СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ НЕЛЕГИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СТАЛЕЙ И ПЕЧЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК C23C8/26 

Изобретение относится к металлургии, к химико-термической обработке, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей пар трения, работающих в агрессивных средах, в качестве магнитопроводов.

В настоящее время процесс химико-термической обработки достаточно глубоко исследован и реализован в конструкциях многих печей. Общей характерной особенностью технологического процесса является его значительная трудоемкость и продолжительность.

Известен способ химико-термической обработки деталей из коррозионно-стойких сталей [1]
Известный способ включает нагрев деталей до 500-600^оС, депассивацию поверхности и выдержку в частично диссоциированном аммиаке. Депассивацию поверхности проводят в течение 1-2 ч в смеси полностью диссоциированного предварительно осушенного до точки росы (-60)-(-65)^оС аммиака и очищенного от СО до содержания 0,01-0,0001% углеводородного газа, а выдержку ведут в атмосфере частично диссоциированного аммиака, при этом через каждые 6-8 ч выдержки в атмосферу вводят очищенный от СО до содержания 0,001-0,0001% и осушенный до точки росы углеводородный газ в течение 1-2 ч.

Недостатком известного способа является длительность процесса, при котором на поверхности детали образуется пористая ε-фаза с пониженными коррозионной стойкостью и усталостной прочностью. Способ не позволяет получить качественные изделия из нелегированных сталей.

Известна печь для химико-термической обработки коррозионно-стойких сталей, содержащая корпус, в котором установлена нагревательная камера, соединенная с магистралями подачи газа. Спираль электронагревателя печи расположена снаружи. Средства генерирования продольного магнитного поля в виде соляноида расположены над охлаждающим защитным кожухом. Печь имеет механизмы загрузки-выгрузки деталей и систему управления работой механизмов.

Недостатком известной печи является ее инерционность при ведении процесса азотирования. Конструкция печи не позволяет изменять в течение непродолжительного времени атмосферу в камере, кроме того известная печь не позволяет полностью исключить выброс продуктов азотирования в окружающую среду, аммиак попадает в сливную канализацию, разрушая приборы и узлы, прокладки в системе вакуумирования рабочей камеры печи.

Целью изобретения является увеличение производительности процесса.

Заявленный способ характеризуется тем, что химико-термическая обработка деталей из нелегированных электротехнических сталей проводится в вакууме с изменением среды в процессе воздействия на их поверхность. Перед нагревом рабочую камеру печи вакуумируют до 1-10 Па, после детали рафинируют, для чего их нагревают до 900-950^оС и подают водородную среду в течение 1-1,5 ч. Данная операция позволяет обеспечить подготовку поверхности к последующим воздействиям газонасыщающих сред. Поскольку нелегированные стали имеют значительные примеси снижающие их качество и определяющие низкие прочностные характеристики, водород, проникая в межкристаллическое пространство, выводит нежелательные элементы (Р, S, C, V и пр.) в виде летучих соединений из металла. Температура 900-950^оС является наиболее оптимальной для выхода этих элементов. Что же касается продолжительности данной операции, то она определяется видом обрабатываемых деталей, имеющих разнообразную форму и толщину стенок. За время, равное 1,5 ч, возможно рафинирование по всей толщине детали, имеющей наиболее употребляемую форму (втулка). За 1 ч рафинируется слои поверхности, минимально необходимый для последующего воздействия насыщающими средами. Рафинирование ведут несколькими приемами: напускание водородной среды до образования в камере давления до 10²-10³ Па и отвода ее с вакуумированием до 1-10 Па. Каждый цикл длится 10-15 мин. Циклическое воздействие улучшает процесс рафинирования, активизирует его. Далее детали с подготовленной рафинированной поверхностью подвергают кратковременному алитированию. В рабочую камеру подают летучее соединение алюминия до создания давления в камере 10²-10⁴ Па. В течение 5-10 мин подачу осуществляют по меньшей мере двукратно, каждый раз с отводом летучего соединения алюминия и восстановлением первоначальной глубины вакуумирования. Эта операция направлена на формирование электротехнических свойств стали. Магнитная насыщаемость деталей, используемых для магнитопроводов, повышается на порядок, т.е. для их изготовления достаточно использовать магниты меньшей индуктивности, чем при традиционном способе производства.

