КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОРОШКОВ Российский патент 1995 года по МПК B22F1/00 B22F3/10 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к химико-термической обработке порошков, и может найти применение для нанесения модифицирующих покрытий на различные порошки.

Известно устройство для химико-термической обработки порошков, содержащее корпус с крышкой, помещенный в герметичный муфель, заполняемый водородом. Корпус состоит из чередующихся слоев легирующей засыпки и обрабатываемого порошка [1]. К недостаткам устройства относится низкое качество получаемых порошков вследствие разности концентраций легирующих элементов в середине и на краях слоя легированного порошка, а также низкий коэффициент использования легирующих элементов, находящихся в засыпке.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому является контейнер для химико-термической обработки порошков в шихте, представляющей собой равномерную смесь легирующего и насыщающего порошков и активатора [2]. Контейнер состоит из корпуса, изготавливаемого из жаропрочных сортов стали, и герметизирующего затвора, выполняемого либо полностью плавким, либо с металлической крышкой. Рассматриваемый контейнер работает следующим образом. При нагреве контейнера до температур диффузионного взаимодействия (например, помещая его в термическую печь) происходит диффузионное насыщение обрабатываемого порошка (например, порошка железа марки ПЖЦМ) легирующим элементом из легирующей засыпки (например, порошок хрома металлического марки ХО), при помощи активатора (например, хлористого аммония NH₄Cl), переходящего в газообразное состояние.

К недостаткам устройства относится высокая трудоемкость обработки порошка при использовании контейнера. Это связано с тем, что необходимо специально готовить шихту, смешивая в определенном соотношении активатор, обрабатываемый и легирующий порошки. После обработки обязательной является очистка готового порошка. Причем в случае легирования металлического порошка бором, кремнием приходится прибегать к специальным методам очистки, применяя магнитную сепарацию, электростатическое разделение, воздушную очистку и пр. Процессы смешивания становятся наиболее трудоемкими для мелких фракций смешиваемых материалов, а именно, такими являются обрабатываемые порошки. Необходимость тщательного перемешивания обрабатываемых порошков диктуется необходимостью равномерного легирования последних, в противном случае теряется стабильность качества получаемого порошка. Но даже тщательное перемешивание порошков не устраняет неоднородности полученной смеси, так как процессы сегрегации различных по удельному весу материалов происходят уже при пересыпке полученной шихты из смесителя в контейнер и транспортировке последнего в печь, что приводит к неравномерному легированию порошка.

Таким образом применение рассматриваемого контейнера для химико-термической обработки порошков обуславливает высокую трудоемкость обработки и недостаточно высокое качество получаемых порошков.

Целью изобретения является снижение трудоемкости обработки путем устранения смешивания и разделения обрабатываемых порошков при повышении их качества.

Цель достигается тем, что контейнер для химико-термической обработки порошков, содержащий корпус, преимущественно из жаростойких сортов стали с герметизируемым затвором, одной из известных конструкций, содержит металлическую вставку, размещенную внутри корпуса и выполненную со сквозными вертикальными каналами для размещения порошка, расположенную внутри корпуса, стенки каналов выполнены со слоем, содержащим насыщающие порошок вещества, а в нижней части вставки выполнена выемка, образующая полость для размещения активатора и охватывающая все ее каналы.

Цель изобретения достигается также тем, что минимальный размер каналов вставки в поперечном сечении превышает максимальный размер частиц обрабатываемого порошка и не превышает удвоенного их размера. Наличие внутри контейнера вставки с каналами, стенки которых содержат насыщающие порошок вещества, позволяет проводить химико-термическую обработку порошка, не смешивая его с насыщающей средой, так как функцию последней в данном случае выполняют стенки каналов, в которых помещен порошок. Полость, размещенная в нижней части вставки, служит для помещения активатора и позволяет проводить процесс химико-термической обработки преимущественно через газовую фазу с высокой интенсивностью, что повышает равномерность легирования, а следовательно, и качество получаемого порошка. Размещение полости, охватывающей все каналы, необходимо для равномерного поступления газообразного активатора во все каналы. В противном случае снижается качество получаемого порошка.

