, oder eines Mischgases, bestehend aus N&sub2;, H&sub2; und CO&sub2;, während einer Stunde durchgeführt. Danach wird das in der Nitrierkammer 24 verbrauchte Gas abgelassen und die Gleittafel 22' wird geöffnet. Dann werden das Stahlwerkstück und der Metallkorb 2' als Einheit in die Fluorierungskammer 23' gebracht und die Gleittafel 22' wird geschlossen, gefolgt von einer Kühlung in diesem Zustand. Diese Kühlung wird durch Einleitung von Stickstoffgas aus der Gaseinlaßleitung 26' in die Fluorierungskammer 23' durchgeführt. Das so behandelte Stahlwerkstück hat eine tiefe und gleichmäßige Nitridhülle. In diesem Zusammenhang kann die Erhitzung des Stahlwerkstückes zur Fluorierung in der Nitrierkammer 24' durch Erhitzung derselben durchgeführt werden. Dies bedeutet, daß das Stahlwerkstück direkt in der Nitrierkammer 24' angeordnet wird und dort erhitzt wird. Dann wird die Gleittafel 22' geöffnet und das Werkstück zur Fluorierung in die Fluorierungskammer transferiert. Das Stahlwerkstück wird dann wieder in die Nitrierungskammer 24' zur Nitrierung gebracht. In diesem Fall kann eine Vorheizung der Nitrierkammer 24' durch Ausnutzung der zur Fluorierung des Werkstückes nötigen Hitze bewirkt werden.Then, nitriding is carried out as follows. The above-mentioned slide table 22' is opened to transfer the steel workpieces and the metal basket 2' as a unit into the nitriding chamber 24', and the slide table 22' is then closed. In this state, the internal temperature of the nitriding chamber 24' is raised to heat the steel workpiece to 480 to 600°C, and H₂ gas is introduced into the nitriding chamber 24' to maintain this state for one hour, thereby destroying the fluoride film covering the steel surface to expose the substrate surface of the workpiece. Then, nitriding is carried out at this temperature for 4 to 5 hours while introducing nitriding gas, i.e., a mixed gas of NH₃, N₂, NH₂, CO and CO₂, into the nitriding chamber 24'. Thereafter, the internal temperature is lowered to 350 to 450°C, and in this state, cleaning is carried out by introducing a mixed gas consisting of H₂ and N₂ or a mixed gas consisting of N₂, H₂ and CO₂ for one hour. Thereafter, the gas consumed in the nitriding chamber 24 is discharged and the sliding table 22' is opened. Then, the steel workpiece and the metal basket 2' are brought into the fluorination chamber 23' as a unit and the sliding table 22' is closed, followed by cooling in this state. This cooling is carried out by introducing nitrogen gas from the gas inlet pipe 26' into the fluorination chamber 23'. The steel workpiece thus treated has a deep and uniform nitride shell. In this connection, heating of the steel workpiece for fluorination in the nitriding chamber 24' can be carried out by heating the same. This means that the steel workpiece is placed directly in the nitriding chamber 24' and heated there. Then the sliding table 22' is opened and the workpiece is Fluorination is transferred to the fluorination chamber. The steel workpiece is then brought back to the nitriding chamber 24' for nitriding. In this case, the nitriding chamber 24' can be preheated by utilizing the heat required to fluorinate the workpiece.

Gemäß vorliegender Erfindung ist so die nach Zerstörung des Fluorid-Filmes freigelegte Stahloberfläche hochaktiviert worden und die Stickstoffatome wirken auf diese aktivierte Stahloberfläche ein, um eine ultraharte Nitridschicht von großer Tiefe und Gleichmäßigkeit zu bilden. Darüber hinaus ist das zur Fluorierung verwendete Gas F&sub2; und verglichen mit der Verwendung von NF&sub3; ist es nicht nur billig, sondern es erlaubt auch die Verwendung einer niedrigeren Fluorierungstemperatur und hilft so, die Behandlungskosten in einem beachtlichen Maß zu senken.According to the present invention, the steel surface exposed after destruction of the fluoride film has been highly activated and the nitrogen atoms act on this activated steel surface to form an ultra-hard nitride layer of great depth and uniformity. In addition, the gas used for fluorination is F2 and compared to the use of NF3, it is not only inexpensive but also allows the use of a lower fluorination temperature, thus helping to reduce the treatment costs to a considerable extent.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Figur 1 ist ein Querschnitt, welcher ein Ausführungsbeispiel eines bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Hitzebehandlungsofens zeigt undFigure 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a heat treatment furnace used in the present invention, and