Последующая операция направлена на создание активного восприятия насыщающих сред, формирующих свойства поверхности стали. Данная операция включает охлаждение до температуры на 70-170^оС ниже точки Кюри и воздействие магнитных полей. Магнитные поля направляют во взаимно перпендикулярном направлении. Одно поле образуют соленоидом, и оно является переменным. Второе поле образуют постоянным магнитом. Его направление должно совпадать с направлением рабочего магнитного потока в деталях при их эксплуатации. Следовательно детали в камере печи располагают с учетом этого обстоятельства.

Изотермическую выдержку проводят в течение 0,5-1 ч с последующим контролируемым охлажданием. Выдержку проводят несколькими циклами (по меньшей мере двумя). Каждый цикл включает восстановление первоначальной глубины вакуумирования до 1-10 Па, подачу аммиаксодержщей среды в виде газа NH₄, что приводит к уменьшению глубины вакуумирования в камере до 3 ^.10⁴ 4^. 10⁴ Па, затем откачку газа с восстановлением вакуумирования до 1-10 Па.

Охлаждение деталей ведут в несколько этапов. Сначала в вакууме в объеме рабочей камеры их охлаждают до 500-550^оС со скоростью 15 ^о/мин. Скорость охлаждения незначительна и охлаждение идет плавно, формируя соответствующий фазовый состав поверхностного слоя. Далее в печь подают охлажденный водород и ведут интенсивное охлаждение в его среде до 100-150^оС. После чего детали выгружают и интенсивно (с помощью вентилятора) охлаждают на воздухе, что позволяет образовать на их поверхности твердую пленку FeO.

При химико-термической обработке деталей их размещают последовательно в двух камерах, имеющих различные средства создания магнитного поля. В первой камере имеется переменное магнитное поле, во второй и переменное, и постоянное, а их направления взаимно перпендикулярны.

Последовательная обработка в двух камерах обеспечивает формирование химического состава диффузионного слоя в первой камере и формирование фазового состава слоя во второй камере.

На фиг. 1-3 даны схемы печи, варианты.

Печь содержит по меньшей мере один модуль, включающий две камеры 1, установленные в общем корпусе 2. Каждая камера имеет автономную систему ее вакуумирования, подачи газа. Средство нагрева обеих камер выполнено в виде электроспирали 3, расположенной снаружи камер. Камеры выполнены из материала, имеющего пассивные каталитические свойства по отношению к газово-насыщающим средам. Такими материалами являются, например, керамика, кварцевое стекло. Каждая камера имеет средство генерирования магнитного поля, выполненное в виде подключенного к источнику переменного тока соляноида 4 с концентраторами магнитного поля на его торцах. Одна из камер имеет также источник генерирования поперечного магнитного поля в виде постоянных электромагнитов 5, установленных вдоль камеры с возможностью их попеременного включения.

Соляноид 4 образует магнитное поле, направленное вдоль оси камеры, а концентраторы магнитного поля замыкают силовые линии по торцам, что приводит к ориентированному перемещению активной составляющей (ионов) газовой среды в данном направлении с перемещением в центр камеры. Постоянное магнитное поле накладывает на имеющееся поле дополнительное возмущение в перпендикулярном направлении и образует волновое перемещение активно-составляющей газовой среды. При попеременном включении постоянных электромагнитов 5 образуется волновое перемещение ионов вдоль оси камеры, что способствует их большей активности и равномерности воздействия.

