Способ цементации стальных изделий

бн есмотекв. чКаА Союз СоветскккСоцкалксткческкиРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 1 724603до делам изобретеиий и открытий(72) Авторы изобретения В. И. Светлаков, А. С. Заваров, Н, Н; Давыдова и С. Т. Ильиных Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехническийинститут имени С. М. Кирова(54) СПОСОБ ЦЕМЕНТАЦИИ СТАЛЬНЫХ ИЭДЕЛИЙ 1Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в современном транспортном машиностроении при обработке трушихся друг о друга де талей для придания этим парам износостойкости.В настоящее время цементация в га зовом карбюриэаторе - наиболее распространенный вид химико-термической об работки стальных иззелий.Известен способ цементации с исполу" зованием природного газа при температуроре процесса 925-950 С с оптимальным расходом карбюризатора в пределах 0,3-0,8 м/ч м 11)Однако скорость образования диффузион ного слоя в этом способе незначительна.Средняя скорость цементации в оптимальных режимах зависит от продолжи тельносги процесса. При увеличении вре мепи (глубины) цементации она умень шается. Гри цементации на глубину, пре вышаюшую 2 мм (здесь эа глубину це ментацни принимается весь науглерожен 2ный слой), средняя скорость становится равной и ниже 0,1-0,15 мм/ч.Известен способ цементации в кипяшем слое, где процесс науглероживания производится в непрерывно кипящем слое инертных частиц твердого материала при использовании в качестве сжижающего агента смеси эндогаза и избыточного метана. Данный способ характеризуется высокой скоростью нагрева садки деталей, высоким значением коэффициента массообмена и углеродного потенциала, что позволяет значительно сократить продолжительность процесса (в 5-7 раз по сравнению с газовой цементацией), Практически в кипяшем слое массообмен осуществлтеется с максимально возможной скоростью(2),/ Однако данный способ требует большого расхода карбюризатора для поддержания слоя в кипящем состоянии, а следовательно и повышенного расхода тепловой энергии на нагрев этого клрбнри:ютора э603ношению эффективной теплопроводности свободно кипящего и заторможенного слоев. Так, если в свободно кипящем слоеЬ,:150 -; 200 Вт/(м. К), то в заторможенном Л =10-15 Вт/(м.К.) для электрокорунда с размером 120 мкм. Поэтому в промышленных печах с кипящим слоем, загруженных садкой деталей, время кипения может быть больше такжена порядок. Огсода- К сС 6(10 - . 15) - К н . й со шк Период осажденного состояния (С ) моожет быгь рассчитан следующим образом.С целью максимального использованияуглерода в составе метана, находящегосяв порах слоя, создают условия для егополного разложения, т,е, производят выдержку .", . Экспериментально определяют, что при 1. =925 С С;,5-10 мин,оПо мере увеличения числа выдержек ихпродолжительность увеличивается наб = 3-7 мин,Закономерность продолжительностиосажденного состояния по мере насыщения детали углеродом можно описатьследующим выражением=(б 0)+-:г)Ь-ц,где и - порядковый. номер периода осаждения.При прекращении подачи ожижающегоагента частицы образуют плотный слой.Погруженная деталь оказывается "зажатойф плотным слоем зауглероженныхчастиц, пространство между которымизаполнено печной атмосферой, состоящейиэ эндогаза и избыточного метана, Метанпродолжает разлагаться с выделениемтвердого углерода. Углерод в виде сажинакапливается на поверхности частицвсего слоя. Науглероживание детали осуществляется разлагающимся на стальнойповерхности метаном, выделяющим атомарный углерод, который и диффундируетв металл. Однбвременно с этим происходитперенос углерода с частиц к поверхностидетали. В период кипения слоя происходит перемешивание частиц. Частицы с израсходованной сажей отбрасываются от поверхности детали вглубь слоя, где они вновь покрываются сажей, а на их место поступают свежие частицы. В это же время происходит вытеснение из слоя отрабоганного газа свежим, а также устраня 3 724Большая часть карбюриэатора барботирует через слой в виде пузырей и технологически не используется. В газе,покидающем сплошную фазу, также содержится большая доля подаваемого под слой5избыточного метана. В процессе науглероживания практически участвует толькота часть метана, которая непосредственноомывает цементуемую поверхность.Кроме того, данный способ сопровождается выносом частиц кипящего слояэа пределы печи.Целью изобретения является сокращение расходов карбюризатора, электроэнергии, уменьшение выноса частиц, а такжеполучение более качественного диффузионного слоя при сохранении высокойскорости насыщения поверхности детали.