Карбонитрация стали в домашних условиях

Карбонитрация стали в домашних условиях

Компания Термохим предлагает услуги по карбонитрации деталей в Москве — в нашем Инновационном центре упрочнения.

Карбонитрация сталей и чугуна

Сущность метода карбонитрации заключается в том, что детали машин и инструменты, изготовленные из любых марок стали и чугуна, подвергают нагреву в расплаве солей, синтезированных из аммоноуглеродных соединений (меламин, мелон, дициандиамид), при температуре 540-600oС с выдержками 5-40 мин для режущего инструмента и 1-4 часа для деталей машин и штампового инструмента в зависимости от требуемой толщины упрочненного слоя. Технология используется для повышения износостойкости, усталостной прочности и – в сочетании с оксидированием – для увеличения коррозионной стойкости. Во многих случаях карбонитрация является альтернативой таких процессов, как поверхностная закалка, гальваническое хромирование, цементация и нитроцементация и др.

После карбонитрации на поверхности сталей формируется упрочненный слой, состоящий из нескольких зон. Верхний слой ε– карбонитрид типа Fe3(N,C). Под карбонитридным слоем располагается зона γ’ – фазы типа Fe4(N,C) , под которой находится диффузионная зона (гетерофазный слой). Она состоит из твердого раствора углерода и азота в железе с включениями карбонитридных фаз, твердость которой значительно выше твердости сердцевины. Концентрация азота и углерода при этом существенно снижается.

Применение карбонитрации для обработки деталей повышает усталостную прочность на 50-80%, резко увеличивает износостойкость по сравнению с цементацией, нитроцементацией, газовым азотированием, обеспечивает минимальные величины деформаций в пределах допуска чертежа. Технология применима для упрочнения деталей из любых марок сталей и чугуна обеспечивает микронную точность (см.

Таблицу характеристик упрочненного слоя и твердости сердцевины после карбонитрации). Среди технологий низкотемпературного упрочнения карбонитрация в расплавах солей является наиболее экономичным процессом, т.к. сокращает длительность насыщения до 0,5-6 ч, вместо 10-60 ч при газовом азотировании. При этом практически отсутствует хрупкость карбонитрированного слоя.

Процесс карбонитрации, как правило, является окончательной операцией.

Свойства карбонитрированного слоя:

• толщина 0,01-0,6 мм;
• поверхностная твердость – 400-1200 HV;
• повышение износостойкости в 2-11 раз;
• снижение коэффициента трения в 1,5-5 раз;
• хрупкость слоя – отсутствует;
• повышение задиростойкости, включая нержавеющие стали;
• повышение усталостной прочности в 1,5-2 раза;
• повышение коррозионной стойкости перлитных сталей в 1,5-2 раза;
• коробление и поводки длинномерных деталей – практически отсутствуют.

Технология НОК-PQ

Для придания коррозионных свойств деталям рекомендуется проводить процесс оксидирования в нитритно — щелочном расплаве при температуре 350-400oС или водном растворе при 130-150oС.В результате карбонитрации шероховатость поверхности в среднем ухудшается на 1-1,5 класса, поэтому после оксидирования для восстановления шероховатости поверхности можно использовать различные методы полирования:

• Притирка доводочной шкуркой зернистостью 360 или мельче;
• Полирование или тонкое шлифование специальными полировочными кругами в непрерывном процессе подобно бесцентровому шлифованию или шлифованию на токарных автоматах;
• Скользящее шлифование в вибрационной емкости;
• Струйная обработка стеклянными шариками диаметром 40-70 мкм.

При проведении процессов шлифования или полирования возможна потеря коррозионных свойств деталей, поэтому рекомендуется повторное оксидирование.Применение операции оксидирования после карбонитрации приводит практически к полному уничтожению цианидов, находящихся на поверхности.

Технологическая схема НОК-PQ — процесса

Технология карбонитрации в сочетании с оксидированием, полированием и повторным оксидированием, получившая название НОК-PQ (в Германии Tenifer – QPQ) придает деталям машин и инструменту несравнимо более высокие эксплуатационные характеристики.

Она может быть использована взамен гальванического хромирования, например, на деталях гидросистем, запорно- регулирующей арматуры, штампового инструмента и др.

См. Результат теста на коррозионную устойчивость стали С45 (испытательная среда: 3% NaCL;0,1 % H2O2)

См. Примеры применения оксикарбонитрации в арматуростроении, при изготовлении штамповой оснастки и прессформ, в автомобилестроении>>

Стоимость обработки договорная и определяется исходя из сложности, размеров,веса и количества деталей. Для того, чтобы узнать цену карбонитрации, необходимо отправить запрос (с четрежом детали) по одному из адресов, указанном на странице КОНТАКТЫ.

Азотирование стали в домашних условиях

Химико-термическая обработка – это комплекс операций по изменению химического состава и микроструктуры поверхности заготовки или изделия с целью получения требуемых характеристик.

Такое изменение является результатом взаимодействия поверхности с окружающей средой определенного состояния, состава, температуры.

Наиболее распространенные виды химической обработки – цементация (науглероживание), азотирование, карбонитрация (одновременное насыщение углеродом и азотом).

Технология цементации стали

Этот процесс подразумевает диффузионное насыщение поверхностного слоя стальных заготовок углеродом.

