Способ химико-термической обработки стальных деталей

Способ химико-термической обработки стальных деталей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Свцнвпистических

Республик (11) 981447 (61) Дополнительное к dBT. сеид-ву(22) Заявлено 20.03. 81 (21) 3262431/22-02 с присоединением заявки Ио(23) ПриоритетОпубликовано 15.1282. Бюллетень М 46

Р М g> з

С 23 С 9/16

Государственный комитет

СССР

Ilo делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 785..533 (088. 8) Дата опубликования описания 151282

A.Â.Êðèóëèí, В.В.Пепеляев, А.Г.Бурков, Б.

В.С.Филатов, А.Г.Бурканов и А.Д.Горя (72) Авторы изобретения

I !

hp t

Й

I

M l (71) Заявитель (54) СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕИ

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно транспортному и может быть использовано при химико-термической обработке сталь- ных и чугунных деталей, работающих в условиях сухого, полусухого и граничного трения, например фрикционных дисков и конусов, тормозных колодок, поршневых колец и других деталей °

Известны способы сульфоцианирования в расплавленных солях, обеспечивающие повышение противозадирных свойств, иэносостойкости, усталостной прочности различных деталей, работающих в условиях трения (1). Отличительной особенностью известных способов сульфоцианирования является высокое содержание в ваннах цианистых соединений, являющихся или исходными компонентами, или образующимися в процессе термической диссоциации цианатов, составляющих как правило

: основу этих ванн, и нестабильность химического состава этих ванн.

Известен способ сульфоцианирования 25 деталей, заключающийся в следукщем.

В рабочем тигле расплавляют-смесь солей следующего состава, вес.Ъ:

Карбонат калия 16

Карбонат натрия 15 30

Карбонат лития 14

Карбамид 55

К полученному расплаву солей добавляют 1-15% сульфита, сульфида, или тиосульфата щелочных металлов.

Температуру расплавленной соли устанавливают в интервале 450-600 С. При выбранной температуре в расплавленную соль загружают детали для сульфоцианирования ° Время сульфоцианирования составляет 0,5-1,5 ч. После сульфоцианирования расплав регенерируют мочевиной с целью превращения карбонатионов в цианат-ионы, при этом мочевину вводят s ванну вместе с воздухом.

В рассматриваемом методе стабильность химического состава обеспечивается солями лития и регенерацией расплава карбамидом. Некоторое снижение уровня цианидов (до 0,15%) достигается эа счет окисляющего действия сульфидов и сульфитов. Толщина карбонитридного слоя (светлый нетравляющийоя слой) составляет 20-30 мкм f2).

Недостатками данного метода является все же заметное количество цианидов в рабочем расплаве> а следовательно и в сточных водах участка сульфоцианирования, недопустимое по отечественным санитарным нормам, 981447

15-20

25-30

10- 30 высокая стоимость и дефицитность солей лития, необходимость дополнительной технологической операции, заключающейся в регенерации расплава мочевиной, а также невысокая скорость роста карбонитридного слоя.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути и достигаемому результату является способ цианирования в насыщающей ванне, в которую подают углекислый гаэ для интенсифи- 10 кации процесса (3).

Известный способ не предусматривает получение нетоксичной ванны и поддержание стабильности состава ванны. 15

Цель изобретения — обеспечение нетоксичности и повышение стабильности состава ванны.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу химикотермической обработки стальных деталей, преимущественно сульфоцианирования, включающем нагрев и выдержку в расплаве солей для насыщения с барботацией расплава солей углекислым газом, нагрев и выдержку осуществляют в расплаве солей, содержащем цианат натрия, карбонат натрия, сульфат натрия, хлориды щелочных металлов при .следующем соотношении компонентов, вес.%: 30

Цианат натрия

Карбонат натрия

Сульфат натрия

Хлориды щелочных металлов Остальное, 35 а углекислый газ вводят в количестве

0,01-1,0 г/мин на кг веса солей в расплаве.

Способ сульфоцианирования деталей в расплавленных солях заключается в 40 следующем.

В рабочем тигле расплавляют смесь солей следующего состава, вес . %:

Цианат натрия 15-20

Карбонат натрия 25-30 45

Сульфат натрия 10-30

Хлориды щелочных металлов Остальное

После расплавления солей расплав непрерывно барботируют углекислым газом с расходом 0,01-0,1 л/мин на каждый килограмм смеси солей. Температуру расплавленной соли устанавливают в интервале 550-640 С. При выбранной температуре в расплавленную соль загружают детали для сульфоциа;пирования, Время сульфоцианирования составляет 0,5-6 ч.

Указанные пределы технологических параметров сульфоцианирования выбра- 60 ны на основании результатов лабораторных исследований и производственного опробования процесса.

