Способ цементации стальных изделий

Способ цементации стальных изделий

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

gq ir> Î > ну. À

Союз Советсккк

Соцкалисткческки

Республик

ОП ИСАЫИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< >724603 (6I ) Дополнительное к авт. свмд-ву (22) Заявлено 02,10.78 (2I ) 2668809/22-02 с присоединением заявки J% (23) Приоритет °

Опубликовано 30.03.80. Бюллетень А&12

Дата опубликования описания 02.04.80 (5! )М. Кл.

С 23 С 9/02

Гвоудорстввиимб комитет

СССР до делам изобретеиий и открытий (53) УДК621.785..51.062.5 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. И. Светлаков, А. С. Заваров, Н, Н; Давыдова и С. Т. Ильиных

Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт имени С. М. Кирова (7l) Заявитель (54) СПОСОБ ЦЕМЕНТАШ4И СТАЛЬНЫХ ИЭДЕЛИЙ

1 Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в современном транспортном машиностроении при обработке трушихся друг о друга де талей для придания этим парам износостойкости.

В настоящее время цементация в ra зовом карбюриэаторе - наиболее распространенный вид химико-термической об работки стальных иззелий.

Известен способ цементации с испол зованием природного газа при температуо ре процесса 925-950 С с оптимальным расходом карбюризатора в пределах

0,3-0,8 м /ч.м (1)

Однако скорость образования диффузион ного слоя в этом способе незначительна.

Средняя скорость цементации в оптимальных режимах зависит от продолжи тельносги процесса. При увеличении вре мен и (глубин ы) цементации она умень шается. Г!ри цементации на глубину, превышающую 2 мм (здесь эа глубину це»

hN .íòàùø принимается весь науглерожен

2 ный слой), средняя скорость становится равной и ниже 0,1-0,15 мм/ч.

Известен способ цементации в кипящем слое, где процесс науглероживания производится в непрерывно кипящем слое инертных частиц твердого материала при использовании в качестве сжижаюшего агента смеси эндогаза и избыточного метана. Данный способ характеризуется высокой скоростью нагрева садки деталей, высоким значением коэффициента массообмена и углеродного потенциала, что позволяет значительно сократить продолжительность процесса (в 5-7 раз по сравнению с газовой цементацией), Практически в кипящем слое массообмен осуществляется с максимально возможной скоростью(2).

Однако данный способ тр<>бует большо го расхода карбюризатора для поддержания слоя в кипящем состоянии, а следоI вательно и повышенного расхода тепловой энергии на нагрев этого клГ>бн>ри:ютора, 24603 Д

5 !

К . H

4„ — К с. t 6 (10 -. 15) — К

3 7

Большая часть карбюриэ 1тора барботирует через слой в виде пузырей и технологически не используется. В газе, покидающем сплошную фазу, также содержится большая доля подаваемого под слой избыточного метана. В процессе науглероживания практически участвует только та часть метана, которая непосредственно омывает цементуемую поверхность..

Кроме того, данный способ сопровождается выносом частиц кипящего слоя эа пределы печи.

Целью изобретения является сокращение расходов карбюризатора, электроэнер гии, уменьшение выноса частиц, а также получение более качественного диффузионного слоя при сохранении высокой скорости насыщения поверхности детали.

Поставленная цель достигается организацией прерывистого режима кипения, заключающегося в том, что продувание слоя ожижаюшим агентом производится периодами через определенные, возрастающие по мере науглероживания детали, промежутки времени. Оптимальные про должительности периодов кипения и ша гов между ними зависят от конкретных условий цементации: размеров слоя, частиц и плотности их материала, велйчины садки деталей и геометрии их размещения, состава карбюризатора, температуры, продолжительности цементации

H т.д., H MOP GblT6 pGCC RHTBHbl IIO фор - мулам.

Период кипения (С„) расчитывается следующим образом. С целью максималь ного использования углерода, подаваемого в печь в составе карбюризатора, время продувания слоя С„должно быть равно

Н к м„ где Н - высота кипящего слоя, м; со - скорость начала кипения, м/с;

k - коэффициент, учитывающий увеличение объема газа при полном разложении избыточного метана, Для метана k =0,5, для эндогаза k =1.

В свободно кипящем слое перемешива ние частиц весьма интенсивно и смена частиц у поверхности образца происходит за 10-30 с, т;е. в этом случае можно пользоваться приведенной формулой.

В заторможенном садкой деталей слое интенсивность перемешивания может стать на порядок ниже. Об интенсивности перемешивания частиц можно судить по соот ношению эффективной теплопроводности свободно кипящего и заторможенного слоев. Так, если в свободно кипящем слое

Л,р,„:150 -; 200 Вт/(м, К), то в заторможенном Л =10-15 Вт/(м.К.) для электрокорунда с размером 120 мкм.

Поэтому в промышленных печах с кипящим слоем, загруженных садкой деталей, время кипения может быть больше также на порядок. Огсода

Период - осажденного состояния(С ) мо!

5 о жет бы гь рассчитан следующим образом.