Минимальный размер каналов в поперечном сечении, находящйся в интервале от одного диаметра обрабатываемых частиц до двух диаметров, обусловлен необходимостью равномерного легирования порошка. В противном случае частицы порошка, размещенные далеко от стенок, содержащих насыщающие вещества, будут легироваться в меньшей степени, что снизит равномерность, а следовательно, и качество порошка.

Таким образом, применение в известном контейнере металлической вставки со сквозными вертикальными каналами, стенки которых содержат насыщающие порошок вещества, при выполнении в нижней части вставки полости для размещения активатора, охватывающей все каналы, позволяет исключить операции смешивания, разделения обрабатываемого порошка и насыщающей среды, а следовательно, снизить трудоемкость обработки при использовании предлагаемого контейнера. Отсутствие смешивания, а следовательно, и сегрегации смеси повышает равномерность обработки порошка, а следовательно, и качество последнего. Кроме того выполнение каналов вставки при соблюдении условия, что минимальный размер последних в поперечном сечении превышает максимальный размер частиц обрабатываемого порошка и не превышает их удвоенного размера, обеспечивает равномерность легирования порошка, следовательно, и качество последнего.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый контейнер отличается наличием внутри контейнера металлической вставки, в которой выполнены сквозные вертикальные каналы, стенки которых содержат насыщающие порошок вещества, а в нижней части вставки выполнена полость для размещения активатора, перекрывающая все каналы. Отличие состоит также в том, что минимальный размер каналов вставки в поперечном сечении не больше удвоенного максимального размера обрабатываемых частиц и не меньше их максимального размера.

Таким образом заявляемый контейнер соответствует критерию изобретения "Новизна".

Сравнение заявляемого решения с известными техническими решениями показывает следующее. В технике, например, известно борирование как макродеталей, так и порошков с использованием боридов железа. Однако известные технические решения не снижают трудоемкости путем устранения смешивания и разделения шихты. Во всех известных решениях эти операции присутствуют и являются необходимыми для нормальной работы устройств и выполнения поставленных целей.

Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 показан контейнер, поперечное сечение; на фиг. 2 - один канал вставки с размещенным в ней обрабатываемым порошком при выполнении условия нахождения размеров канала в поперечном сечении в интервале от диаметра частицы обрабатываемого порошка до двух диаметров; на фиг. 3 - канал вставки с размещенным в нем порошком.

П р и м е р. Контейнер (фиг. 1) содержит корпус 1, выполненный из стали 12Х1810Т ГОСТ 5632-72, и герметизирующий затвор, состоящий из металлической крышки 2 и плавкой засыпки 3 из борного ангидрида, для размещения которой к корпусу 1 приварен карман 4. Внутри корпуса 1 размещена вставка 5, изготовленная из стали 10 ГОСТ 1030-74, в которой выполнены сквозные отверстия 6 диаметром 0,4 мм. Стенки каждого отверстия имеют слой 7 (фиг. 2), содержащий бориды и борсилициды железа. В нижней части вставки 5 выполнена цилиндрическая полость 8 для размещения активатора. Причем полость выполнена так, что перекрывает все отверстия.

Контейнер работает следующим образом.

При снятой крышке 2 и извлеченной вставке 5 на дно контейнера помещают активатор (например, фтористый натрий NaF ГОСТ 4463-76). Далее вставляется вставка 5, в отверстие 6 которой насыпается обрабатываемый порошок 9 (фиг. 2) до полного заполнения отверстий. В рассматриваемом примере использовались порошки ПР-Х18Н9 ТУ14-1-35-40-83 фракцией 200-280 мкм и ПР-Х20Н80 ТУ 14-22-6-87 фракцией 280-315 мкм, производства НПО "Тулачермет". Далее контейнер закрывают крышкой 2, а в карманы 4 помещают борный ангидрид (засыпку 3).

При нагреве контейнера до температур диффузионного взаимодействия плавкая засыпка 3 расплавляется, обеспечивая герметизацию контейнера. В процессе обработки происходит выравнивание концентрации по бору и кремнию, находящихся в замкнутом объеме контейнера путем массопереноса через газовую фазу. Бор и кремний, содержащийся в стенках каналов, диффундирует в объем частиц, легируя последние.