Обработка осуществляется в карбюризаторе, выделяющем активный углерод, при температурах устойчивости аустенита – 850-950°C, хорошо растворяющего большое количество углерода.

Для завершения процесса после цементации проводят закалку и низкий отпуск. Результаты химико-термической и термической обработок в комплексе:

• высокая твердость и износостойкость поверхности;
• повышение предела контактной устойчивости;
• улучшение показателей предела выносливости при изгибе и кручении.

Внимание! Желаемый эффект достигается на сталях с низким содержанием углерода – до 0,2%. Без цементации такие марки закалить невозможно. Чаще всего цементации подвергают легированные стали.

Эта операция является длительной, поскольку процесс науглероживания протекает очень медленно. Основные типы сред для цементации (карбюризаторов):

• твердые;
• газообразные;
• растворы электролитов;
• пасты;
• кипящий слой.

Цементация в твердой среде: возможность проведения в домашних условиях

Науглероживание стали в твердой среде можно провести в домашних условиях, если есть способ обеспечить длительную выдержку при таких высоких температурах.

Для обработки в твердом карбюризаторе понадобятся:

• углекислый натрий, кальций или барий;
• березовый или дубовый уголь, содержание которого в смеси составляет 70-90%.

Все компоненты измельчают и просеивают для удаления пыли. Оптимальные фракции – 3-10 мм. Методики смешивания компонентов:

Цементацию на производстве и в домашней мастерской осуществляют в стальных ящиках, заполненных карбюризатором. Для уменьшения времени прогрева и повышения качества поверхностного слоя ящик для ХТО по форме и размерам должен быть максимально приближенным к обрабатываемой детали.

Создать оптимальные условия можно только в герметичной таре, поскольку при этом исключается утечка газов, образующихся во время выдержки. Для обеспечения герметичности зазоры между ящиком и крышкой обмазывают огнеупорной глиной. Оптимальный материал ящиков для науглероживания – жаростойкая легированная сталь.

Однако может использоваться и тара из малоуглеродистых сталей.

Этапы цементации в твердом карбюризаторе

• Заготовки укладывают в ящик слоями с пересыпкой карбюризатором.
• Ящики обмазывают огнеупорной глиной и устанавливают в разогретую печь.
• Тару с содержимым прогревают примерно до 800°C. О качественном прогреве свидетельствует отсутствие темных пятен на подине в местах ее соприкосновения с ящиком.
• После прогрева температуру в печи поднимают до 950°C и выдерживают в таких условиях заготовку на протяжении определенного времени. При этом происходит проникновение активных атомов углерода в кристаллическую решетку стали.

Азотирование: суть процесса и преимущества, по сравнению с цементацией

Азотирование – сравнительно новая технология улучшения характеристик стальных заготовок. Заключается в нагреве деталей до высоких температур в средах, насыщенных аммиаком. Толщина нитридного слоя составляет 0,3-0,6 мм.

• повышается износостойкость, так как поверхность становится тверже;
• возрастает усталостная прочность изделий;
• образуется стойкий антикоррозионный барьер.

Преимущества такой ХТО, по сравнению с цементацией

• Поверхностный слой изделия приобретает высокую твердость без дополнительной термической обработки. Прочность поверхностного слоя примерно в 2 раза выше, чем после науглероживания.
• Геометрические параметры заготовки после азотирования остаются практически без изменений.
• Может применяться для изделий после закалки с высоким отпуском и шлифованием в размер.
• После науглероживания поверхностный слой сохраняет полученную твердость до температур до 225°C, после диффузионного насыщения азотом – до 600°C.

Краткая схема азотирования при температурах 500-600°C в стальных ретортах, устанавливаемых в печь:

• части стальных элементов, не предназначенные для насыщения азотом, защищают оловом или жидким стеклом, наносимым по технологии электролиза;
• закладывают в муфель, в который из баллона закачивают аммиак;
• внутри реторты аммиак разлагается на азот и водород;
• атомарный азот проникает в поверхность стальной детали с образованием нитридов, для которых характерна очень высокая твердость;
• после выдержки заготовку в реторте охлаждают вместе с печью, чтобы закрепилась твердость поверхности без окисления.

Таблица результатов азотирования для стали различных марок, в зависимости от целевого назначения ХТО

Карбонитрация стали

Популярным видом ХТО стали и чугуна практически любых марок является карбонитрация, или жидкостное азотирование. В этом случае поверхностный слой заготовок насыщается углеродом и азотом в соляных расплавах при температуре 560-580°C.

Соляные составы синтезированы из аммоноуглеродных соединений: меламина, мелона, дициандиамида. Карбонитрация сходна с цианированием. Но цианирование осуществляется с использованием токсичного цианида натрия при температурах до 860°C.

Для карбонитрации применяют неядовитые соединения, осуществляется она при температурах до 570°.

Преимущества технологии карбонитрации стали

• Одновременное насыщение азотом и углеродом инициирует появление карбонитридных фаз – более пластичных и менее хрупких, по сравнению с чисто нитридными.
• Карбонитрация – наиболее экономичный процесс, благодаря его небольшой длительности – 0,5-4 часа.
• Равномерность нагрева и диффузии.
• Отсутствие термических напряжений, обеспечивающее минимальные деформации и точность геометрических параметров в пределах микронов.
• Улучшение усталостной прочности изделий до 80%, износостойкости, коррозионной стойкости.
• Уменьшение коэффициента трения до 5 раз.