Figur 2 ist ein grundlegender Schnitt eines anderen Hitzebehandlungsofens.Figure 2 is a basic cross-section of another heat treatment furnace.

Beispiele der Erfindung werden nachstehend angegeben.Examples of the invention are given below.

BeispieleExamples

Zunächst wird ein Beispiel unter Verwendung eines Paares von Erhitzungsöfen beschrieben.First, an example using a pair of heating furnaces is described.

Beispiel 1example 1 FluorierungFluorination

Eine Vielzahl von Schrauben aus austenitischem rostfreiem Stahl (Muster) wurde hergestellt und mit Trichlorethylen- Dampf gereinigt. Die Schrauben wurden in einen ersten Erhitzungsofen (Figur 1) gebracht, in welchem sie ausreichend auf 200ºC erhitzt wurden, wie oben beschrieben.A variety of austenitic stainless steel bolts (sample) were prepared and cleaned with trichloroethylene vapor. The bolts were placed in a primary heating furnace (Figure 1) in which they were sufficiently heated to 200ºC as described above.

In diesem Zustand wurde dann ein Mischgas, bestehend aus 10 % F&sub2; und dem Rest N&sub2;, in den Ofen mit einer Menge entsprechend 5mal dem Innenvolumen des Ofens pro Zeiteinheit, eingeleitet und das Werkstück wurde für 60 Minuten gehalten. Danach wurden einige der Muster herausgenommen und die Oberflächenschicht von jedem Muster wurde geprüft. Es bestätigte sich, daß ein Fluorid-Film über die ganze Oberfläche gebildet war.In this state, a mixed gas consisting of 10% F2 and the balance N2 was introduced into the furnace in an amount equal to 5 times the internal volume of the furnace per unit time, and the workpiece was held for 60 minutes. After that, some of the samples were taken out and the surface layer of each sample was examined. It was confirmed that a fluoride film was formed over the entire surface.

Nitrierungnitration

Die dieser Fluorierungsbehandlung unterworfenen Muster wurden in einen zweiten Erhitzungsofen A' gebracht und NH&sub3; + 50 % RX-Gas wurde in den Ofen bei 530ºC für 6 Stunden zur Nitrierung eingeleitet. Nach Beendigung dieser Behandlung wurden die Muster luftgekühlt und aus dem Ofen herausgenommen. Die o. g. Behandlung erbrachte nitriergehärtete Schrauben aus austernitischem rostfreien Stahl.The samples subjected to this fluorination treatment were placed in a second heating furnace A' and NH3 + 50% RX gas was introduced into the furnace at 530ºC for 6 hours for nitriding. After completion of this treatment, the samples were air cooled and taken out of the furnace. The above treatment yielded nitrided austernitic stainless steel screws.

Vergleichsbeispiel 1Comparison example 1

Die in Beispiel 1 beschriebene Behandlung wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß das Fluorierungsgas durch ein Mischgas von NF&sub2; und NF&sub3; (Konzentration 1 %) ersetzt und die Fluorierungstemperatur wurde durch 410ºC ersetzt, um nitriergehärtete Schrauben aus rostfreiem Stahl zu schaffen.The treatment described in Example 1 was repeated except that the fluorination gas was replaced by a mixed gas of NF₂ and NF₃ (concentration 1%) and the fluorination temperature was replaced by 410°C to obtain nitrided stainless steel screws.

