СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ В РАСПЛАВЕ ЦИАНАТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК C23C8/56 

Изобретение относится к области химико-термической обработки, а именно к процессам обработки в активных расплавах солей.

Известны способы химико-термической обработки труб: цементация, нитроцементация, азотирование, при которых происходит поверхностное насыщение стали азотом и углеродом в газовой фазе (Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник. Под ред. Л.С. Ляховича. М.: Металлургия, 1981, с. 6, 62).

Операции способов включают очистку и обезжиривание; защиту поверхностей, не подлежащих химико-термической обработке; нагрев в печи с контролируемым составом атмосферы; охлаждение или закалку.

Процессы, как правило, сопровождаются значительным окалино- или сажеобразованием, деформацией труб (изменением кривизны), требуют дорогостоящего печного оборудования и оборудования для контроля состава печной атмосферы, а также значительных затрат на окончательную механическую обработку и правку, защиту наружной поверхности от насыщения и последующую ее очистку.

Наиболее близким является способ химико-термической обработки инструмента методом цианирования в расплаве цианата калия - карбонитрация (а.с. СССР N 576350, C 23 C 9/10, БИ N 38, 1977 г.), принятый за прототип.

Обработку инструмента в расплаве осуществляют после окончательной механической обработки: шлифовки и заточки. Операции процесса карбонитрации включают очистку и обезжиривание, предварительный подогрев изделия перед погружением в соляную ванну, карбонитрацию при нагреве в расплаве активной соли при температуре отпуска стали, охлаждение, оксидирование, промывку и сушку.

Процесс ведут при постоянной продувке расплава воздухом или другими окисляющими газами, при этом происходит перемешивание расплава и его окисление с выделением активных атомов азота и углерода, которые взаимодействуют с обрабатываемым металлом и диффундируют в его поверхность. Для обеспечения необходимой интенсивности окисления расплава продувку ведут с заданным расходом воздуха 2-3 л/часа на 1 кг соли в ванне (Химико-термическая обработка инструмента - карбонитрация. Д.А. Прокошкин. М.: Металлургия, Машиностроение, 1984. с. 63, 162-165). При этом убыль цианата в ванне составляет 0,3% в час или 7,2% в сутки.

Однако применение карбонитрации с целью упрочнения и повышения износостойкости внутренней поверхности труб имеет недостаток: обработка одновременно и внутренней и наружной поверхностей. При этом в процессе нагрева в расплаве цианатов железо растворяется солью с образованием ферроцианидов, загрязняющих ванну. Поэтому реакция с наружной поверхностью трубы, не подлежащей карбонитрации, приведет к дополнительному загрязнению ванны нежелательными примесями.

Известны устройства, позволяющие производить обработку только внутренней поверхности труб, например устройство для проточного хромирования (Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник. В 2-х томах. Под ред. М.А. Шлугера. М.: Машиностроение, 1985. Т. 1, с. 144).

Устройство состоит из двух герметичных емкостей, изготовленных из титанового сплава, с устройствами их нагрева и охлаждения и хромируемой детали - ячейки. С помощью воздуха создается избыточное давление, под действием которого электролит через покрываемую деталь вытесняется во вторую емкость, соединенную с вентиляцией. Осуществляется попеременное выдавливание электролита из одной или другой емкости, что достигается переключением двух кранов.

Но использование данного устройства для карбонитрации внутренней поверхности труб имеет недостаток: необходимость частого переключения крана, создающего избыточное давление попеременно в первой и второй емкости.

Наиболее близким устройством, принятым за прототип, является печь-ванна с тиглем из титана (Химико-термическая обработка инструмента - карбонитрация. Д.А. Прокошкин. М.: Металлургия, Машиностроение, 1984, с. 63, 162-165).

Предварительный подогрев изделий до 200-250^oC осуществляют в муфельной печи, а обработку - в печи-ванне с расплавом цианата. Предварительный подогрев производят при любой обработке в расплаве, т.к. при погружении холодного изделия в расплав солей на его поверхности образуется солевая корка, под которой идет интенсивное окисление металла. Время, расходуемое на расплавление корки и последующее растворение окислов на поверхности, значительно увеличивает общее время обработки изделия. Кроме того, погружение холодного изделия в расплав недопустимо с точки зрения техники безопасности из-за возможного разбрызгивания расплава при попадании влаги вместе с изделием.

Ванный способ карбонитрации для обработки внутренней поверхности труб имеет недостатки: необходимость вертикальной шахтной печи для предварительного подогрева труб и вертикальной печи-ванны для расплава цианата. Высота печей определяется длиной труб, а диаметр - возможностью их технического изготовления и обслуживания. При диаметре титанового тигля 150 мм объем расплава будет составлять 90-100 л для шестиметровой шахтной печи.

При этом непроизводительные затраты солей будут составлять 0,72 кг в сутки на каждые 10 кг расплава, избыточного по отношению к массе расплава, необходимой для заполнения внутреннего канала трубы.

При карбонитрации в вертикальной печи-ванне возможно неравномерное по высоте (длине трубы) насыщение стали азотом и углеродом из-за различной активности расплава в нижней зоне, куда подается окисляющий газ, и в верхней зоне печи.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в снижении металлоемкости оборудования, затрат материалов и электроэнергии, повышении равномерности обработки по длине трубы при карбонитрации внутренней поверхности.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов, включающем помещение предварительно подогретой до температуры 200-250^oC трубы в ванну с расплавом и выдержку ее при температуре высокого отпуска стали при постоянной продувке расплава окисляющим газом, согласно изобретению, в процессе обработки осуществляют постоянную циркуляцию расплава через полость трубы, а нагрев трубы до температуры процесса производят внешним источником.