Комбинированное насыщение поверхности азотом и углеродом может применяться даже для высоколегированных и устойчивых к коррозии сталей.

На их поверхности присутствует плотная пленка из оксидов хрома и других легирующих добавок, препятствующая процессу чистого азотирования.

Этапы карбонитрации

Дополнительным плюсом этой технологии является возможность частичного погружения детали в солевой расплав, что позволяет упрочнить только отдельные участки.

Термообработка

Термическая обработка — это технологически сложный процесс, в котором необходимо учитывать множество факторов в зависимости от вида термообработки и обрабатываемого материала, требующий дорогостоящего оборудования и оснастки, достаточно больших площадей и высококвалифицированных специалистов.

ООО «Поволжское производственное объединение» (ППО) производит следующие услуги по термообработке:

Закалка

Разновидность термической обработки металлов и сплавов, в основу которого входит нагрев выше критической температуры, при котором происходят изменения в кристаллической решетки, с дальнейшим быстрым охлаждением чаще всего в воде или масле. Применяется для увеличения твердости, но при этом металл становится менее вязким, менее пластичным и хрупким.
А для снижения хрупкости и повышения пластичности после закалки без полиморфного превращения наши специалисты применяют старение , после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск, но нужно отметить, что при отпуске несколько снижается твердость и прочность материала..

Отпуск

Данная услуга термической обработки, происходит после закалки металла и проводится с целью снижения хрупкости металла и получения более высокой пластичности. Для этого металл подвергается нагреву от 150—260 °C до 370—650 °C с дальнейшим медленным остыванием.

Компания ООО "ППО" проводит 3 вида отпуска.

Низкотемпературный отпуск

Проводится при температуре до 250 °C. Такая сталь сохраняет свою высокую износостойкость, но сердцевина остается хрупкой такое изделие не стоит применять при высоких динамических нагрузках. Такой отпуск используют для измерительных и режущих инструментов из низколегированных и углеродистых с

Среднетемпературный отпуск

Проводится в диапазонах температур 350—500 °C и применяется в основном для штампов, рессор, пружин. Этот отпуск обеспечивает высокие показатели упругости и выносливости, материал после среднетемпературного отпуска способен длительное время противостоять внешнему воздействию и сохранять свои свойства в течение определенного времени эксплуатации. Далее происходит охлаждение детали при температурах 400—500 °C в воде, в следствии чего появляются сжимающие напряжения, увеличивающие предел выносливости пружин.

Высокотемпературный отпуск

Проводится при температуре 500—680 °C. При этом сохраняется вязкость, пластичность и высокая прочность. На производстве высокотемпературному отпуску подвергают детали, которые воспринимают ударную нагрузку (валы, зубчатые колёса).

Старение

Это разновидность термообработки, при которой в металле, подвергнутому закалке происходит изменение физико-механических свойств, где основным процессом является распад пересыщенного твердого раствора. Процесс старения может приводить к нежелательным изменениям характеристик металлов. К примеру,после сварки металла сварной шов и прилегающая к нему зона становятся хрупкими. Старение несет и положительное влияние- когда происходит термообработка с целью повышения прочности и др. свойств за счет совокупности процессов закалки и старения.
При термической обработке старение используется в качестве финишной операции для специального класса конструкционных материал

Закалка токами высокой частоты (ТВЧ)

Этот метод поверхностной закалки получил большое распространение в машиностроении. Применяется для ответственных деталей, которые работают на износ и одновременно подвергаются действию ударных нагрузок (зубчатые колеса, валы). Целью закалки стали является предельное повышение твердости путем получения мартенситной структуры. Такой вид обработки отличается высоко производительностью поверхностного упрочнения металла.

Отжиг

Компания ООО "ППО" предлагает процедуру термической обработки "Отжиг", которая заключается в нагреве стали выше критических температур, выдержке и дальнейшем, медленном охлаждении до комнатной температуры. Целью отжига является снижение твердости для улучшения обрабатываемости резанием, исправление структуры, улучшение структуры литой стали и уничтожение внутренних напряжений.

Азотирование

Азотирование заключается в насыщении поверхностного слоя стали азотом с целью придания поверхности твердости, износоустойчивости и предела выносливости деталей. Помимо того, азотирование повышает коррозионную стойкость. Азотирование является одной из последних и может быть заключительной операцией термообработки и технологического процесса изготовления деталей. Азотирование обычно применяется после процесса шлифовки. Иногда после азотирования производится окончательная доводка размеров шлифованием. Азотированием подвергают шестерни, коленчатые валы мощных двигателей, кулачки и втулки. В последнее время азотируются лопатки и другие детали паровых турбин. Заказать услугу азотирования вы сможете по телефонам компании, либо оставить заявку на сайте.