Die Härte, Beschaffenheit und Dicke der Nitridhülle des Produktes gemäß Beispiel 1 wurden mit denen des Produktes des Vergleichsbeispieles 1 verglichen. Im Ergebnis wurden beide Produkte als gleichwertig in der Qualität befunden. Die Kosten des Produktes gemäß Beispiel 1 waren jedoch 1/3 der Kosten des Produktes gemäß dem Vergleichsbeispiel 1.The hardness, texture and thickness of the nitride shell of the product according to Example 1 were compared with those of the product of Comparative Example 1. As a result, both products were found to be equivalent in quality. The cost of the product according to Example 1, however, was 1/3 of the cost of the product according to Comparative Example 1.

Einige Beispiele unter Verwendung eines einzigen Hitzebehandlungsofens (B) sind nachstehend angegeben.Some examples using a single heat treatment furnace (B) are given below.

Beispiel 3Example 3

Die Fluorierung und Nitrierung wurden unter Verwendung eines Hitzebehandlungsofens, der eine Fluorierungskammer und eine Nitrierkammer hat, wie es in Figur 2 gezeigt ist, durchgeführt. Die entsprechenden Behandlungen wurden, wie im Text dieser Beschreibung vorstehend beschrieben, durchgeführt und die Bedingungen bei jeder Behandlung waren die gleichen wie bei Beispiel 1. Das gleiche Ergebnis wurde erzielt wie bei Beispiel 1.Fluorination and nitriding were carried out using a heat treatment furnace comprising a fluorination chamber and a Nitriding chamber was carried out as shown in Figure 2. The respective treatments were carried out as described in the text of this specification above, and the conditions in each treatment were the same as in Example 1. The same result was obtained as in Example 1.

Wie vorstehend beschrieben wurde, erlaubt das Verfahren der vorliegenden Erfindung, welches billiges Fluorgas zur Fluorierung verwendet, eine drastische Verringerung der Behandlungskosten. Weiterhin wird der Bedarf an thermischer Energie wesentlich gesenkt, da die Fluorierung bei einer Temperatur durchgeführt werden kann, die um 100 bis 150ºC niedriger ist als die der Fluorierung mit NF&sub3;, was auch bemerkenswert zur Kostenreduzierung beiträgt. Insbesondere weil die Fluorierung bei einer solchen verhältnismäßig geringen Temperatur durchgeführt werden kann, kann die Kühlzeit, welche auf die Fluorierung folgt, auch verkürzt werden, so daß der ganze Prozeß beschleunigt wird. Da weiterhin das Fluorgas einen intensiven Geruch hat, ist es der Leck-Ermittlung mehr zugänglich als NF&sub3; und das Verschmutzungsproblem, welches mit schädlichem F&sub2; verbunden ist, kann mit größerer Sicherheit verhindert werden. Ferner bringt diese für die Fluorierung niedrigere Temperatur weitere konstruktive Vorteile im Falle eines Hitzebehandlungsofens (kontinuierlicher Ofen) mit sich, der sowohl eine Fluorierungskammer als auch eine Nitrierkammer hat. Zum Beispiel ist da der Vorteil, daß die Lebensdauer der Dichtung der Gleittafel zwischen der Nitrierkammer und der Fluorierungskammer verlängert wird. Da das zur Fluorierung verwendete Gas hochkorrosiv ist, treten die Alterungseigenschaften der Dichtung weniger in Erscheinung, wenn die Temperatur der Fluoridfluorierungskammer niedriger ist, so daß eine längere Lebensdauer verwirklicht werden kann. Unter anderen Vorteilen sind die Vereinfachung und längere Lebensdauer von Verstärkungen und anderen Teilen der Konstruktion.As described above, the method of the present invention, which uses inexpensive fluorine gas for fluorination, allows a drastic reduction in the treatment cost. Furthermore, since the fluorination can be carried out at a temperature lower by 100 to 150°C than that of the fluorination with NF₃, the thermal energy requirement is significantly reduced, which also contributes remarkably to the cost reduction. In particular, since the fluorination can be carried out at such a relatively low temperature, the cooling time following the fluorination can also be shortened, so that the whole process is accelerated. Furthermore, since the fluorine gas has an intense odor, it is more amenable to leak detection than NF₃, and the pollution problem associated with harmful F₂ can be prevented with greater certainty. Furthermore, this lower temperature for fluorination brings further design advantages in the case of a heat treatment furnace (continuous furnace) having both a fluorination chamber and a nitriding chamber. For example, there is the advantage of extending the life of the seal of the sliding plate between the nitriding chamber and the fluoridation chamber. Since the gas used for fluorination is highly corrosive, the aging characteristics of the seal are less evident when the temperature of the fluoridation chamber is lower, so that a longer life can be realized. Among other advantages are the simplification and longer life of reinforcements and other parts of the structure.