При температуре ниже 550 С жидкотекучесть расплава сульфата, карбона-65 та, цианата и хлоридов нйэкая, вследствие выс |кой температуры плавления смеси (7i540 С), Верхнее значение температуры обработки выбрано равным

640 С во избежание возможного раэупрочнения конструкционных сталей, температуры отпуска которых, как правило, находятся в выбранном температурном интервале.

При содержании в расплаве цианата натрия в количестве менее 15% резко уменьшается глубина карбонитридной зоны (c 30-40 до 10 мкм) на стальных образцах. Увеличение количества цианата натрия более 20% приводит к заметному увеличению содержания цианидов в расплаве (до 0,001% и более).

Сульфат натрия является стабильной формбй существования серы в цианатных расплавах при температурах сульфоцианирования. При этом в равновесии с сульфатом, цианатом и цианидом всегда находится некоторое количество сульфида и роданида натрия, последний из которых и обеспечивает эффект сульфидирования, При содержании Ha

С целью возможно большего снижения равновесного количества цианидов в расплаве, содержание карбоната натрия в исходном составе должно быть не менее 25% (при содержании цианата натрия в количестве 15-20%),. Содержание карбоната натрия не должно превышать 30% для обеспечения нормальной жидкотекучести расплава, в котором карбонат натрия, сульфат натрия и хлориды щелочных металлов должны образовывать смесь по составу близкую к эвтектической.

Углекислый гаэ, барботируя расплав, в процессе работы ванны, непрерывно окисляет до цианатов образующиеся цианиды и одновременно перемешиванием выравнивает химический состав расплава, не допуская его расслаивания.

При скорости расхода меньше 0,01 л/мин на 1 кг солей и площади сульфоцианируемой поверхности 2,5-3,0 м -, что соответствует 60 фрикционным дискам трактора К-701 (равновесное количество цианидов превышает допустимые санитарные нормы. Расход газа более

1,0 л/мин на 1 кг соли не снижает содержание цианидов (CH ) менее

0,0001% и экономически не целесообразен.

Время обработки может меняться от 0,5 (точные детали, инструмент) до 6 ч (фрикционные детали в услови981447 ях трения беэ смазки) в зависимости от требуемой глубины диффузионного слоя и его химического состава.

Проведение цианирования и сульфоцианирования предлагаемым способом осуществляется следующим образом.

Смесь солей в рекомендуемых пропорциях помещают в алитированный стальной тигель шахтной печи и нагревают до плавления. Предварительной просушки применяемые соли не требуют. После полного расплавления солей в расплав вводят углекислый газ через гаэоввод таким образом, чтобы обеспечить продувку газом всего расплава от дна ванны до зеркала. Уста- IS навливают необходимую температуру и барботируют расплав углекислым газом до тех пор,пока уровень цианидов (CN ) не достигнет 0,0005%. В тигель загружают обрабатываеьые детали, Щ суммарная площадь поверхности которых не должна превышать 0,005 м на каждый килограмм веса солей при расходе углекислого газа 0,01 л/мин.. По окончании охлаждения деталей их про- 25 бывают проточной горячей водой с целью удаления остатков солей.

Пример 1. При выборе исходных солей в количестве, %:

Цианат натрия 20 30

Сульфат натрия 30

Карбонат натрия 25

Хлорид натрия 25 н расходе углекислого газа в 1,0 л/мин на один килогРамм солей за 3 ч при

600 С на образцах Ст.3 получается карбонитридный слой в 35-40 мкм.

Содержание цианидов в ванне равно

0,0015%.

Пример 2. Образцы стали Ст.3 сульфоцианированы при 620 С 3 ч в солях следующего состава, %:

Цианат натрия 15

Сульфат натрия - 10

Карбонат натрия 30

Хлорид калия 45 45 расход СΠ— 1 л/мин на. один килограмм солей. Глубина карбонитридного слоя на образцах стали Ст.3 составляет 10-15 мкм, содержание цианидов вванне равно 0,0005%. 50

Были проведены опыты по сульфоцианированию образцов и деталей в нетоксичных ваннах в лабораторных условиях и на производственном участке.

B табл.1 приведены сравнительные данные по содержанию цианидов (CN ) и цианатов (CNO ), глубина карбонитридной зоны, получаемой на образцах углеродистых сталей (С=0,20-0, 35%) в результате сульфоцианирования по известному и предлагаемому способу.

В табл.2 иллюстрируется изменение со временем химического состава (CN и CNO ) ванн сульфоцианирования по известному и предлагаемому способам.

В табл.3 показано количество роданидов (CNS ) и цианидов (СМ ) в воде промывной ванны после промывки сульфоцианированных по предлагаемому способу фрикционных.дисков трактора

К-701 шести промышленных садок. 3агрузка ванны дисками предельно возможная.

В табл.4 представлены твердость

HV образцов, содержание N, С, S в фойьге (d35 мкм) из армко-железа и относительная интенсивность рентгеновских линий основных фаэ на поверхности образцов сульфоцианированных по предлагаемому способу.