Карбонитрация (Карбонитрирование)

Используется для усиления твёрдости и износостойкости поверхности металла. При этом процессе термической обработки поверхность металла одновременно насыщается углеродом и азотом, создавая препятствия для скольжения, повышая твёрдость и упругость у поверхности материала. Это финишный процесс. При других способах увеличения поверхностной прочности деталей нужно предусматривать припуск на последующую мехобработку,а при карбонитрации в этом нет необходимости. Для карбонитрации используют недорогую, легко обрабатываемую низкоуглеродистую сталь, чтобы придать её поверхностные свойства к более дорогим маркам сталей. Твёрдость карбонитрированной поверхности стали достигает от 55 до 62 HRC. Наши специалисты помогут вам ответить на ваши вопросы по услуге карбонитрации и сделают полный расчет.

Цементация

Цементация – вид термической обработки, который заключается в насыщении стали углеродом для придания деталям машин износостойкости и высокой поверхностной твердости, а также повышения предела выносливости (предела усталости). В цементованных изделиях благодаря высокой твердости слоя поверхностности и вязкой пластичной сердцевине удачно сочетаются высокое сопротивление износу и хорошее восприятие ударных нагрузок. Цементации подвергаются детали, работающие в условиях контактного износа и приложения знакопеременных нагрузок: например, втулки, кулачки, поршневые пальцы, валы и т.п. ООО «ППО» предлагает вам оставить заявку на обработку металла цементацией.

Сделать заказ на термообработку деталей можно через форму на странице Оставить заявку, либо по телефонам нашей компании.

Первый инновационный технологический центр упрочнения материалов (ИТЦ)

В 2012 году начал свою работу совместный проект ООО «ТЕРМОХИМ» и ЗАО «ЗЭМ» при поддержке ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» — первый инновационный технологический центр упрочнения материалов (ИТЦ).

На 700 м2 производственных площадей ИТЦ располагается оборудование для термической и химико-термической обработки в защитной атмосфере, химико-термической обработки в расплавах и порошковых средах. Технологическая база позволяет осуществлять как традиционные виды упрочнения (закалка, цементация, азотирование, борирование), так и не представленные на российском рынке расплавные технологии жидкостной оксикарбонитрации, цементации и порошковой хромониртридизации.

Положительные результаты деятельности, которые показал ИТЦ за время своего существования, привели к решению о создании сети Центров упрочнения на всей территории Российской Федерации, где имеются предприятия машиностроительной отрасли.

ООО «Термохим» предлагает своим клиентам такие уникальные для российского рынка технологии химико-термической обработки, как жидкостная оксикарбонитрация и хромонитридизация.

Эта технология предлагается взамен таких процессов как цианирование, азотирование, частично гальванического хромирования, так как она применима для упрочнения деталей из любых марок сталей и чугуна, обеспечивает микронную точность и является более экономичным процессом. Кроме того, длительность насыщения сокращается до 0,5-6 ч., вместо10-60 ч. при, например, газовом азотировании.

Сущность метода карбонитрации заключается в том, что детали машин и инструменты подвергают нагреву в расплаве солей, синтезированных из аммоноуглеродных соединений (меламин, мелон, дициандиамид), при температуре 540-600oС с выдержками 5-40 мин для режущего инструмента и 1-4 часа для деталей машин и штампового инструмента в зависимости от требуемой толщины упрочненного слоя.

Для придания коррозионных свойств деталям рекомендуется проводить процесс оксидирования в нитритно — щелочном расплаве при температуре 350-400°С или водном растворе при 130-150°С. В результате карбонитрации шероховатость поверхности в среднем ухудшается на 1-1,5 класса, поэтому после оксидирования для восстановления шероховатости поверхности можно использовать различные методы полирования. При проведении процессов шлифования или полирования возможна потеря коррозионных свойств деталей, поэтому рекомендуется повторное оксидирование. Применение операции оксидирования после карбонитрации приводит практически к полному уничтожению цианидов, находящихся на поверхности.

Применение карбонитрации для обработки деталей повышает усталостную прочность на 50-80%, резко увеличивает износостойкость по сравнению с цементацией, нитроцементацией, газовым азотированием, обеспечивает минимальные величины деформаций в пределах допуска чертежа. При этом практически отсутствует хрупкость карбонитрированного слоя.

Двухстадийная, не имеющая аналогов, технология последовательного насыщения хромом и азотом предназначена для обработки аустенитных сталей и никелевых сплавов. Используется для упрочнения клапанов и втулок паровых, деталей водяных насосов, механизмов, работающих в жидкометаллических средах, продуктах сгорания топлива и других агрессивных средах.

В результате хромонитридизации на поверхности сталей формируется упрочненный слой, состоящий из аустенитной матрицы (γ-твердый раствор) с включениями нитрида Cr2N, толщиной до 250 мкм с твердостью 750-950 HV.

Свойства хромонитридного слоя:

— повышение задиростойкости в среде перегретого пара (до 650°С) в 5-20 раз;

— снижение коэффициента трения в 1,5-2 раза при температуре эксплуатации до 400°С и в 4,5-5 раз при температуре эксплуатации 650°С;

— увеличение износостойкости до 20 раз при трении «металлом по металлу» при высоких температурах и контактных давлениях с отсутствием задира контактирующих поверхностей;

— увеличение хладноломкости (склонность к хрупкому разрушению) в области температур 130-0°С в 1,5-2 раза;

— увеличение жаростойкости (окалиностойкости) при температурах эксплуатации до 1000°С более, чем в 5 раз;

— высокие показатели теплостойкости (термической стабильности), характеризующейся постоянством твердости и толщины слоя при температурах эксплуатации до 900°С;

— коррозионная стойкость аустенитных сталей с хромонитридным слоем сохраняется и даже превосходит уровень высокохромистых сталей в отличие от азотированных слоев, у которых коррозионная стойкость на несколько порядков ниже;

— увеличение эрозионной и кавитационной стойкости;

— улучшение механические свойства при комнатной и повышенной температурах сохраняются на высоком уровне, не снижается длительная прочность материала;

— коэффициент термического расширения упрочненного слоя одинаков с аустенитной матрицей;

— пластичность упрочненного слоя сопоставима с пластичностью аустенитной матрицы.