Claims (1)

Verfahren zur Nitrierung von Stahl, bei dem ein Stahlwerkstück, während es auf eine Temperatur von 200 - 250ºC erhitzt ist, in einer Mischgasatmosphäre, bestehend aus Fluorgas und N&sub2;-Gas, fluoriert wird, dann während es heiß ist, in einer Nitriergasatmosphäre nitriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration von Fluorgas in der fluorierenden Atmosphäre von 3 bis 10 Vol.-% ist.A method for nitriding steel, in which a steel workpiece is fluorinated while heated to a temperature of 200 - 250ºC in a mixed gas atmosphere consisting of fluorine gas and N₂ gas, then nitrided while hot in a nitriding gas atmosphere, characterized in that the concentration of fluorine gas in the fluorinating atmosphere is from 3 to 10 vol%.
DE69113789T 1991-06-04 1991-06-04 Process of nitriding steel. Expired - Lifetime DE69113789T2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP91305033A EP0516899B1 (en) 1991-06-04 1991-06-04 Method of nitriding steel
CN91104154.0A CN1032375C (en) 1991-06-04 1991-06-24 Steel nitriding method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE69113789D1 DE69113789D1 (en) 1995-11-16
DE69113789T2 true DE69113789T2 (en) 1996-04-25

Family

ID=36781525

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE69113789T Expired - Lifetime DE69113789T2 (en) 1991-06-04 1991-06-04 Process of nitriding steel.

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP0516899B1 (en)
CN (1) CN1032375C (en)
AT (1) ATE129023T1 (en)
DE (1) DE69113789T2 (en)
DK (1) DK0516899T3 (en)
ES (1) ES2082138T3 (en)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2731232B1 (en) * 1995-03-01 1997-05-16 Stephanois Rech PROCESS FOR TREATING FERROUS SURFACES SUBJECT TO HIGH FRICTION STRESS
US5650022A (en) * 1995-05-25 1997-07-22 Daido Hoxan Inc. Method of nitriding steel
JPH102336A (en) * 1996-04-16 1998-01-06 Koyo Seiko Co Ltd Retainer for bearing and manufacture therefor
JP3699803B2 (en) * 1997-05-09 2005-09-28 光洋精工株式会社 Manufacturing method of bearing and bearing
CN100460552C (en) * 2002-09-24 2009-02-11 本田技研工业株式会社 Method of nitriding metal ring and apparatus therefor
CN102517540B (en) * 2011-12-20 2013-11-20 广东华南特种气体研究所有限公司 Passivation method of excimer laser gas configuration device
EP4086366A1 (en) 2014-07-31 2022-11-09 Case Western Reserve University Enhanced activation of self-passivating metals
DE102016221891A1 (en) * 2016-11-08 2018-05-09 Robert Bosch Gmbh Process for the heat treatment of a high-alloy steel workpiece
PL3684961T3 (en) * 2017-09-19 2023-02-27 Bortec Gmbh Improved pre-treatment process of a surface of a metallic substrate
WO2019241011A1 (en) 2018-06-11 2019-12-19 Swagelok Company Chemical activation of self-passivating metals
CN114929924A (en) 2019-12-06 2022-08-19 斯瓦戈洛克公司 Chemical activation of self-passivated metals
KR20230015889A (en) 2020-04-29 2023-01-31 스웨이지락 캄파니 Activation of Self-Passivating Metals Using Reagent Coatings for Low-Temperature Nitrocarbonization
CN111843407B (en) * 2020-07-29 2021-11-02 扬州大学 Nitriding device and nitriding processing method for 304 stainless steel spiral reamer

