Способ газовой цементации стальных изделий Советский патент 1993 года по МПК C23C8/22 

fe

Изобретение относится к химико- термической обработке металлов и сплавов, в частности к цементации деталей машин. Сущность изобретения: стальные изделия нагревают до температуры насыщения в природном газе и выдерживают при этой температуре в присутствии катализатора, содержащего следующие компоненты, нас.%: нитрит натрия 30-60, нитрат 20-30, нитртт калия 15-30, натрий углекислый 5-10. 1 табл.

Изобретение относится к химико- термической обработке металлов и сплавов, в частности к цементации деталей машин.

И аестен способ газовой цементации стальных деталей путем пиролиза жидких углеводородов в печах серии Ц с подачей их капельным способом в рабочее пространство печи в присутствии катализатора-активатора нитрита натрия (Г{аМО2) ГОСТ 19906-7. В результате разложения катализатора, выделившийся атомарный азот дифйундирует в сталь с углеродом, сокращая время выдержки для получения необходимой толщины цементованного слоя на 30%.

Недостатком процесса является нестабильность глубины цементированного слоя по поверхности детали, сажеобра- зование, обезуглероживание, низкал

температура разложения катализатора (28ч°С) и слабая насыщающая способность.

Известен также способ газовой цементации стальных деталей, включающий нагрев до температуры насыщения в природном газе в присутствии твердо- го углерода (древесного угля, ГОСТ М53-2 8) и карбамида (nil2)2CO, ГОСТ 6691-67 при соотношении компонентов, мае.%:

Твердый углерод 65-75

Карбамид 25-35

При введении карбамида вместе с твердым углеродом в рабочее пространство печи увеличивается активность газовой среды за счет образования атомарного азота, ускоряющего ди(фу- зию углерода в стальные изделия. В результате сокращается времп выдерж00

го ю ел о

со

ки детсэле-i в цементационной на , (, Прототип) . Недостатком дчню- го способа цементации деталей явля- РТСЛ присутствие в катализаторе твердого углерода, что в процессе газовой цементации приводит к пересыщению поверхностных слоев деталей карбидами (цементитная сетка), пригарам на поверхности деталей продуктов разложения катализатора, что при закалке приводит к внутренним напряжениям в цементованном слое, короблению и де- Оормации деталей. Кроме того при расплавлении карбамида при температурах 380 400°С происходит выделение аммиа- ка-тпчсичного и взрывоопасного газа (ПДК-20 мг/м ). Скорость насыщения деталей при данном способе цементации составляет 0,3 мм/час (слой 1,8мм достигается после выдержки б часов), что всего на 0,05 мм/ч выше скорости насыщения без присутствия карбамида

(I,5 мм за 6 ч). I

(255°С) с образованием нитрита нат- рия, а не второй (520°С) с выделением активного азота. Это позволяет за

медлить процесс накоппения в газовой Фазе азота до более высоких температур (550...600°С), при которых скорость насыщения и активность газовой фазы максимальна.

10 Содержание компонентов приведено в табпице

При известном составе катализатора (65 С, 35% (NH2)2CO) выделение

5 активного азота при разложении карбамида начинается при 380... 4000С и завершается в течение 0,5 ч, между тем нагрев садки до оптимальных температур насыщения (860.. . Ю50°С;

2Q длится 2-3 ч. Поэтому чтобы увеличить время выделения и накопления в газовой фазе активного азота используются смеси компонентов составов

интервал образования активного азота до 520 С в течение 1,5-2 ч, т.е. до достижения садкой температур 520... 600°С, при которых скорость насыщеNT 2, 3, , 5 позволяющие значитель- Таким образом, при данном способе И но расширить температурно-временной

цементации деталей для получения слоя толциной мм и более потребуется 0 час.

Цепь изобретения - сокращение времен выдержки деталей за -чет повыше-30 ния поверхности деталей азотом мак- мия скорогти цементации в присутствии к.. 1 ; чапгора .

Г „тдолени. я цель достигается тем, что газовой цементации с ЛЫ01Х дстчлеи, включлощей нагрев до темпе35

ратуры насыщения 860...1050 С в природном газ и выдержку при -этой температуре, в качестве катализатора применяют смесь компонентов, мас.%:

Нитрит натрия 40

Нитрат натрия 25-30

Нитрит

Натрий углекислым

Для этого используют:

нчтрит натрия (NaN02) ГОСТ 19906- 45

7,

нитрит натрия (NaNO) ГОСТ 1б8- 79,

нитрит калия (KN02) ГОСТ А. 17-77, натрий углекислый () ГОСТ

83-79

При нагреве катализатор, состоя- 1,ий из смеси компонентов азотнокислых солей, расплавляется с выделением атомарного азота, в присутствии которого диФЛузия углерода в стать значительно активизируется. Реализация разложения нитрата натрия идет двухстадийно: на первой стадии

50

55

симальная. Активная диффузия углерода в ствль происходит при более высо ких температурах (860...1050 С). Предлагаемый способ химико-термической обработки (цементации) деталей

реализуется следующим образом. i

В нагретую до 930°С печь загружа- ют садку деталей. Предварительно меж ду деталями по периферии корзины рав номерно распределяют капсулы из oi- неупорной глины (Z535...50 мм, внутри которых находится катализатор из сме си компонентов указанного состава, причем количество катализатора а капсуле находится в пределах 1,5...5,5 г в зависимости от массы садки. Общая масса катализатора в садке определяется из расчета 5,0...5 г на 25... 30 кг металла в садке (с учетом массы корзины). Для контроля глубины цементованного слоя вместе с деталями в корзину кладут образцы свидетели и подвешивают с видетели-корректировщики .