Каждая камера имеет индивидуальные механизмы ее загрузки-выгрузки. Тележки 6 этого механизма установлены на направляющих с возможностью перемещения внутрь камеры. На тележках установлены торцовые стенки 7 камер. Механизмы расположены друг над другом и имеют общее пространство для перемещения деталей из одной камеры в другую. Механизмы загрузки-выгрузки снабжены вентилятором для принудительного охлаждения деталей.

Система вакуумирования (фиг. 3) печи включает магистрали 8 отвода воздуха от каждой камеры, насос 9 и устройство 10 диссоциации аммиака в системе. Это устройство установлено внутри рабочей камеры и выполнено в виде корпуса, внутри которого размещен нагревательный элемент с развитой поверхностью нагрева. Материл, из которого выполнена его электроспираль, при нагреве активно насыщается аммиаком из атмосферы камеры, а после удаления аммиака из камеры нагретая электроспираль, расщепляя аммиак, выделяет азот и водород, выходящие в атмосферу камеры и далее в атмосферу, не отравляя среды. Нагревательный элемент выполнен из жаропрочного сплава с малой теплоемкостью, сплав выполнен на основе железа. Устройство диссоциации аммиака включается при необходимости создания в карьере водородной среды (охлаждение в среде водорода).

Каждая камера снабжена средством охлаждения ее внутренней полости. Средство имеет теплообменник 11, установленный внутри камеры с ее торца, связанного патрубками с системой вакуумирования и подачи газа вне зоны размещения электроспирали нагрева камеры. Средство также включает перфорированную трубку 12, расположенную в объеме камеры по всей ее длине и соединенную замкнутым контуром циркуляции охладителя с вентилятором 13, расположенным снаружи камеры.

Печь снабжена электронной системой управления работой всех механизмов и магистралей. Система управления включает датчики, управляющие клапаны 14, командоаппараты 15.

Защитный кожух 16 каждой камеры выполнен охлаждаемым.

Печь работает следующим образом.

Детали 17загружаются на поддон тележки 6 и вводятся в камеру 1 печи. Включают систему вакуумирования и при достижении определенной глубины включают электроспираль 3. Подачу водородной смеси осуществляют устройством 10. Подачу летучего соединения алюминия и газонасыщающей среды ведут через соответствующие патрубки системы подачи газа. Вместо алюминия может быть использован кремний. Его летучее соединение достигает аналогичный эффект при подготовке обрабатываемых деталей.

Охлаждение деталей в камере печи проводят при включении вентилятора 13, теплообменника 11, через перфорированную трубку 12 и замкнутый контур подачи охлаждающего газа. Замкнутая циркуляция позволяет подавать холодный газ по всему объему камеры и отводить его, охлаждая, в теплообменнике до минимальной температуры.

Скорость охлаждения камеры регулируется управляющими клапанами 14 и выбирается в зависимости от вида проводимой операции (интенсивное охлаждение со скоростью 15 ^о/мин, охлаждение после алитирования).

После проведения всех видов обработки внутри камеры детали тележкой 6 извлекаются из нее, включается вентилятор, расположенный в зоне механизма загрузки-выгрузки, и проводится интенсивное охлаждение на воздухе.

Предлагаемый способ химико-термической обработки деталей и печь, реализующая этот способ, позволяют получить из недорогих сталей, имеющих низкие свойства, качественные изделия с повышенными магнитными свойствами.