С целью максимального использования углерода в составе метана, находящегося в порах слоя, создают условия для его

20 полного разложения, т,е, производят выдержку ", . Экспериментально опредео ляют, что при =925 С < 5-10 мин.

По мере увеличения числа выдержек их продолжительность увеличивается на

, С = 3-7 мин.

Закономерность продолжительности осажденного состояния по мере насыщения детали углеродом можно описать следующим выражением

30 . =(б+Щ) (- p)(>g) где n - порядковый. номер периода осаж дения.

При прекращении подачи ожижающего агента частицы образуют плотный слой.

Погруженная деталь оказывается зажатой плотным слоем зауглероженных частиц, пространство между которыми заполнено печной атмосферой, состоящей

40 иэ эндогаза и избыточного метана. Метан продолжает разлагаться с выделением твердого углерода. Углерод в виде сажи накапливается на поверхности частиц всего слоя. Науглероживание детали осу

4 шествляется разлагающимся на стальной поверхности метаном, выделяющим ата марный углерод, который и диффундирует в металл. Однбвременно с этим происходит перенос углерода с частиц к поверхности детали.

В период кипения слоя происходит перемешивание частиц. Частицы с израсходованной сажей отбрасываются от поверхности детали вглубь слоя, где они вновь покрываются сажей, а на их место поступают свежие частицы. В это же время происходит вытеснение из слоя отрабоганного газа свежим, а также устраня

3 6 и металлографическому анализам соотг ветс твенно.

Глубина науглероженного слоя всех образцов составляет 1,25-1,3 мм (aa глубину цементации принимают суммарную толщину заэвтектоидной, эвтектоид» ной и половины доэвтектоидной зон, что соответствует толщине науглероженного слоя от поверхности до концентрации растворенного углерода, равной 0,45%).

Предлагаемый способ позволяет сокра тить расход карбюризатора и электроэнергии, а также получить более изнэсостойкие диффузионные слои (1,3 раза). формула изобретения

Способ цементации стальных изделий, включающий обработку в кипящем слое частиц инертных материалов, с использованием в качестве сжижающего агента смеси эндогаза и метана, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью снижения энергозатрат и материальных затрат, при сохранении высокой скорости насыщении и качества получаемого диффузионного слоя, обработку в кипящем слое осуществляют прерывисто, причем продолжительность периода кипения поддерживают равным К сС а О â€”:gg> — Ê к к к

Продолжительность периода осаждения равна

1 =(S-.1О -(З: V)(n-<) где Н - высота кипящего слоя; сц„- скорость начала кипения;

k» »коэффициент, учитывающий увеличение объема газа при полном разложении избыточного метана

h - порядковый номер периода осажденного состояния.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Райцесс В, Б. Технология химико- термической обработки на машиностроительных заводах„М., "Маш1шостроеиие, 1965, с. 295, 2. Авторское свидетельство СССР № 430193, С 23 С 9/02, 1971, 72460 ются искажения температурного поля ,слоя (если они вознйкли). Итак, науглероживание происходит как при кипении, так и в Осажденном состоянии, причем в. осажденном состоянии карбюризатором в основном является сажа, накопленная частицами, Поскольку суммарное время кипения мало, то и вынос частиц сокращается.

Пример . Испытания проводят в экспериментальной установке с кипящим слоем. Диаметр реторты печи, обогреваемой внешними электронагревателями, d. 180 мм, Высота насыпного слоя

Р

15 частиц электрокорунда с размером д.„=100-120 мкм равна 500-650 мм. о

Обработку проводят при 925 + 5 С.

Ожижаюшим агентом служит смесь эндогаза и добавочного сырого газа. Эн» догаз получают конверсией метана восьзо духом при соотношении газ-воздух с коэффициентом расхода воздуха Ф =

0,26-0,3. Расход сырого газа берут в пределах 20-100% от объема первичной

25 газовоздушной смеси.

Науглероживанию подвергают образцы стали 20 Г размером А Ñ =25х150 мм и 25х50 мм. Образцы погружают в кипя ший слой науглероженных частиц одно» зо временно с датчиком, чувствительным к изменению количества сажи на поверхности частиц в процессе обмена углеродом между частицами и науглероживаемой поверхностью. После нагрева обраъо 35 цов до рабочей температуры (925 С) подают вторичный сырой газ.

Включение и выключение подачи газов в печь производят по показаниям датчика.

Опробывание проводят при нескольких режимах, в каждом из которых продолжительность импульсов находиться в пределах 0,2+5 мин. Суммарное время кипения составляет 13-45 мин при обшей продолжительности каждОГО экспе- 4 римеита 7 ч.

Шаг между импульсами увеличивают от 5-7 мин в начальный период до

45 60 мин в конце, причем продолжител ность шага увеличивают с каждым разом на 3-7 мин. После науглероживания образцы с размером 25х150 мм охлаждают в масле, с размером 25х50 мм - на воздухе и затем подвергают послойному

UHHHHH Заказ 800/8 Тираж 1074 Подписное филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4