Результат интеллектуальной деятельности: СОСТАВ ВАННЫ ДЛЯ АЗОТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к химико-термической обработке из конструкционных и инструментальных сталей, и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и деталей технологической оснастки (штампов, прессформ, фильер и т.д.) в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности.

Известен способ Тенифер-процесс (Tenifer-Tufftride). Нитроцементация производился в цианистых средах (55% NaCN + 35% KCN + 10% Nа₂СО₃). (Футани К. Низкотемпературное азотирование сталей в соляных ваннах / Металловедение и термическая обработка металлов, 2004, № 7. – С. 12-16).

Недостатки указанного способа: очень высокая стоимость компонентов, высокая токсичность, что вызывает значительные проблемы, связанные с охраной окружающей среды (нейтрализация газов, сточных вод, отходов производства и т.п.).

Известен способ «мягкого азотирования». Расплав карбамида с углекислыми солями (карбонатами) калия или натрия обеспечивает эффект упрочнения поверхностей стальных деталей (NH₂)₂CO – 55%; Nа₂CO₃ -45% (карбомидо-карбанатный)). (Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. – М: 1985. – С. 183-186).

Недостатки указанного способа:

- технологические трудности, при очень низкой температуре плавления карбамида (133°С) и высокой температуре плавления углекислого натрия (854°С) и особенно углекислого калия (896°С) реакция карбамида с углекислыми солями (карбонатами) происходит очень бурно, с выделением большого количества газов и разбрызгиванием расплава;

- трудность регулирования состава диффузионного слоя, а также контроля состава расплава;

- трудности при освежении состава путем введения в него дополнительных порций карбамида.

- высокая токсичность солей в расплаве и сложности при обезвреживании цианистых отходов;

Технической задачей изобретения является повышение экологической безопасности и эксплуатационной стойкости деталей машин и инструментов.

Технический результат достигается разработкой оптимального состава ванны, включающей в себя карбамид, углекислый натрий, хлористый натрий кальций хлористый, барий хлористый и едкий натр при следующем соотношении компонентов (% мас.): карбамид (NH₂)₂ CO 32…35%; натрий углекислый Nа₂CO₃ 28…30%; натрий хлористый NаСl 6, кальций хлористый CaCl₂ 6, барий хлористый BaCl₂ 8, едкий натр NаОН – остальное.

Использование состава данной ванны обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев деталей азотом, исключает выделение ядовитых компонентов в процессе азотирования, исключает загрязнение воздуха рабочей зоны и окружающей среды.

Основной недостаток двухкомпонентной карбамидо–карбонатной ванны – значительные трудности, возникающие при её приготовлении, так как температура плавления карбамида (133ºС) очень низка по сравнению с температурой плавления углекислого натрия (854º) и особенно углекислого калия (896°С). При нагревании твёрдой смеси (порошков) названных веществ в начале плавится карбамид и начинает реагировать с частичками едкого натра, плавающими в жидкости. При этом выделяется большое количество газов. Реакция карбамида с углекислыми солями (карбонатами) происходит очень бурно, с выделением большого количества газов и разбрызгиванием расплава;

2(NH₂)₂CO+Na₂CO₃→2NaCNO+2NH₃↑+CO₂↑+H₂O (1)

В результате этого на поверхности ванны образуется большое количество пены, которая выносит из ванны жидкость и твёрдые частицы. При быстром нагреве смеси наблюдается интенсивное выплёскивание расплава из ванны. Большое количество аммиака, выделяющегося при сплавлении компонентов карбамидо-карбонатной ванны значительно загрязняет атмосферу в зоне работы печи.

Для уменьшения потери компонентов и снижения температуры расплава в процессе приготовления азотирующей ванны на основе карбамида и углекислого натрия в её состав был введён натрий хлористый NаСl – 6%, кальций хлористый CaCl₂ – 6%, барий хлористый BaCl₂ – 8%, и едкий натр в количестве 15…20 %.

Смесь хлористого натрия, кальция хлористого, бария хлористого при известном соотношении снижает температуру плавления солевой смеси с 854ºС до 420ºС и, тем самым, уменьшает разницу в температурах плавления карбомида и углекислого натрия.

Данная состав ванны позволяет растворять в ней карбамид (температура плавления 133°С) без бурного выделения газов, что наблюдается при растворении карбамида в расплавленной соде (температура плавления 854°С). Эта же композиция позволит поддерживать рабочую температуру ванны в интервале 480…580°С без заметного выкипания.

Экспериментальные исследования показали, что при введении в ванну смеси хлористого натрия, хлористого кальция, хлористого бария в данном соотношении, её вскипание при сплавлении компонентов прекратилось.

При температуре 550ºС эта ванна находится полностью в стабильном жидком состоянии.

Кроме недостатков известных ванн на основе карбамида, связанных с выкипанием и большим выносом солей, они представляют экологическую опасность, так как в процессе работы выделяют очень токсичное газообразное вещество – цианистый водород. Цианистый водород образуется в результате реакции цианистого натрия, находящегося в расплаве с парами воды и углекислым газом, образующимися при разложении карбомида

2(NH₂)₂CO+Na₂CO₃→2NaCNO+2NH₃↑+CO₂↑+H₂O↑ (2)

4NaCN→2N↓_Fe+CO+2NaCN+Na₂CO₃ (3)

NaCN+ CO₂ →Na₂CO₃+2CHN↑ (4)

CHN+ NaОН →NaCN+ H₂O↑ (5)

Едкий натр, введённый в состав азотирующей ванны в количестве 15…20%, связывает цианирующий водород в нелетучее вещество–цианистый натрий, тем самым, делает карбамидосодержащую ванну экологически безопасной в плане выделения вредных веществ в атмосферу. Кроме того, введение в состав ванны едкого натра способствует обогащению расплава цианистым натрием, участвующим в насыщении стали азотом.

Данный состав ванны для азотирования позволяет повысить экологическую чистоту процесса нитроцементации за счёт замены высокотоксичных цианидов калия и натрия, используемых в традиционных нитроцементующих составах, на нетоксичный и дешёвый карбамид.

Способ азотирования с использованием предлагаемой ванны осуществляется следующим образом: тщательно перемешиваем порошкообразные компоненты, расплавляем их и производим стабилизацию (старение) состава ванны в течение 2...3 часов. Исследуемые образцы обезжириваем в щелочном растворе, промываем водой и предварительно прогреваем до температуры 350ºС. Затем погружаем в ванну с данным расплавом при температуре 550ºС и выдерживаем в течении 4 часов. После этого образцы выгружаем и промываем в водяной ванне.

Данный способ азотирования деталей для повышения их износостойкости не представляет технологических трудностей и не требует использования дорогих или дефицитных материалов. Поэтому азотирование деталей с использованием данного расплава может быть легко внедрено на любом машиностроительном предприятии, как в мелкосерийном и крупносерийном, так и ремонтном. При этом предлагаемый способ отличается высокой производительностью, технологической широтой, экономичностью и экологической безопасностью.