Результат интеллектуальной деятельности: Способ газовой цементации стальных изделий

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке стальных изделий, а именно к процессам газовой цементации стальных изделий, и может использовано в машиностроении для упрочнения поверхностных слоев стальных изделий, для которых требуется снижение поверхностного износа.

Известен способ газовой цементации стальных изделий, включающий нагрев до температуры насыщения и выдержку при этой температуре с одновременной подачей природного газа в зону насыщения, в процессе выдержки в зону насыщения дополнительно подают 5-11%-ный водный раствор смеси плавиковой и азотной кислот в количестве 28-300 мл на 1 м³/ч природного газа (авторское свидетельство SU 1463801, опубликовано 07.03.89).

Известен способ газовой цементации изделий из сплавов железа, включающий выдержку при 950-1150°С, подачу газовой смеси внутрь объема насыщения по металлическому тракту с вращающимися частями и циркуляцию смеси через цементуемую садку, в качестве газовой смеси используют углеводород и диоксид углерода в соотношении 1:(1-4), а внутрь вращающихся частей металлического тракта помещают никельсодержащий катализатор и на вращающихся частях металлического тракта поддерживают температуру 0,88-0,93 температуры объема насыщения изменением расхода газовой смеси (авторское свидетельство SU 1652375, опубликовано 30.05.91).

Недостатком известных способов цементации стальных изделий является их сложность реализации, а также использование в качестве катализаторов дорогостоящих веществ, а также вредных, как для оборудования, так и персонала, осуществляющего процессы химико-термической обработки изделий.

Наиболее близким к заявленному является способ газовой цементации стальных изделий, включающий нагрев до температуры насыщения в природном газе в присутствии катализатора и выдержку при этой температуре, в качестве катализатора используют смесь, состоящую из следующих компонентов при их соотношении, масс. %: нитрит натрия 30-60; нитрат натрия 20-30; нитрат калия 15-30; натрий углекислый 5-10 (авторское свидетельство SU 1822450, опубликовано 15.06.93).

Недостатком известного способа газовой цементации стальных изделий является многокомпонентность катализатора и большой разброс по процентному составу каждого компонента, в связи с этим возникают трудности подбора оптимального состава катализатора для конкретных марок сталей, из которых изготовлены цементуемые изделия.

Технической задачей заявленного технического решения является создание способа цементации стальных изделий в газовой среде с катализатором, который оптимально подходит для химико-термической обработки деталей из разных марок сталей, способных к поверхностному насыщению углеродом.

Техническим результатом заявленного способа газовой цементации стальных изделий является упрочнение поверхностных слоев стальных изделий в газовой среде с использованием однокомпонентного катализатора.

Технический результат достигается тем, что в способе газовой цементации стальных изделий, включающем нагрев до температуры насыщения в газовой среде в присутствии катализатора и выдержку при этой температуре, согласно изобретению, в качестве катализатора используют нитрит натрия в количестве 5-6 грамм, размещенного в ядрах шаров из огнеупорной глины, при этом указанные шары равномерно укладывают перед цементацией среди изделий из расчета 1 шар на 32 кг изделий.

Шары с катализатором приготавливают следующим образом. Просеянную огнеупорную глину заливают водой и размешивают до тестообразной консистенции. Количество сухой глины выбирается из расчета 43-45 грамм на один шар. Из тестообразной глиняной массы формируются шары диаметром 40-50 мм. В ядро каждого из шаров помещают 5-6 грамм нитрита натрия. Далее осуществляют сушку шаров на воздухе в течение 5-6 суток, затем просушивают и обезвоживают в электрической печи при температуре 100°С в течение 4-5 часов. Срок хранения в сухом месте приготовленных шаров не более 1 месяца.

В предложенном способе катализатор (нитрит натрия), размещенный в ядре шара из огнеупорной глины, при нагреве в печи с цементуемыми стальными изделиями достигает температуры разложения (320°С) примерно в течение 1 часа. Температура стальных изделий за аналогичный период времени достигает 500-600°С. Указанная разница температур катализатора и стальных изделий обеспечивается шарообразной оболочкой из огнеупорной глины вплоть до нагрева цементуемых изделий до рабочей температуры цементации 860-930°С. В течение всего процесса нагрева (от 500 до 930°С) цементуемых стальных изделий при разложении нитрита натрия выделяется атомарный азот, способствующий ускорению диффузии углерода в поверхностные слои стальных изделий.

Предложенный способ газовой цементации стальных изделий осуществляют следующим образом.

Стальные изделия с равномерно размещенными между ними шарами из огнеупорной глины с катализатором - нитритом натрия укладывают в корзину. Количество шаров с катализатором выбирают из условия 1 шар на 32 кг цементуемых стальных изделий. Для контроля глубины цементации вместе со стальными изделиями кладут образцы-свидетели. Загружают заполненную корзину в печь, продувают ее активным газом, например, углекислым газом для удаления кислорода и осуществляют ее нагрев до температуры 860-930°С. В печь постоянно или циклически впрыскивают с помощью форсунок керосин, который при сгорании создает активную газовую среду во внутреннем пространстве печи, которая обеспечивает насыщение поверхностных слоев стальных изделий углеродом. Расход керосина в предложенном способе составляет от 1 до 2 литров в час. По достижении рабочей температуры цементации (860-930°С) стальные изделия выдерживают в течение времени, необходимого для получения требуемой толщины поверхностного слоя цементации, которая контролируется образцами-свидетелями. Например, для глубины слоя цементации 0,5-0,8 мм необходимо осуществлять выдержку стальных изделий в печи при рабочей температуре в течение 1,5-2 часа. Средняя скорость цементации в предложенном способе составляет 0,33-0,5 мм/ч. По завершении процесса насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом, стальные изделия охлаждают до температуры закалки (860°С) и закаливают, либо охлаждают и закаливают с повторным нагревом до температуры закалки.

Пример. Изделия вместе с образцами-свидетелями из сталей марок 20, 20Х, 18ХГТ, 25ХГТ, 18Х2НМА или их аналогов укладывают в корзины совместно с равномерно размещенными в них шарами из огнеупорной глины с катализатором - нитритом натрия. В печи подвешивают образцы-корректировщики из марок стали, аналогичных маркам стали изделий. Печь Ц-105А нагревают до 900°С. После продувки углекислым газом в течение 10 минут во внутреннее пространство печи циклически с интервалом 10 минут впрыскивают с помощью форсунок керосин. Керосин при сгорании создает активную газовую среду во внутреннем пространстве печи, которая обеспечивает насыщение поверхностных слоев стальных изделий углеродом. Расход керосина составляет от 1 до 2 литров в час в зависимости от времени выдерживания изделий в печи и требуемой глубины слоя цементации. За полчаса до окончания выдержки проверяют глубину слоя цементации на образце-корректировщике. При необходимости увеличивают время выдержки изделий в печи. Затем прекращают подачу керосина, проводят подстуживание изделий до 860°С и осуществляют закалку.

Таким образом, использование однокомпонентного катализатора, размещенного в шарообразной оболочке из огнеупорной глины, позволяет упрочнить поверхностные слои стальных изделий в газовой среде.