СОСТАВ ВАННЫ ДЛЯ СУЛЬФОЦИАНИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ Российский патент 2022 года по МПК C23C8/52 C23C26/02 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к химико-термической обработке металлов и сплавов, и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и оборудования, работающих в условиях трения при высоких контактных нагрузках и при недостатке смазки.

Известен способ сульфоцианирования стальных изделий в цианистой ванне следующего состава (% масс): цианистый натрий NaCN-50; хлористый калий КСl-20; сернистокислый натрий –25, гипосульфид Na₂S₂O₃-5. Температура обработки 560…580°С, длительность–1…2 часа. [Самоходский А.И., Парфеновская Н.Г. Технология термической обработки металлов. Изд. 2. - М: Машиностроение, 1976. - 311с.]
Недостатками указанного способа является, высокая токсичность ванны, что вызывает значительные проблемы, связанные с охраной окружающей среды. Необходимо устройство эффективной вентиляции и нейтрализация отходящих газов, содержащих цианистый водород, нейтрализация следов цианистой соли и сточных вод, отходов производства и др. Кроме того, к недостаткам использования соляных ванн следует отнести и сложность при обработке изделий больших размеров (размеры лимитируются объемом ванны), невозможность локального насыщения рабочих поверхностей деталей сложной формы, затруднение использования в условиях массового производства на машиностроительных предприятиях.

Известен способ сульфоцианирования стальных изделий в твердом карбюраторе, содержащем следующие компоненты (% масс): древесноугольный карбюризатор (бондюжский) - 60%; сернистое железо Fe S - 20%; железосинеродистый калий К₄Fe(CN₄) - 10%; сера S - 10,%. Температура обработки 560°С, длительность 10 ч и более [Зинович Н.С. Исследование процесса сульфидирования / В кн. Повышение стойкости деталей машин (сульфидирование) // Под ред. М.М. Хрущова. - М.: Гос. науч. техн. изд-во машиностроительной лит., 1959. - С. 79-94.]

Недостатками этого способа являются большая длительность процесса сульфоцианирования, большой расход карбюризатора и высокая трудоемкость, связанная с использованием ручного труда при упаковке и распаковке контейнеров для сульфоцианирования (цементационных ящиков), неравномерность насыщения разных участков деталей сложной формы.

Технической задачей изобретения является повышение скорости сульфоцианирования, обеспечение возможности обработки деталей любых размеров и форм, а также повышение экологической безопасности процесса сульфоцианирования.

Технический результат достигается разработкой оптимального состава ванны для сульфоцианирования, включающий: карбамид (NH₂)₂CO, углекислый натрий Nа₂СО₃, сульфид натрия Na₂S, натрий хлористый NаСl, кальций хлористый CaCl_2, барий хлористый BaCl_2, едкий натр, при следующем соотношении компонентов, мас. %: (NH₂)₂CO–30…32, Na₂CO₃ –28…30, Na₂S – 2…5, натрий хлористый NаСl 6, кальций хлористый CaCl₂ – 6, барий хлористый BaCl ₂ –8, едкий натр NаОН – остальное, нагрев проводят при температуре 550-650°C с выдержкой в течение 3-6 часов, после охлаждения изделия промывают в горячей воде при температуре 80°С, сушат, затем переносят в ванну с горячим маслом, имеющим температуру 110-115°С, и выдерживают 15-20 мин.

Использование состава данной ванны обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев деталей азотом, углеродом и серой, исключает выделение ядовитых компонентов в процессе сульфоцианирования, исключает загрязнение воздуха рабочей зоны и окружающей среды.

Основной недостаток двухкомпонентной карбамидо–карбонатной ванны – значительные трудности, возникающие при её приготовлении, так как температура плавления карбамида (133ºС) очень низка по сравнению с температурой плавления углекислого натрия (854º) и особенно углекислого калия (896°С). При нагревании твёрдой смеси (порошков) названных веществ в начале плавится карбамид и начинает реагировать с частичками едкого натра, плавающими в жидкости. При этом выделяется большое количество газов. Реакция карбамида с углекислыми солями (карбонатами) происходит очень бурно, с выделением большого количества газов и разбрызгиванием расплава;

2(NH₂)₂CO+Na₂CO₃→2NaCNO+2NH₃↑+CO₂↑+H₂O (1)

В результате этого на поверхности ванны образуется большое количество пены, которая выносит из ванны жидкость и твёрдые частицы. При быстром нагреве смеси наблюдается интенсивное выплёскивание расплава из ванны. Большое количество аммиака, выделяющегося при сплавлении компонентов карбамидо-карбонатной ванны значительно загрязняет атмосферу в зоне работы печи.

Для уменьшения потери компонентов и снижения температуры расплава в процессе приготовления ванны для сульфоцианирования на основе карбамида и углекислого натрия в её состав был введён натрий хлористый NаСl–6%, кальций хлористый CaCl ₂ –6%, барий хлористый BaCl ₂ –8%, и едкий натр в количестве 15…20 %.