Назначение: поверхностное упрочнение деталей (Д), работающих, например, в качестве магнитопроводов. Сущность изобртения: Д нагревают в рабочих камерах (РК) электропечи (П). РК предварительно вакуумируют до 1-10 Па. Д рафинируют водородом при их нагреве до 900-950^oС в течение 1-1,5 ч циклической подачей водородной среды. Далее проводят алитирование кратковременным воздействием летучим соединением алюминия. Выдержку ведут несколькими циклами, каждый из которых включает вакуумирование, подачу аммиака. Охлаждение Д проводят в П до 500-550^oС со скоростью 15⁰ / мин и дальнейшее интенсивное охлаждение в среде водорода до 100-150^oС. Последующее принудительное охлаждение ведут на воздухе. П содержит две РК с автономными системами их нагрева, вакуумирования, средствами генерирования магнитного поля, направленного вдоль оси РК. Одна из РК содержит устройство генерирования поперечного магнитного поля. Внутри РК размещены устройства для охлаждения внутренней полости. Механизмы загрузки - выгрузки детали содержат вентилятор. Загрузочные тележки несут торцевые крышки РК. Системы вакуумирования имеют устройства для диссоциации аммиака. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ химико-термической обработки деталей из нелегированных электротехнических сталей, включающий их нагрев в рабочей камере печи, выдержку при 500 600^oС а атмосфере насыщенного газа с последующим охлаждением, отличающийся тем, что перед нагревом рабочую камеру печи вакуумируют до 1 10 Па, затем детали рафинируют путем подачи водорода при их нагреве до 900 950^oС и выдержке в течение 1 1,5 ч, при этом подачу водородной среды ведут циклически при чередовании давления 10² - 10³ Па и вакуумирования до 1 10 Па в течение 5 10 мин, после чего по меньшей мере двукратно в течение 10 15 мин подают насыщающую среду, содержащую летучее соединение алюминия или кремния, до создания давления в камере 10² 10⁴ Па с последующим восстановлением глубины вакуумирования и выдержкой в течение 10 15 мин, далее детали охлаждают до температуры на 70 170^oС ниже точки Кюри со скоростью 15^oС/мин при воздействии перпендикулярно направленных магнитных полей, одно из которых постоянное, другое переменное, при этом постоянное магнитное поле совпадает с направлением рабочего магнитного потока в деталях при их эксплуатации, затем осуществляют изотермическую выдержку в течение 0,5 1 ч по меньшей мере двумя циклами, каждый из которых включает восстановление первоначальной глубины вакуумирования, подачу аммиаксодержащей среды до создания атмосферы в камере печи, не превышающей глубину вакуума 3 • 10⁴ 4 • 10⁴ Па и восстановление первоначальной глубины вакуума, последующее охлаждение до 500 550^oС со скоростью 16^oС/мин и дальнейшее интенсивное охлаждение в среде водорода до 100 150^oС ведут в камере печи, а интенсивное принудительное охлаждение на воздухе. 2. Печь для химико-термической обработки деталей из нелегированных электротермических сталей, содержащая корпус с расположенной в нем нагревательной камерой с системой подачи газа, средствами нагрева и охлаждения защитного кожуха, генерирования магнитного поля, механизм загрузки и выгрузки деталей, систему управления работой исполнительных устройств, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной нагревательной камерой с системой подачи газа и генерирования магнитного поля и устройством для генерирования поперечного магнитного поля в виде постоянных магнитов, установленных вдоль камеры с возможностью их попеременного включения, при этом каждая нагревательная камера выполнена из материала, имеющего пассивные каталитические свойства по отношению к насыщающим средам, с системой вакуумирования и средством интенсивного охлаждения ее внутренней полости, механизм загрузки и выгрузки выполнен в виде тележки, подвижной вдоль оси камер и несущих стенку камеры, и включает вентилятор для принудительного охлаждения деталей, средство интенсивного охлаждения выполнено в виде размещенного внутри камеры вне зоны нагревателя теплообменника и замкнутую с ним общим контуром подачи охладителя перфорированную трубку, установленную внутри камеры по всей ее длине, а система вакуумирования выполнена с установленным на входном патрубке теплообменника устройством диссоциации аммиака в виде металлического электронагревателя с развитой поверхностью нагрева и малой теплоемкостью, причем нагревательный элемент нагревателя выполнен из жаростойкого сплава на основе железа.