Поставленная задача решается также и за счет того, что в устройстве для химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов, содержащем электрическую муфельную печь и печь-ванну для расплава цианатов, согласно изобретению дополнительно содержится печь-ванна для расплава цианатов, при этом печи-ванны соединены между собой по системе сообщающихся сосудов с помощью обрабатываемой трубы и установлены на качающейся платформе.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематично представлено устройство для химико-термической обработки труб.

Устройство для химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов содержит две печи-ванны 1 с титановыми тиглями 2 и водоохлаждаемыми отводами с уплотнениями 3, между которыми жестко закреплена обрабатываемая труба 4. Предварительный подогрев трубы и поддержание ее температуры на заданном уровне производят с помощью муфельной электрической печи 5, установленной на подвижных опорах 6, позволяющих сдвигать печь для ввода трубы внутрь нагревательного пространства и затем устанавливать печь в рабочее положение. Печи-ванны 1 с обрабатываемой трубой 4 установлены на качающейся платформе 7, позволяющей изменять положение ванн относительно друг друга по высоте и углу наклона с помощью пневмо- или гидропривода 8. Печи-ванны установлены на платформе в направляющих 9, позволяющих им сдвигаться в направлении оси трубы. Грузы 10, подвешенные на тросе, жестко связанном с корпусом печи, создают растягивающую нагрузку, препятствующую изгибу и деформации трубы в процессе нагрева.

Способ химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов с помощью заявляемого устройства осуществляют следующим образом.

Трубу после шлифования (хонингования) внутреннего канала до готового размера обезжиривают в растворе щелочи NaOH (30-50 г/л) 15-20 минут при температуре 80-95^oC, сушат и устанавливают в печь на платформу 7. Печь 1 сдвигают в рабочее положение и осуществляют сборку уплотнений 3. При этом печи-ванны 1 соединены между собой с помощью обрабатываемой трубы по системе сообщающихся сосудов. С помощью внешнего источника нагрева - электрической муфельной печи 5 производят предварительный разогрев трубы 4 до 200-250^oC, после чего открывают затворы 11 и производят заполнение трубы расплавом, Карбонитрацию осуществляют при температуре отпуска стали и постоянной продувке расплава окисляющим газом через титановые трубки 12. Таким образом, электрическая муфельная печь служит и для подогрева трубы до температуры, при которой возможно заполнение ее расплавом, и для поддержания температуры процесса на заданном уровне. Начальный угол наклона платформы составляет 1-2^o. Покачивание платформы на угол 5-8^o обеспечивает постоянный приток во внутреннюю полость трубы свежих порций активного расплава, что обеспечивает равномерную диффузию активных атомов углерода и азота по всей длине обрабатываемой трубы. По окончании процесса осуществляют слив расплава попеременно в одну, затем в другую печи-ванны, отключают нагрев печи 5, включают водяное охлаждение отводов с уплотнениями, осуществляют демонтаж трубы с установки.

При карбонитрации внутренней поверхности трубы с внутренним диаметром 44 мм и длиной 5100 мм из стали 22ГЮ в расплаве цианатов при температуре 580^oC в течение 3-х часов был получен равномерный по длине трубы слой с поверхностной твердостью 45 HRC (исходная 20 HRC). Нагрев трубы и расплава осуществлялся в муфельных печах: трубы - в трубчатой печи длиной 5000 мм, расплава - в двух шахтных печах высотой по 1,5 м. При расплавлении и сливе расплава нагрев осуществлялся на всей высоте шахтных печей, при карбонитрации - нижних зон печей на высоте 800 мм.

Общий объем расплава цианатов при диаметре титановых тиглей 75 мм составлял 12 л, из которых 8 л постоянно находились во внутренней полости трубы.

Таким образом, при осуществлении предлагаемого способа и устройства вместо двух вертикальных печей с высотой нагревательных колодцев по 5,5-6 м использовались две невысокие печи-ванны и горизонтальная муфельная печь с общей длиной обогреваемого пространства при карбонитрации 6,6 м. При этом непроизводительные потери солей на окисление были минимальны ввиду небольшого объема циркулирующего расплава и составляли 0,288 кг в сутки. А при объеме расплава в вертикальной печи-ванне 100 л непроизводительные потери солей составили бы около 5 кг в сутки.

Использование предлагаемого решения позволяет повысить равномерность обработки внутренней поверхности труб, снизить непроизводительные затраты материалов и электроэнергии, отказаться от дорогостоящего оборудования.

Способ химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов заключается в том, что предварительно подогретую до 200 - 250^oС внешним источником трубу помещают в ванну с расплавом цианатов и выдерживают ее при температуре высокого отпуска стали при постоянной продувке расплава окисляющим газом и циркуляции расплава через полость трубы. Устройство для реализации данного способа содержит электрическую муфельную печь и две печи-ванны для расплава цианатов, установленные на качающейся платформе и выполненные с возможностью их соединения между собой по системе сообщающихся сосудов с помощью обрабатываемой трубы. Техническим результатом изобретения является снижение металлоемкости оборудования, затрат материалов и электроэнергии, повышение равномерности обработки по длине трубы при карбонитрации внутренней поверхности. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов, отличающийся тем, что предварительно подогретую до 200 - 250^oC внешним источником трубу помещают в ванну с расплавом цианатов и выдерживают ее при температуре высокого отпуска стали при постоянной продувке расплава окисляющим газом и циркуляции расплава через полость трубы. 2. Устройство для химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов, отличающееся тем, что оно содержит электрическую муфельную печь и две печи-ванны для расплава цианатов, установленные на качающейся платформе и выполненные с возможностью их соединения между собой по системе сообщающихся сосудов с помощью обрабатываемой трубы.