Смесь хлористого натрия, кальция хлористого, бария хлористого при известном соотношении снижает температуру плавления солевой смеси с 854ºС до 420º С и, тем самым, уменьшает разницу в температурах плавления карбомида и углекислого натрия.

Данный состав ванны позволяет растворять в ней карбамид (температура плавления 133°С) без бурного выделения газов, что наблюдается при растворении карбамида в расплавленной соде (температура плавления 854°С). Эта же композиция позволит поддерживать рабочую температуру ванны в интервале 550…650°С без заметного выкипания.

Экспериментальные исследования показали, что при введении в ванну смеси хлористого натрия, хлористого кальция, хлористого бария в данном соотношении, её вскипание при сплавлении компонентов прекратилось.

При температуре 550-650ºС ванна находится полностью в стабильном жидком состоянии.

Кроме недостатков известных ванн для сульфоцианирования на основе карбамида, связанных с выкипанием и большим выносом солей, они представляют экологическую опасность, так как в процессе работы выделяют очень токсичное газообразное вещество – цианистый водород. Цианистый водород образуется в результате реакции цианистого натрия, находящегося в расплаве с парами воды и углекислым газом, образующимися при разложении карбомида

2(NH₂)₂CO+Na₂CO₃→2NaCNO+2NH₃↑+CO₂↑+H₂O↑ (2)

4NaCN→2N↓_Fe+CO+2NaCN+Na₂CO₃ (3)

NaCN+ CO₂ →Na₂CO₃+2CHN↑ (4)

CHN+ NaОН →NaCN+ H₂O↑ (5)

Едкий натр, введённый в состав азотирующей ванны в количестве 13…20%, связывает цианирующий водород в нелетучее вещество–цианистый натрий, тем самым, делает карбамидо-содержащую ванну экологически безопасной в плане выделения вредных веществ в атмосферу. Кроме того, введение в состав ванны едкого натра способствует обогащению расплава цианистым натрием, участвующим в насыщении стали азотом.

Данный состав ванны для сульфоцианирования позволяет повысить экологическую чистоту процесса сульфоцианирования за счёт замены высокотоксичных цианидов калия и натрия, используемых в традиционных сульфоцианирующих составах, на нетоксичный и дешёвый карбамид.

Способ сульфоцианирования с использованием предлагаемой ванны осуществляется следующим образом: тщательно перемешиваем порошкообразные компоненты, расплавляем их и производим стабилизацию (старение) состава ванны в течение 2...3 часов. Исследуемые образцы обезжириваем в щелочном растворе, промываем водой и предварительно прогреваем до температуры 250ºС. Затем погружаем в ванну с данным расплавом при температуре 550-650 ºС и выдерживаем в течении 3-6 часов. После охлаждения изделия промывают в горячей воде при температуре 80°С, сушат, затем переносят в ванну с горячим маслом, имеющим температуру 110-115°С, и выдерживают 15-20 мин.

Данный способ сульфоцианирования деталей для повышения их износостойкости не представляет технологических трудностей и не требует использования дорогих или дефицитных материалов. Поэтому сульфоцианирование деталей с использованием данного расплава может быть легко внедрено на любом машиностроительном предприятии, как в мелкосерийном и крупносерийном, так и ремонтном.. При этом предлагаемый способ отличается высокой производительностью, технологической широтой, экономичностью и экологической безопасностью.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к химико-термической обработке металлов и сплавов, и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и оборудования, работающих в условиях трения при высоких контактных нагрузках и при недостатке смазки. Состав ванны для сульфоцианирования изделий из конструкционных и инструментальных сталей содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %: (NH₂)₂CO – 30-32, Na₂CO₃ – 28-30, Na₂S – 2-5, натрий хлористый NаСl - 6, кальций хлористый CaCl₂ – 6, барий хлористый BaCl₂ – 8, едкий натр NаОН – остальное. Обеспечивается повышение скорости сульфоцианирования и возможность обработки деталей любых размеров и форм, а также повышение экологической безопасности процесса сульфоцианирования.

Состав ванны для сульфоцианирования изделий из конструкционных и инструментальных сталей, содержащий карбамид (NH₂)₂CO, углекислый натрий Nа₂СО₃ и сульфид натрия Na₂S, отличающийся тем, что он дополнительно содержит натрий хлористый NаСl, кальций хлористый CaCl₂, барий хлористый BaCl₂ и едкий натр, при следующем соотношении компонентов, мас. %: (NH₂)₂CO – 30-32, Na₂CO₃ – 28-30, Na₂S – 2-5, натрий хлористый NаСl - 6, кальций хлористый CaCl₂ – 6, барий хлористый BaCl₂ – 8, едкий натр NаОН – остальное.