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2851387A (en) * 1957-05-08 1958-09-09 Chapman Valve Mfg Co Method of depassifying high chromium steels prior to nitriding
SU638635A1 (en) * 1977-05-24 1978-12-28 Московский Автомобильно-Дорожный Институт Method of nitriding steel components
DE68918365T2 (en) * 1988-07-20 1995-05-04 Hashimoto Chemical Ind Co Metallic material with film passivated by fluorination and system consisting of the metallic material.
DE69009603T2 (en) * 1989-07-10 1995-01-12 Daido Oxygen Process for the pretreatment of metallic workpieces and the nitriding hardening of steel.
US5112030A (en) * 1990-10-01 1992-05-12 Daidousanso Co., Ltd. Heat treat furnace for fluorinating steel material

Also Published As

Publication number Publication date
EP0516899A1 (en) 1992-12-09
CN1067929A (en) 1993-01-13
ES2082138T3 (en) 1996-03-16
DK0516899T3 (en) 1996-02-26
CN1032375C (en) 1996-07-24
EP0516899B1 (en) 1995-10-11
ATE129023T1 (en) 1995-10-15
DE69113789D1 (en) 1995-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69302454T2 (en) Method for nitriding austenitic stainless steel
DE69113789T2 (en) Process of nitriding steel.
DE69009603T2 (en) Process for the pretreatment of metallic workpieces and the nitriding hardening of steel.
DE69016390T2 (en) Nitriding furnace.
DE69225880T2 (en) Process for nitriding a nickel alloy
DE4208485C1 (en)
DE69719046T2 (en) Process for manufacturing case hardened stainless steel bearing components
DE69107708T2 (en) Method and plant for hardening a workpiece made of a metallic alloy under low pressure.
DE602005005462T2 (en) METHOD FOR PRODUCING TAPES OF AUSTENITIC STAINLESS STEEL WITH MATTER SURFACE
DE69936297T2 (en) METHOD FOR DEVELOPING AN IMPROVED OXIDE COATING AND COMPONENTS MADE OF AUSTENITIC STAINLESS STEEL OR NICKEL ALLOY STEEL
DE69210804T2 (en) Nickel Alloy Products
US5254181A (en) Method of nitriding steel utilizing fluoriding
DE69619725T2 (en) Process for nitriding steel
DE2904318C2 (en) Process for sintering compacts made of metal powder
US5112030A (en) Heat treat furnace for fluorinating steel material
EP2685193B1 (en) Method and rotary hearth furnace for heat treating workpieces
DE69117171T2 (en) MANUFACTURING OF A ROTATING MOTOR SHAFT
DE69118170T2 (en) METHOD FOR PRODUCING A CRANKSHAFT
WO2005052197A1 (en) Device and method for heat treating, in particular, metallic workpieces
DE69015817T2 (en) Process for nitriding steel.
DE19829825C2 (en) Carburizing and quenching device and method for quenching thin plate parts
DE69515588T2 (en) PROCEDE POUR LA NITRURATION A BASSE PRESSION D'UNE PIECE METALLIQUE ET FOUR POUR LA MISE EN OEUVRE DUDIT PROCEDE
DE2915061A1 (en) METHOD FOR DESCALING STAINLESS STEEL PRODUCTS
US5194097A (en) Method of nitriding steel and heat treat furnaces used therein
DE1932945B2 (en) Absorption device for the production of nitric acid by oxidation

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition
8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: AIR WATER INC., SAPPORO, HOKKAIDO, JP