Поставленная цель достигается организацией прерывистого режима кипения,заключающегося в том, что продуваниеслоя ожижающим агентом производитсяпериодами через определенные, возрастающие по мере науглероживания детали,промежутки времени. Оптимальные продолжительности периодов кипения и шагов между ними зависят от конкретныхусловий цементации; размеров слоя,частиц и плотности их материала, велйчины садки деталей и геометрии их размещения, состава карбюризатора, температуры, продолжительности цементациии т.д., и могут быть рассчитаны по фомулам.Период кипения ( С) расчитываетсяследующим образом. С целью максимального использования углерода, подаваемого в печь в составе карбюризатора,время продувания слоя С должнокбыть равно40Нк огде Н - высота кипящего слоя, м;со - скорость начала кипения, м/с;М - коэффициент, учитывающий увели 45чение объема газа при полномразложении избыточного метана,Для метана К =0,5, для эндогаза К =1,В свободно кипящем слое перемешиваЯние частиц весьма интенсивно и сменачастиц у поверхности образца происходитза 10-30 с, т.е, в этом случае можнопользоваться приведенной формулой.В заторможенном садкой деталей слое55интенсивность перемешивания может статьна порядок ниже. Об интенсивности перемещивания частиц можно судить по соот3 6и металлографическому анализам соотг ветс твенно.Глубина науглероженного слоя всехобразцов составляет 1,25-1,3 мм (аа глубину цементации принимают суммарную толщину заэвтектоидной, эвтектоид ной и половины доэвтектоидной зон, что соответствует толщине науглероженного слоя от поверхности до концентрации растворенного углерода, равной 0,45%).Предлагаемый способ позволяет сокра тить расход карбюризатора и электроэнергии, а также получить более изнэсостойкие диффузионные слои (1,3 раза). Способ цементации стальных изделий, включающий обработку в кипящем слое частиц инертных материалов, с использованием в качестве сжижающего агента смеси эндогаза и метана, о т л и ч а ю ш и й с я тем, что, с целью снижения энергозатрат и материальных затрат, при сохранении высокой скорости насыщении и качества получаемого диффузионного слоя, обработку в кипящем слое осуществляют прерывисто, причем продолжительность периода кипения с, поддерживают равным- К сС сЮ+15) - Кк к кПродолжительность периода осаждения равна где Н - высота кипящего слоя;са- скорость начала кипения;В коэффициент, учитывающий увеличение объема газа при полномразложении избыточного метанаИ - порядковый номер периода осажденного состояния,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Райцесс В, Б. Технология химикотермической обработки на машиностроительных заводахМ., "Машиностроение ф,1965, с. 295.2. Авторское свидетельство СССР430193, С 23 С 9/02, 1971,5 , , 72460ются искажения температурного поля,слоя (если они вознйкли). Итак, науглероживание происходит как при кипении,так и в осажденном состоянии, причем в.осажденном состоянии карбюризатором восновном является сажа, накопленнаячастицами, Поскольку суммарное времякипения мало, то и вынос частиц сокращается.П р и м е р . Испытания проводят вэкспериментальной установке с кипящимслоем, Диаметр реторты печи, обогреваемой внешними электронагревателями,д 180 мм. Высота насыпного слоя 1,Р15частиц электрокорунда с размеромд.=100-120 мкм равна 500-650 мм.оОбработку проводят при 925 + 5 С,Ожижаюшим агентом служит смесь эндогаза и добавочного сырого газа. Эндогаз получают конверсией метана воэ 20духом при соотношении газ-воздух скоэффициентом расхода воздуха оС. =0,26-0,3. Расход сырого газа берутв пределах 20-100% от объема первичной25газовоздушной смеси.Науглероживанию подвергают образцыстали 20 Г размером АС =25 х 150 мми 25 х 50 мм. Образцы погружают в кипяший слой науглероженных частиц однозовременно с датчиком, чувствительным кизменению количества сажи на поверхности частиц в процессе обмена углеродом между частицами и науглероживаемой поверхностью, После нагрева обраэо 35цов до рабочей температуры (925 С)подают вторичный сырой газаВключение и выключение подачи газовв печь производят по показаниям датчика.Опробывание проводят при несюлькихрежимах, в каждом из юторых продолжительность импульсов находиться впределах 0,2 Ф 5 мин, Суммарное времякипения составляет 13-45 мин при обшей продолжительности каждого эксперимента 7 ч.Шаг между импульсами увеличиваютот 5-7 мин в начальный период до45 60 мин в конце, причем продолжителность шага увеличивают с каждым разомна 3-7 мин, После науглероживания образцы с размером 25 х 150 мм охлаждают в масле, с размером 25 х 50 мм - навоздухе и затем подвергают послойному формула изобретения