Цементации в жидких средах

Фирма ООО «Термохим», помимо газовой цементации, предоставляет услугу химико-термической обработки — цементации в жидких средах. Этот вид обработки находит широкое применение для различных деталей благодаря получаемым после него свойствам: твёрдость, высокая износостойкость поверхностного слоя и одновременно достаточно вязкая сердцевина.

Преимущества цементации в расплавах солей:

— Высокая скорость насыщения углеродом;

— Термические напряжения значительно ниже, чем при газовой цементации;

— Расплавы солей гарантируют равномерность температур;

— Поводки после обработки в пределах допуска чертежа;

— Цементация в расплавах солей очень гибкий процесс. Можно обрабатывать детали из разных материалов, с разными режимами в одних и тех же ваннах;

— Расплавы можно использовать для процессов закалки, отжига, а также карбонитрации;

— Более низкие затраты по сравнению с цементацией в плазме и вакууме;

— Устранение цианидов с деталей (прилипшая соль) происходит при закалке в нитрит/нитрат содержащих ваннах;

— Строго соблюдаются требования по количеству содержанию в воздухе вредных веществ.

«Термохим» предлагает услуги как по традиционной закалке в защитных средах (на современном оборудовании румынской фирмы «Uttis»), так и закалку в расплавах солей. Технология закалки в расплавах солей позволяет обрабатывать любые материалы, включая штамповые и быстрорежущие стали (нагрев до 1300°С). Процесс очень гибкий, нетрудоёмкий, получаемые свойства намного выше, изменение геометрии в рамках чертежа.

способ химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов и устройство для его осуществления

Способ химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов заключается в том, что предварительно подогретую до 200 — 250 o С внешним источником трубу помещают в ванну с расплавом цианатов и выдерживают ее при температуре высокого отпуска стали при постоянной продувке расплава окисляющим газом и циркуляции расплава через полость трубы. Устройство для реализации данного способа содержит электрическую муфельную печь и две печи-ванны для расплава цианатов, установленные на качающейся платформе и выполненные с возможностью их соединения между собой по системе сообщающихся сосудов с помощью обрабатываемой трубы. Техническим результатом изобретения является снижение металлоемкости оборудования, затрат материалов и электроэнергии, повышение равномерности обработки по длине трубы при карбонитрации внутренней поверхности. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения

1. Способ химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов, отличающийся тем, что предварительно подогретую до 200 — 250 o C внешним источником трубу помещают в ванну с расплавом цианатов и выдерживают ее при температуре высокого отпуска стали при постоянной продувке расплава окисляющим газом и циркуляции расплава через полость трубы.

2. Устройство для химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов, отличающееся тем, что оно содержит электрическую муфельную печь и две печи-ванны для расплава цианатов, установленные на качающейся платформе и выполненные с возможностью их соединения между собой по системе сообщающихся сосудов с помощью обрабатываемой трубы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химико-термической обработки, а именно к процессам обработки в активных расплавах солей.

Известны способы химико-термической обработки труб: цементация, нитроцементация, азотирование, при которых происходит поверхностное насыщение стали азотом и углеродом в газовой фазе (Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник. Под ред. Л.С. Ляховича. М.: Металлургия, 1981, с. 6, 62).

Операции способов включают очистку и обезжиривание; защиту поверхностей, не подлежащих химико-термической обработке; нагрев в печи с контролируемым составом атмосферы; охлаждение или закалку.

Процессы, как правило, сопровождаются значительным окалино- или сажеобразованием, деформацией труб (изменением кривизны), требуют дорогостоящего печного оборудования и оборудования для контроля состава печной атмосферы, а также значительных затрат на окончательную механическую обработку и правку, защиту наружной поверхности от насыщения и последующую ее очистку.

Наиболее близким является способ химико-термической обработки инструмента методом цианирования в расплаве цианата калия — карбонитрация (а.с. СССР N 576350, C 23 C 9/10, БИ N 38, 1977 г.), принятый за прототип.

Обработку инструмента в расплаве осуществляют после окончательной механической обработки: шлифовки и заточки. Операции процесса карбонитрации включают очистку и обезжиривание, предварительный подогрев изделия перед погружением в соляную ванну, карбонитрацию при нагреве в расплаве активной соли при температуре отпуска стали, охлаждение, оксидирование, промывку и сушку.

Процесс ведут при постоянной продувке расплава воздухом или другими окисляющими газами, при этом происходит перемешивание расплава и его окисление с выделением активных атомов азота и углерода, которые взаимодействуют с обрабатываемым металлом и диффундируют в его поверхность. Для обеспечения необходимой интенсивности окисления расплава продувку ведут с заданным расходом воздуха 2-3 л/часа на 1 кг соли в ванне (Химико-термическая обработка инструмента — карбонитрация. Д.А. Прокошкин. М.: Металлургия, Машиностроение, 1984. с. 63, 162-165). При этом убыль цианата в ванне составляет 0,3% в час или 7,2% в сутки.

