Способ азотирования стальных и чугунных изделий Советский патент 1935 года по МПК C23C8/26 

Предлахлемое изобретение касается методов ускорения и регулирования процессов азотир- вания путем понижения концентрации водорода в газовой фазе.

Применяемый в настоящее время процесс азотирования заключается в образовании на поверхности стального или чугунного изделия слоя нитридов железа и проводится в специальных печах при температурах 450-600° в струе аммиака. При этом имеют место следующие реакции:

а)диссоциация аммиака

2H,,N N2 + 3H2

б)соединение азота с железом

2N 4-2/пРе-: , где т 2 или 4.

Присутствующий водород может ухудщать состояние азотированной поверхности, частично диазотируя ее: . ЗНа -f 2Pe,N -- 2mPe + aHjN.

Успешность азотирования находится в прямой связи со степенью диссоциации аммиака. Последняя зависит, при неизменной поверхности азотируемых изделий, от температуры процесса и скорости прохождения газа. Повышение температуры, хотя и увеличивающее

(190)

степень диссоциации аммиака, для различных сортов стали имеет определенные границы (500-600°), выше которых получается менее твердый поверхностный слой вследствие усиления диффузии азота вглубь металла.

Вредное явление водорода уменьшается быстрым уводом продуктов диссоциации вместе с не разложившимся аммиаком из рабочего пространства печи, т. е. увеличением скорости протекания газа. При этом, вследствие уменьшения срока пребывания аммиака в печи, степень диссоциации его сильно снижается.

Практические условия, при которых, обычно, получается требуемая глубина и твердость азотированного слоя и наиболее короткий срок (45-50 часов), заключаются в температуре процесса 450- 500° и скорости прохождения аммиака 0,5-06 . Этим условиям приблизительно соответствует степень диссоциации аммиака 15-20% (иногда при подходящей поверхности изделий доходящая до ). Столь низкий процент диссоциации сильно замедляет процесс азотирования и влечет увеличенный расход аммиака.

Для устранения указанных недостатков применяется введение в рабочее

пространство печи „катализаторов, в данпом случае тел, способных в значительных количествах адсорбировать водород, сдвигая этим равновесие в газовой фазе в сторону большего образования продуктов диссоциации. При этом продолжительность процесса сокращается почти вдвое.

К недостаткам подобных катализаторов (а к ним относятся магнезит, медь, песок и др.) следует отнести а) неравномерность действия вследствие ослабления поглощающей способности по мере насыщения водородом; б) часть объема печи вместо продукции загружается катализатором; в) в печах с вентилятором мелко истертый катализатор выдувается и засоряет трубопроводы, а крупные куски, вследствие малой поверхности, дают малый ощутимый эффект; г) необходимость дополнительных затрат на приготовление или на регенерацию катализаторов.

Настоящее предложение устраняет все перечисленные недостатки и дает новое средство управления процессом следующим образом. В рабочее пространство печи вводится диафрагма из материала, проницаемого только или преимущественно для водорода. За диафрагмой создается различной степени вакуум, которым регулируется количество отводимого из газовой фазы водорода, а следовательно и степень диссоциации аммиака при неизменных остальных факторах, влияющих на степень диссоциации.

В сравнении с применяемыми способами предлагаемый имеет следующие преимущества:

1. При неизменных температурах, скорости движения аммиака и поверхности изделий степень диссоциации может быть увеличена и выдержана на более высокой ступени.

2- Обычная степень диссоциации 20 - 30% может быть достигнута: а) при более низкой температуре, что уменьщит глубокую диффузию азота; б) при меньщих скоростях течения газа (так как вредное влияние водорода благодаря его непрерывному отводу сводится до минимума). Этим увеличивается коэфициент использования аммиака.

3. Сравнительно с катализаторами, при

том же сокращении продолжительности процесса, способ отвода водорода через полупроницаемую перегородку отличается: а) ничтожностью места, занимаемого в печи диафрагмой, б) непрерывностью действия, BJ нет нужды в систематической замене и регенерации, г) возможностью регулировать в широких пределах степень диссоциации аммиака, пользуясь только отводом водорода.

Материалом для полупроницаемой перегородки могут служить платина, палладий (нагретый выше 200°), железо (нагретое выше 700°) и различные пористые материалы: необожженная глина, стеклянный бисквит (шоттовское стекло) и пр.

Проницаемость твердых тел газами прпблизительно определяется формулой:

dmJ Р -I J

- Рот; (У

dt

где dm-масса газа, проходящего через диафрагму в течение времени dt р - разность давлений Дг - толщина диафрагмы dx dy - площадь диафрагмы рд - плотность газа k - коэфициент проницаемости (для водорода имеет наибольшее значение).

Так как скорость диффузии газов обратно пропорциональна корню квадратному из их молекулярных весов, то при прохождении через пористые диафрагмы смеси аммиака, азота и водорода преимущественно будет проходить водород. Поэтому и при употреблении пористых диафрагм равновесие в газовой фазе будет сдвигаться в сторону образования новых количеств азота и водорода. Необходимо только подбирать такую пористость и толщину перегородки, чтобы этот сдвиг был наибольшим.

Благодаря увеличенному проценту диссоциации аммиака коэфицкент его использования повышается и продолжительность процесса соответственно снижается, что делает способ более экономичным.

Так как поверхностная твердость азотированных изделий сильно колеблется в зависимости от небольших изменений в режиме азотпрования, то предлагаемый способ, открывающий возможность

точной регулировки режима процесса, обеспечивает стандартность качества азотированных изделий.

Предмет изобретения.

Способ азотирования стальных и чугунных изделий с применением интенсификации процесса путем понижения концентрации водорода в газовой фазе, отличающийся тем, что отработавшие газы отводят через диафрагму, пропускающую исключительно или преимущественно водород и задерживающую целиком или частично остальные газы.