После охлаждения контейнера и снятия крышки 2 готовый обработанный порошок извлекается из контейнера. Контейнер готов к следующему циклу работы.

В случае выполнения каналов с размерами, большими в поперечном сечении, чем два диаметра частиц порошка (фиг. 3), происходит неравномерная обработка последнего, что снижает качество.

Авторами были проведены сравнительные испытания известного и заявляемого контейнеров. Обработка порошка в контейнере-прототипе проводилась по известной технологии. В качестве насыщающей среды использовали смесь карбида бора В₄С и карбида кремния SiC. В качестве активатора-фтористый натрий NaF. Обрабатываемый порошок (ПР-Х18H9) тщательно перемешивали с насыщающей средой в соотношении 1:3 (мас.%). Полученную смесь помещали в контейнер, на дно которого предварительно помещали фтористый натрий NaF в количестве 2-4 мас.%. Контейнер закрывали плавким затвором. Нагрев контейнера осуществляли в печи СНОЛ-1,6.2.008/9-М-1. Режим обработки в данном случае: Т=900^оС, τ = 2 ч. Охлаждение контейнера проводили на воздухе. После распаковки контейнера осуществляли магнитную сепарацию смеси для выделения обработанного металлического порошка. Для повышения чистоты порошка сепарацию осуществляли последовательно 3 раза.

Обработку порошка в контейнере предлагаемой конструкции проводили также в печи СНОЛ 1.6.2.008/9.М-1 при Т=900^оС, время выдержки 2 ч.

После распаковки готовый порошок извлекали из каналов вставки.

Низкое качество порошка, получаемого в известном контейнере, обусловлено слипанием мелких частичек карбида бора и карбида кремния с частицами обрабатываемого порошка. Указанный недостаток не устраняется многократной магнитной сепарацией.

Качество порошка, обработанного в предлагаемом контейнере, значительно выше. В этом случае отсутствует налипание частиц насыщающей среды на обрабатываемый порошок, так как в предлагаемом контейнере нет порошковой насыщающей среды.

Использование предлагаемого устройства снижает трудоемкость, стоимость обрабатываемых порошков при повышении их качества за счет повышения равномерности обработки и чистоты получаемого порошка.

Кроме того, преимуществом предлагаемого контейнера является расширение технологических возможностей контейнера, так как значительно расширяется номенклатура обрабатываемых порошков, в том числе немагнитных и неметаллических.

Сущность изобретения состоит в том, что контейнер для химикотермической обработки порошков содержит корпус, выполненный из стали, имеющий крышку с плавким затвором из засыпки борного ангидрида. Для размещения засыпки в крышке имеется карман. Внутри корпуса размещена вставка, в которой выполнены сквозные отверстия. Стенки каждого отверстия имеют слой, содержащий бориды или борсилициды. В нижней части вставки выполнена цилиндрическая полость для размещения активатора. При снятой крышке на дно контейнера помещают активатор. При нагреве контейнера плавкий затвор герметизирует крышку и происходит диффузионное насыщение через газовую фазу. Бор и кремний, содержащиеся в стенках каналов, диффундируют в объем частиц. Качество порошка, обработанного в контейнере, улучшается за счет отсутствия налипания частиц насыщающей среды на обрабатываемый порошок. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОРОШКОВ, содержащий корпус с герметизирующим затвором, отличающийся тем, что, с целью снижения трудоемкости обработки путем устранения смешивания и разделения обрабатываемых порошков и повышения качества обработки, он снабжен вставкой, выполненной с вертикальными сквозными каналами кольцевой формы для размещения порошка, расположенной внутри корпуса, стенки каналов выполнены со слоем, содержащим насышающие порошок вещества, а в нижней части вставки выполнена выемка, образующая полость для размещения активатора и охватывающая ее каналы. 2. Контейнер по п.1, отличающийся тем, что каналы в поперечном сечении выполнены толщиной, превышающей максимальный размер частиц обрабатываемого порошка, но не превышающей двойного значения этого размера.