Однако применение карбонитрации с целью упрочнения и повышения износостойкости внутренней поверхности труб имеет недостаток: обработка одновременно и внутренней и наружной поверхностей. При этом в процессе нагрева в расплаве цианатов железо растворяется солью с образованием ферроцианидов, загрязняющих ванну. Поэтому реакция с наружной поверхностью трубы, не подлежащей карбонитрации, приведет к дополнительному загрязнению ванны нежелательными примесями.

Известны устройства, позволяющие производить обработку только внутренней поверхности труб, например устройство для проточного хромирования (Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник. В 2-х томах. Под ред. М.А. Шлугера. М.: Машиностроение, 1985. Т. 1, с. 144).

Устройство состоит из двух герметичных емкостей, изготовленных из титанового сплава, с устройствами их нагрева и охлаждения и хромируемой детали — ячейки. С помощью воздуха создается избыточное давление, под действием которого электролит через покрываемую деталь вытесняется во вторую емкость, соединенную с вентиляцией. Осуществляется попеременное выдавливание электролита из одной или другой емкости, что достигается переключением двух кранов.

Но использование данного устройства для карбонитрации внутренней поверхности труб имеет недостаток: необходимость частого переключения крана, создающего избыточное давление попеременно в первой и второй емкости.

Наиболее близким устройством, принятым за прототип, является печь-ванна с тиглем из титана (Химико-термическая обработка инструмента — карбонитрация. Д.А. Прокошкин. М.: Металлургия, Машиностроение, 1984, с. 63, 162-165).

Предварительный подогрев изделий до 200-250 o C осуществляют в муфельной печи, а обработку — в печи-ванне с расплавом цианата. Предварительный подогрев производят при любой обработке в расплаве, т.к. при погружении холодного изделия в расплав солей на его поверхности образуется солевая корка, под которой идет интенсивное окисление металла. Время, расходуемое на расплавление корки и последующее растворение окислов на поверхности, значительно увеличивает общее время обработки изделия. Кроме того, погружение холодного изделия в расплав недопустимо с точки зрения техники безопасности из-за возможного разбрызгивания расплава при попадании влаги вместе с изделием.

Ванный способ карбонитрации для обработки внутренней поверхности труб имеет недостатки: необходимость вертикальной шахтной печи для предварительного подогрева труб и вертикальной печи-ванны для расплава цианата. Высота печей определяется длиной труб, а диаметр — возможностью их технического изготовления и обслуживания. При диаметре титанового тигля 150 мм объем расплава будет составлять 90-100 л для шестиметровой шахтной печи.

При этом непроизводительные затраты солей будут составлять 0,72 кг в сутки на каждые 10 кг расплава, избыточного по отношению к массе расплава, необходимой для заполнения внутреннего канала трубы.

При карбонитрации в вертикальной печи-ванне возможно неравномерное по высоте (длине трубы) насыщение стали азотом и углеродом из-за различной активности расплава в нижней зоне, куда подается окисляющий газ, и в верхней зоне печи.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в снижении металлоемкости оборудования, затрат материалов и электроэнергии, повышении равномерности обработки по длине трубы при карбонитрации внутренней поверхности.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов, включающем помещение предварительно подогретой до температуры 200-250 o C трубы в ванну с расплавом и выдержку ее при температуре высокого отпуска стали при постоянной продувке расплава окисляющим газом, согласно изобретению, в процессе обработки осуществляют постоянную циркуляцию расплава через полость трубы, а нагрев трубы до температуры процесса производят внешним источником.

Поставленная задача решается также и за счет того, что в устройстве для химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов, содержащем электрическую муфельную печь и печь-ванну для расплава цианатов, согласно изобретению дополнительно содержится печь-ванна для расплава цианатов, при этом печи-ванны соединены между собой по системе сообщающихся сосудов с помощью обрабатываемой трубы и установлены на качающейся платформе.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематично представлено устройство для химико-термической обработки труб.

Устройство для химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов содержит две печи-ванны 1 с титановыми тиглями 2 и водоохлаждаемыми отводами с уплотнениями 3, между которыми жестко закреплена обрабатываемая труба 4. Предварительный подогрев трубы и поддержание ее температуры на заданном уровне производят с помощью муфельной электрической печи 5, установленной на подвижных опорах 6, позволяющих сдвигать печь для ввода трубы внутрь нагревательного пространства и затем устанавливать печь в рабочее положение. Печи-ванны 1 с обрабатываемой трубой 4 установлены на качающейся платформе 7, позволяющей изменять положение ванн относительно друг друга по высоте и углу наклона с помощью пневмо- или гидропривода 8. Печи-ванны установлены на платформе в направляющих 9, позволяющих им сдвигаться в направлении оси трубы. Грузы 10, подвешенные на тросе, жестко связанном с корпусом печи, создают растягивающую нагрузку, препятствующую изгибу и деформации трубы в процессе нагрева.

Способ химико-термической обработки внутренней поверхности труб в расплаве цианатов с помощью заявляемого устройства осуществляют следующим образом.