Через 10-15 мин после загрузки печи начинают продувку рабочего про странства газом с раходом 0,25... 0,30 MV ч в течение 20-30 мин. Продувка заканчивается при достижении

(255°С) с образованием нитрита рия, а не второй (520°С) с выделением активного азота. Это позволяет замедлить процесс накоппения в газовой Фазе азота до более высоких температур (550...600°С), при которых скорость насыщения и активность газовой фазы максимальна.

Содержание компонентов приведено в табпице

При известном составе катализатора (65 С, 35% (NH2)2CO) выделение

5 активного азота при разложении карбамида начинается при 380... 4000С и завершается в течение 0,5 ч, между тем нагрев садки до оптимальных температур насыщения (860.. . Ю50°С;

Q длится 2-3 ч. Поэтому чтобы увеличить время выделения и накопления в газовой фазе активного азота используются смеси компонентов составов

интервал образования активного азота до 520 С в течение 1,5-2 ч, т.е. до достижения садкой температур 520... 600°С, при которых скорость насыщеNT 2, 3, , 5 позволяющие значитель- но расширить температурно-временной

ния поверхности деталей азотом мак-

0 ния поверхности деталей азотом мак-

5

0

5

0

5

симальная. Активная диффузия углерода в ствль происходит при более высоких температурах (860...1050 С). Предлагаемый способ химико-термической обработки (цементации) деталей

реализуется следующим образом. i

В нагретую до 930°С печь загружа- - ют садку деталей. Предварительно между деталями по периферии корзины равномерно распределяют капсулы из oi- неупорной глины (Z535...50 мм, внутри которых находится катализатор из смеси компонентов указанного состава, причем количество катализатора а капсуле находится в пределах 1,5...5,5 г в зависимости от массы садки. Общая масса катализатора в садке определяется из расчета 5,0...5 г на 25... 30 кг металла в садке (с учетом массы корзины). Для контроля глубины цементованного слоя вместе с деталями в корзину кладут образцы свидетели и подвешивают с видетели-корректировщики .

Через 10-15 мин после загрузки печи начинают продувку рабочего про странства газом с раходом 0,25... 0,30 MV ч в течение 20-30 мин. Продувка заканчивается при достижении

устойчивого горения йакела отходящих газов. Печь проверяется на герметичность и по достижении рабочей темпе- ргауры цементации устанавливается по дача газа с раходом 0,90-0,95 м3/ч при глубине слоя

Средняя скорость цементации, таким образом, при данном способе составляет О,1...0,5 км/ч.

За час до окончания выдержки вынимают из печи свидетель-корректи- ровшик и определяют глубину цементованного слоя, после окончания выдержки детали либо подстуживают для непосредственной закалки (860°С), либо охлаждают и закаливают с повторного нагрева.

Пример. Печь Ц-105 нагревают до 930°С. В корзины вместе с деталям и образцами-свидетелями из стали 20, 20Х, 18ХГТ, 25ХГТ, 18Х2НЧМА помещают катализатор и загружают в печь. Посл продувки природным газом для созда- нир безокислительной атмосферы в пе

чи и достижения садкой рабочей темпе- ратуры устанавливают режим подачи га- за 0,9...О,95 м3/час. Летали выдерживают е печи 3 часа. За 0,5...1,0 час до окончания выдержки проверяют глубину цементованного слоя на свидете- ле-корректировщике. Затем отключают подачу газа. Проводят подстуживание деталей до 860°С и проводят закалку. При известном способе цементации с катализатором состава Г 1 глубина цементованного слоя составит за 3 часа 0,9 мм (без катализатора 0,75 мм). По результатам металлографических исследований деталей и образцов-свидетелей, прошедших цементацию, с катализатором состава Р 2, 3, и 5 глубина цементованного слоя за 3 часа составила соответственно:

35

Известный состав

Предлагаемым

80 10 10

(Ц-10). Время и.ич I. ЈJ-M: .,1-с.м pv- ки (активного п«. риг дг, . i нц- де талей в зависимости от г п гпу- бины цементованного гло1 П| с3,-;-;ч ется в следующих предел.,/ ;

...0,8 мм - 1,5... 2 ч. ...1,2 мм - 2...2,5 ч ...l,k мм - 2,5...3 ч ...1,7 мм - 3... ч Г 2 - 0.О... 1,0 мм 3

« 3 - 1, 0... 1,1 5 мм

k - 1,05...1,15 мм

Р 5 - 1,25...1,30 мм

Элективная глубина цементованного закаленного слоя образцов из стали ЗОХГТ (состав Г 5) составила 1,4...1,5 мм. Дефектов микроструктуры в виде сплошной сетки карбидов (цементита) у образцов и деталей не обнаружено. Оптимальное содержание катализатор в садке составляет 5,5 г на 25 кг. Применение катализатора указанных составов обеспечивает сокращение времени выдержки на за счет ускорения процесса насыщения при совместной диффузии в сталь азота и углерода, что обеспечивает получение экономического эОФекта.

Формула изобретения

Способ газовой цементации стальных изделий, включающий нагрев цо температуры насыщения в природном газе в присутствии катализатора и выдержку при этой температуре, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени выдержки, в качестве катализатора используют смесь, состоящую из следующих компонентов при их соотношении, мас.:

Нитрит натрия 30-60

Нитрат натрия 20-30

Нитрат калия 15-30

Натрий углекислый 5-10

60

зо

1822450

8 Продолжение .таблицы

10284...520