Способ цементации стальных изделий Советский патент 1992 года по МПК C23C8/44 C21D1/42 

Изобретение относится к химико-термической обработке стальных изделий и может использоваться в металлургии, станкостроении.

Известен способ цементации стальных изделий, включающий обработку в годовой атмосфере с подачей жидкого карбюризатора - керосина в рабочее пространство печи при 930°С.

Наиболее близким к предлагаемому является способ цементации в жидкой среде (керосине, ацетоне, бензине и т.д.) с нагревом ТВЧ при 1000 - 1100°С.

Способ позволяет успешно осуществить цементацию поверхности изделий.

К недостаткам способа относится образование сажи, при использовании керосина, бензола, растворов ацетона слой сажи может быть настолько плотным, что процесс цементации не идет. Все карбюризаторы летучи и представляют опасность в пожарном и санитарно-экологическом аспектах.

Время обработки изделия составляет 60 и более секунд - в течение этого времени происходит выделение большого объема горячих паров, с чем связаны потери карбюризаторов и необходимость непрерывного корректирования состава водных растворов ацетона и металла.

Целью изобретения является повышение твердости поверхностного слоя и сокра- щение времени.обработки изделий, улучшение условий труда.

Цель достигается тем, что в способе тер- модиффузионн.ого легирования стальных изделий, включающем их обработку в жидкой насыщающей среде с нагревом до пред- плавленного состояния, нагрев осуществляют в. водных растворах многоатомных спиртов и их смесей с концентрацией 2,5 - 20% при 1050 - 1070°С.

Особенность методики ТДЛ состоит в том, что обработка поверхности изделия осуществляется в жидкой среде, максимальная температура которой ограничивается температурой кипения жидкости при постоянном нагреве металла ТВЧ до предплав- ленного состояния. При этом компоненты жидкой среды подвергаются термическому разложению на поверхности изделия, и продукты разложения взаимодействуют с металлом, образуя соединения,

ы

00

о чэ

обусловливающие твердость металла, состав которых определяется составом жидкой фазы (диффузанта). Вследствие большой разности температур поверхности металла и диффузанта происходит фиксирование образующихся соединений в составе поверхностного слоя металла. В частности, углеродосодержащая среда обеспечивает насыщение поверхности металла углеродом.

Таким образом, для успешного осуществления процесса необходимо иметь среду, обеспечивающую образование, например, углерода и быстрое охлаждение металла. Этим условиям отвечают растворы воднорастворимых органических соединений, таких как многоатомные спирты - глицерин, ксилит, сорбит и другие, обладающие хорошей растворимостью в воде. При термическом разложении этих веществ образуется ряд соединений, содержащих углерод, что может быть представлено, например, схемой:

СеН 140е Ј ЗСО + ЗС + 4Н2 + ЗН20

Образовавшиеся соединения взаимодействуют с поверхностью металла

Fe + у (С)

Fe + CO + .Fej/ (C) + H20

Очевидно, приведенными схемами не исчерпывается весь ряд процессов, но в результате всех их происходит насыщение поверхности металла углеродом, обусловливающее значительное повышение твердости. Для обеспечения быстрого охлаждения служит растворитель - вода, обладающая высокой теплоемкостью. Водно-органические смеси не горят и поэтому пожарная опасность при работе с ним отпадает. Кроме того, как показали эксперименты, при работе с этими смесями совершенно отсутствует сажеобразование, которое затрудняет процесс цементации.

В приведенных примерах определяется оптимальная концентрация растворов,

Примеры -7, Выполнение способа

тдл.

Цилиндрическую деталь из Ст-3 помещают в индуктор установки ТВЧ и закрепляют в сосуде емкости 5-10л, смонтированном в основании установки и заполненном раствором сорбита, определяемой концентрации. Деталь нагревают до 1000- 1100°Си выдерживают при этой температуре в течение 4 - 5 с.

Как показали опыты длительное время выдержки нецелесообразно, так как это может привести к перегреву и оплавлению де- тали. После включения ТВЧ деталь вынимается из раствора и определяется

твердость на ее поеерхности и по радиусу. Результаты испытаний приведены в табл.1.

Из табл.1 следует, что существует определенная зависимость твердости от концен- трации раствора, причем максимум приходится на 20%-ный раствор. При более высоких концентрациях твердость также достаточно высока, т.е. диапазон концентраций растворов весьма широк, но увеличение концентрации не способствует повышению твердости. Очевидно использование растворов с более чем 20%-ной концентрацией нецелесообразно. Большое значение имеет

температура обработки. Главной особенностью является то, что науглероживание поверхности металла происходит в очень узком диапазоне температур, в котором металл находится в предплавленном состоянии. Это достаточно определенно подтверждается примерами выполнения способа при фиксированной температуре.

П р и м е ы 8 - 12. Детали обрабатывают по методике, описанной в примерах 1 - 7, в 20%-ном растворе сорбита при фиксированной температуре.

Результаты испытания приведены в табл.2.

Из данных табл.2 следует, что максимальная твердость получается при обработке деталей в диапазоне температур 1050 - 1070°С, При более нмзкой температуре твердость увеличивается незначительно, а при более высокой поверхность деформируется вследствие оплавления,

Для проверки возможности применения других многоатомных спиртов в технологическом процессе проводят эксперименты с растворами глицерина, ксилита, а также смеси (1:1), ксилита и сорбита.

Опыты со смесью проводят для определения эффективности с целью использо- вания в технологии дешевых и недифицитных ксилит-сорбитных фракций

куЬовых останков гидролизных заводов.

Эксперимент с указанными растворами проводят по описанной методике: в качестве критерия приводят показатель твердости (НРС) поверхности образцов.

Результаты приведены в табл.3.

Использование предлагаемого способа термодиффузионного легирования позволяет повысить поверхностную твердость, что приводит к увеличению износостойкости, и

значительно сокращает время обработки до нескольких секунд, а также жидкий карбюризатор снижает пожароопасность и улучшает санитарно-экологическую обстановку.

Формула изобретения Способ цементации стальных изделий, включающий обработку в жидкой насыщающей среде при нагреве ТВЧ, отличающийся тем, что, с целью повышения твердости поверхностного слоя, сокращения продЬлжительности обработки и улучшения условий труда, в качестве жидкой на- сыщающей среды используют водные растворы многоатомных спиртов или их смесей с концентрацией 2,5 - 20%, а нагрев осуществляют до 1050- 1070°С.

Сущность изобретения: способ включает обработку изделий в водных растворах многоатомных спиртов или их смесей с концентрацией 2,5 - 20% при нагреве ТВЧ до 1050 -1070°С.З табл.

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3