Трубу после шлифования (хонингования) внутреннего канала до готового размера обезжиривают в растворе щелочи NaOH (30-50 г/л) 15-20 минут при температуре 80-95 o C, сушат и устанавливают в печь на платформу 7. Печь 1 сдвигают в рабочее положение и осуществляют сборку уплотнений 3. При этом печи-ванны 1 соединены между собой с помощью обрабатываемой трубы по системе сообщающихся сосудов. С помощью внешнего источника нагрева — электрической муфельной печи 5 производят предварительный разогрев трубы 4 до 200-250 o C, после чего открывают затворы 11 и производят заполнение трубы расплавом, Карбонитрацию осуществляют при температуре отпуска стали и постоянной продувке расплава окисляющим газом через титановые трубки 12. Таким образом, электрическая муфельная печь служит и для подогрева трубы до температуры, при которой возможно заполнение ее расплавом, и для поддержания температуры процесса на заданном уровне. Начальный угол наклона платформы составляет 1-2 o . Покачивание платформы на угол 5-8 o обеспечивает постоянный приток во внутреннюю полость трубы свежих порций активного расплава, что обеспечивает равномерную диффузию активных атомов углерода и азота по всей длине обрабатываемой трубы. По окончании процесса осуществляют слив расплава попеременно в одну, затем в другую печи-ванны, отключают нагрев печи 5, включают водяное охлаждение отводов с уплотнениями, осуществляют демонтаж трубы с установки.

При карбонитрации внутренней поверхности трубы с внутренним диаметром 44 мм и длиной 5100 мм из стали 22ГЮ в расплаве цианатов при температуре 580 o C в течение 3-х часов был получен равномерный по длине трубы слой с поверхностной твердостью 45 HRC (исходная 20 HRC). Нагрев трубы и расплава осуществлялся в муфельных печах: трубы — в трубчатой печи длиной 5000 мм, расплава — в двух шахтных печах высотой по 1,5 м. При расплавлении и сливе расплава нагрев осуществлялся на всей высоте шахтных печей, при карбонитрации — нижних зон печей на высоте 800 мм.

Общий объем расплава цианатов при диаметре титановых тиглей 75 мм составлял 12 л, из которых 8 л постоянно находились во внутренней полости трубы.

Таким образом, при осуществлении предлагаемого способа и устройства вместо двух вертикальных печей с высотой нагревательных колодцев по 5,5-6 м использовались две невысокие печи-ванны и горизонтальная муфельная печь с общей длиной обогреваемого пространства при карбонитрации 6,6 м. При этом непроизводительные потери солей на окисление были минимальны ввиду небольшого объема циркулирующего расплава и составляли 0,288 кг в сутки. А при объеме расплава в вертикальной печи-ванне 100 л непроизводительные потери солей составили бы около 5 кг в сутки.

Использование предлагаемого решения позволяет повысить равномерность обработки внутренней поверхности труб, снизить непроизводительные затраты материалов и электроэнергии, отказаться от дорогостоящего оборудования.

Карбонитрирование стали

Карбонитрирование стали – особенный способ химико-термической обработки стальных деталей, который учитывает улучшение параметров прочности, стойкости к усталости металла и коррозийные стойкости. Суть подобной отделки заключаться в усилении верхних слоев стали путем насыщения ее азотом и углеродом. Процесс насыщения происходит путем диффузного обмена, в процессе окунания металлов в расплав солей.

Технология карбонитрации стали

Карбонитрация может проводиться деталями любых размеров, из любых сплавов стали и чугуна. Причем возможно подвергать отделке только некоторые участки детали, увеличение твердости которых нужно. Для данного процесса применяется состав солей, в их основе лежат меламин и дицианидиамид. Соли расплавляются при температуре более 550 градусов. Продолжительность выдержки обрабатываемых деталей способна заметно отличаться. Для мелких предметов, по большей части инструмента для резки, достаточно получаса вдержки. Объемные предметы могут обрабатываться более 4 часов. Расчет времени проходит на основе размеров предмета, требуемых конечных параметров и нужный толщины карбонизированного слоя.

Технология не очень непростая, основное исполнять требуемый диапазон рабочих температур и иметь в виду марку стали обрабатываемых деталей.

Необходимо выделить, что при помощи такой химико-термической обработки можно полностью заменить процессы закалки, хромирования, цементации и гальванизации.

Она дает возможность добиться очень высоких параметров прочности стали, коррозийные стойкости и действию значительных нагрузок.

В конце обработки на поверхности стали образуется парочку слоев. Первый слой – карбонидный, защищающий сердцевину. С каждым новым слоем концентрация азота и углерода в составе стали уменьшается.

Классическая технология выглядит так:

• предмету придается остаточная форма и требуемые геометрические параметры, после этого он направляется на обработку (если требуется полировка, размеры детали можно чуть-чуть расширить);
• проходит первичная обработка, в которую входит очистка от грязи, окисления и обезжиривается поверхность;
• нагрев и опускание в соленую смесь;
• после карбонитрации сталь охлаждается (можно использовать разные методы, применяя воду, масло, или оставляя на воздухе);
• остаточная очистка, промывание и просушка.