В табл.5 представлены результаты, обосновывающие расход углекислого газа.

Исследование микроструктуры, химического и фазового состава образцов, а также химического состава солей ванны показывает,что предлагаемый способ по своей эффективности не уступает известным вариантам жидкостного сульфоцианирования, превосходя их в безопасности н стабильности получаемых результатов.

Использование предлагаемого способа сульфоцианирования в нетоксичных соляных ваннах обеспечивает по сравнению с существующими способами следующее: полную безопасность при эксплуатации вЪнн, что гарантируется полным отсутствием цианистых соединений в атмосфере над ванной, черезвычайно низким уровнем их в самой ванне и сточных водах участка, отвечающих всем требованиям санитарных норм для промышленных сточных вод: практическую стабильность химического состава ванн и соответственно результатов обработки деталей, что в итоге повышает их надежность, снижает процент брака.

981447

Таблица 1

Сульфопианирование

Способы

Предлагаемай (лабораторные условия) 35-40 600 0,0005

9,5

35-40 600

О, 0015

13i0

Известный /2/

20-30 550-600

20-60 0,,15

Таблица 2

Содержание CN и СИО в расплавленных солях, !. I

Время работы ванны, ч

Способы суль@оцианирования

Известный

Предлагаемый

CN0 CN CN0

0,0005 8,9

36,0

0,03

0iО10

8,9

0i011

35,5

0,05

9,6

0,08

0,011

9,6

35,0

0,10

О, 012

9,6

v,13

8,9

О, 010

34,5

9,6

0,010

VуJ3

Количество ионов

СЙО в исходном составе, %

Количест- во ионов

СИ Ю рас плаве, %

Глубина карбонитридной зоны, мкм

Температура ванны, oc

981447

Таблица 3

Содержание CN ( в сточных водах после промывки сульфоцианиро ванных деталей, мг/л

Порядковый номер . садки

Суммарное содержание

CN и CNS в сточных водах после промавки сульфоцианированных деталей, мг/л

0,010

О, 0.5

Таблица 4

Химический состав сульфоцианированой фольги из армкожелеза толщиной 35 мкм

Температура . ванны, С

Fe>0+

Ре С

Ре N

3,7 1,2

0,46

260

33

О 50 39

300

580

3,6 1,0

43

0,38

600

3,9 1,1

325

41

Оу41

3,9 1,9

365

620

ПДК на цианиды (CN ) — 0,1 мг/л

ПДК на родамиды (CNS ) - 0,1 мг/л. (ПДК - прецельно допустимая концентрация).

Твердость

HV образ5 цов стали

Ст,3 пОс» ле сульфоцианирования

0,040

0,090

0,035

О, 052

0,060

0,075

0,010

0,010

0,010

О, 020

Относительная интенсивность основных фаз сульфоцианированного слоя по данный PCA

981447

Таблица 5

Расход углекислого газа для барботацни, 1,0 л/мнн

Оф25 Оф10

0,50.О, 75

Содержание цианидионов (Сй.1) в ванне, В

0,0020 0,010 0,040 0,100 0,250

О, 0007 одержание цианат онов (сно ) ф ванне, %

7,4

6,3

5,1

8,5

4,5

9,5

Содержание карбонатионов (СО" ) в ванне, Ъ

28 3 28 7 29 2

27,6

27,0

26, 5

П р и м е ч а н и е . Исходный состав. ванны, Ъ: Сй, 0,3

СЙО 9,5

СО" 26, 5

Температура ванны, С 600

Время работЫ, ч 5

Вес солей, кг 1

Составитель Р.Клыкова

Редактор Л.Авраменко Техред K.Èûöüî

Корректор Л. Бэкиан

Эакаэ 9642/41 Тираж 1053 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раущская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r.ужгород, ул.Проектная, 4

Формула изобретения

Способ химико-термической обработ- 40 кн стальных деталей, преимущественно сульфоцианирования, включающий их нагрев и выдержку в расплаве солей для насыщения с подачей в расплав солей углекислого газа, о т л и ч а- 45 ю шийся тем, что, с целью обеспечения нетоксичности и повышения стабильности состава ванны, нагрев и выдержку осуществляют в расплаве солей, содержащем цианат натрия, 15О карбонат натрия, сульфат натрия, хлориды щелочных металлов при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Цианат натрия 15-20

Карбонат натрия 25-30

Сульфат натрия 10-30

Хлориды щелочных металлов Остальное, а углекиСлый гаэ вводят в количестве 0,01-1,00 л/мин на каждый килограмм веса солей ванны..Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 ° A.Ì.Èâíêeâè÷.Õèìèêî-термическая об абака металлов и сплавов., N., "Машиностроение", 1965, с. 264-266.

2. Патент Великобритании

9 1424136, кл. С 7 V, опублик. 1975.

3, Авторское свидетельство СССР

9 44261, кл. С 23 С 9/16, 1934.