Такая технология становиться очень востребованной из-за ряда положительных качеств, выделяющих ее среди заменителей. К ним можно отнести:

1. Качество лицевого слоя. Карбонитридная структура существенно превосходит характеристики нитридных, так как она более эластичная и не такая непрочная.
2. Экологичность. Этот процесс наиболее чистый в экологическом плане среди заменителей, так как в процессе изготовления почти что не выделяются испарения.
3. Равномерность. В расплавленных солях металл одинаково нагревается, благодаря чему диффузные процессы намного качественные.
4. Отсутствие деформации. Температуры расплавленных солей недостаточно для того, чтобы на поверхности предмета появилось напряжение и случилась дефармация. Изначальные и конечные геометрические параметры детали не выделяются.
5. Увеличение устойчивость. Отделанные предметы становятся более устойчивыми к нагрузкам, влиянию коррозии и становятся наиболее долговечными. Любой из таких параметров может превысить первоначальные более чем на 70%.
6. Эластичность покрытия. Покрытие которое уже готово становится менее хрупким, что очень важно во время эксплуатации готовых деталей, особенно режущих кромок. При этом уменьшается показатель трения, что тоже намного повышает эксплуатационный срок.
7. При помощи карбонитрации сталь даже невысоких марок, пример, стали 20 марки, которые не выделяются характеристиками прочности, можно совершенствовать, приближая их свойства к показателям дорогих марок стали, которые труднее обрабатывать. Это дает возможность экономить не только на покупке сырья, но и на процессе обработки.
8. Отделанные детали не просят повторной обработки. После выполнения карбонитрации, деталь или предмет можно полностью использовать. В большинстве случаев требуется легкая обработка, которая не оказывает влияние на физические свойства.

Из-за безопасности и простоты технологии, ее можно исполнять даже дома, но легче воспользоваться услугами, которые представляют некоторые предприятия и маленькие мастерские. Тем более если требуется разовая обработка, так как нецелесообразно ставить специализированную печь и искать подходящую солевую смесь.

Аналогичная обработка очень популярна для следующих предметов:

• режущий инструмент, в том числе ножи, сверла для электрифицированного инструмента, фрезы для станков;
• формы для прессов, предусматривающих влияние большого давления;
• детали пары трения и зубчатых передач, в том числе шестерни, валы и колеса;
• детали и детали насосных установок.

Ассортимент обрабатываемых предметов регулярно возрастает, достаточно часто изготовители для верности отделывают весь спектр производимых деталей, независимо от того, требуется она либо нет. Это вызвано обычностью и условной недорогой ценой этой процедуры.

Свойства карбонитрированного слоя

Процесс карбонитрации очень простой, однако для успешного окончания обработки стоит строго держаться технологии и не пренебрегать ни одним из пунктов. По завершению готовый результат обязан иметь следующие свойства:

1. Толщина карбонидного слоя должна составлять более 0,01 мм и менее 0,6 мм.
2. Твердость полученного слоя должна подходить критериям диапазона 400-1200 HV.
3. Должна отсутствовать хрупкость отделанного слоя.
4. Показатель трения материала уменьшается более чем в 1,5 раза.
5. Устойчивость стали к изнашиванию должна увеличиться в 2 и боле раз.
6. Усталостная крепость отделанного материала увеличивается в 1,5 раза.
7. Отделаная деталь не должна терять форму, искривляться и коробиться.
8. Стойкость к процессам коррозии увеличивается более чем в несколько раз.

Если обработанный материал не отвечает хотя бы одному из указанных выше параметров, это может говорить о нарушении технологии выполнения и несоответствии готового результата с первыми требованиями.

К примеру, большой коэффициент трения плохо оказывает влияние на устойчивость к износу деталей, сохранность карбонидного слоя, сохранение параметров геометрии в результате эксплуатации и эксплуатационный срок.

Применяемое оборудование

Оборудование для карбонитрации продемонстрировано на рынке разными моделями, которые отличительны мощностью, степенью автоматизации и количеством проводимых работ. Для предприятий промышленности наиболее целесообразно подойдут модульные линии обработки, состоящих из подготовительного, ключевого, экологического модулей. Многие модели восполняются модулями промывки и охлаждения.

1. Предварительный модуль – состоит печи, в которую загружается смесь солей и обрабатываемый материал, в зависимости от требований может компоноваться оборудованием для мойки и обезжиривания деталей. На данном шаге детали готовятся к отделке, чистятся и подогреваются.
2. Ключевой – состоит из оборудования для карбонитрации. Может дополняться оборудованием в зависимости от типа обрабатываемых предметов. В этом модуле может быть поставлена печь 2-ух типов: печь-ванна и электронная, предусматривающие нагрев до 1000 градусов. Установка печи и иного оборудования выполняться поэтому, чтобы в случае неполадки их можно было быстро заменить.
3. Модуль охлаждения и промывки — на данном шаге отделанные детали охлаждаются в подходящей обстановке, и чистки от следов соли.
4. Экологичный – учитывает освобождение от отходов, фильтруя их и собирая в специализированных сливах.

На данное время можно найти оборудование хорошего качества как иностранного, так и российского производства, причем многие производители представляют услуги частного планирования. В процессе проектной разработки принимается во внимание требуемая мощность, кол-во процессов обработки, размеры и характерности производственного цеха и остальные желания клиента.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.