Способ парооксидирования изделий из сплавов на основе железа в псевдоожиженном слое

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к химико-термической обработке сплавов на основе железа, преимущественно полученных спеканием порошков, и может найти применение в машиностроении в основном с целью повышения сопротивления коррозии, а также повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя. Задачей изобретения является упрощение технологии процесса парооксидирования в псевдоожиженном слое. Данный способ включает нагрев изделий в печи в слое инертного материала, псевдоожиженного паром. Изделие предварительно подогревают до 150-200^oС в слое инертного материала, псевдоожиженного воздухом, а последующий нагрев осуществляют до 400-570^oС, при этом псевдоожижение паром осуществляют путем прерывистой подачи воды непосредственно в газораспределитель печи. Техническим результатом данного изобретения является устранение паронагревателя из технологической цепочки, улучшение самого процесса парооксидирования вследствие осуществления прерывистой подачи воды в рабочее пространство, сокращение времени процесса парооксидирования и повышение коррозионной стойкости порошковых изделий в 1,5-3,0 раза.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к химико-термической обработке сплавов на основе железа, преимущественно полученных спеканием порошков, и может найти применение в машиностроении в основном с целью повышения сопротивления коррозии, а также повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя.

Процесс парооксидирования заключается в окислении поверхности изделий при температурах 400-570^oС при обработке их водяным паром. Температура процесса зависит от требуемой толщины окисленного слоя, а также от степени легирования применяемых сплавов. Наиболее удобным является применение процесса парооксидирования для обработки порошковых изделий.

Известно, что порошковые изделия содержат большое количество пор, количество которых может достигать 16-20% и более, что зависит от технологии получения данных изделий [1]. В связи с этим порошковые изделия характеризуются низкой коррозионной стойкостью, т.к. при контакте с агрессивными жидкими средами происходит их проникновение по имеющимся порам вглубь изделия, что приводит к внутреннему окислению и ухудшению свойств порошковых изделий.

Венгерским химиком Жеки [2-5] был предложен способ обработки порошковых изделий перегретым водяным паром, в результате которого на поверхности изделий образуется окисная пленка, закрывающая поры и препятствующая проникновению жидкости вглубь изделия.

Однако этот способ имеет ряд недостатков, заключающихся в длительности процесса (6-8 часов) и недостаточно плотной пленке, получаемой при парооксидировании, которая состоит из плотного окисла Fе₃O₄ и рыхлого окисла Fе₂О₃.

Дальнейшее развитие способа парооксидирования связано с применением более интенсивных способов нагрева обрабатываемых изделий и, в частности, с применением кипящего слоя.

Применение кипящего слоя для парооксидирования порошковых деталей позволяет резко сократить время парооксидирования порошковых изделий примерно в 15 раз и получать более плотные пленки, состоящие из окисла Fе₃O₄, при этом наблюдается резкое увеличение коррозионной стойкости изделий, обработанных в кипящем слое, по сравнению с обычным парооксидированием, примерно в 6-8 раз.

Однако во всех известных способах парооксидирования для получения перегретого водяного пара применяется паронагреватель. Наиболее близким к заявляемому является способ парооксидирования изделий из сплавов на основе железа в псевдоожиженном слое [6], в котором применяется скоростной нагрев изделий (индукционный либо в кипящем слое). При этом нагрев изделий происходит в струе водяного пара до 400-550^oС и последующем охлаждении на воздухе.

Задачей заявляемого способа парооксидирования является упрощение технологии процесса парооксидирования в псевдоожиженном слое за счет устранения паронагревателя из технологической цепочки, улучшение самого процесса парооксидирования вследствие осуществления прерывистой подачи воды в рабочее пространство, сокращение времени процесса парооксидирования и повышение коррозионной стойкости порошковых изделий в 1,5-3,0 раза.

Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что процесс получения водяного пара с необходимой температурой достигается прерывистым дозированным введением воды непосредственно в рабочую камеру, предварительно нагретую до рабочей температуры при воздушном ожижении инертного материала (корунда). При псевдоожижении воздухом осуществляется нагрев садки до температуры выше температуры конденсации водяного пара (≈200^oС). Время выдержки определяется массой садки и мощностью печи. По окончании нагрева подача воздуха отключается и подается вода. При этом псевдоожижение паром имеет нестационарный характер. Сам процесс парооксидирования осуществляется в псевдоожиженном слое инертного материала (корунда) в интервале температур 400-570^oС в течение 15-60 мин. Пульсирующий поток пара обеспечивает пульсации давления паровой смеси, которые интенсифицируют процесс окисления и позволяют обрабатывать глубокие закрытые полости, соединяющиеся с поверхностью тонкими капиллярными каналами [7]. В первую очередь это касается порошковых изделий, пористость которых высока, причем отдельные поры могут объединяться в достаточно протяженные каналы, соединенные с внешней поверхностью изделий. Обработка таких каналов при стационарном воздействии невозможна ввиду их крайне высокого гидравлического сопротивления, а пульсация парогазовой среды позволяет организовать подвод окислителя. Нестационарное воздействие газовой среды с целью обработки внутренних полостей, соединяемых с поверхностью изделия капиллярными каналами (лопатки газовых турбин), известно [8].

Пульсация в упомянутом способе создается с помощью вибрации контейнера, в котором размещены изделия. Использование источника в конденсированном состоянии позволяет легко решить проблему прерывистой подачи окислителя и создание пульсации паровой среды. Прерывание потока осуществляется с помощью капельницы, клапанов, срабатывающих на переполнение емкости с водой, насосом-дозатором. Большая разница удельных объемов окислителя в конденсированном и парообразном состояниях позволяет, с одной стороны, обеспечить псевдоожижение в печах промышленных габаритов, а с другой - решить проблему прерывания с помощью микроустройств.

Изделия размещаются в слое электрокорунда, псевдоожижаемом паром, время процесса от 15 до 60 минут, нагрев в интервале температур 400-570^oС. Образование пара происходит в газораспределителе печи при прерывистой подаче в него воды из емкости, оснащенной устройством прерывания (капельница, клапан, микронасос-дозатор). При размещении холодной садки в слое, псевдоожижаемом паром, возможна конденсация пара на поверхности холодных изделий и образование "шубы" из частиц корунда, препятствующих быстрому нагреву и ухудшающих качество поверхности изделий. Поэтому целесообразно осуществлять предварительный подогрев садки выше температуры конденсации пара (≈200^oС). Это может быть осуществлено при начальном псевдоожижении слоя воздухом с последующим переводом на псевдоожижение паром.

По сравнению с прототипом достигается создание пульсации паровой среды до 10 кПа с частотой 0,1-1 Гц, что позволяет обрабатывать внутренние полости и интенсифицирует как процесс нагрева изделий, так и сам процесс окисления.

ПРИМЕР Согласно предлагаемому способу были обработаны порошковые изделия (шестерни) в электропечи с диаметром реторты 280 мм, высотой слоя корунда 1,5 м при подаче воды с помощью капельного устройства с расходом воды 3 л в час.

Изделия нагревались до температуры 550^oС в течение 30 минут. При этом получили однофазный слой Fе₃O₄ толщиной ≈50 мкм с твердостью HV≈470 - 700, в матрице HV≈175-200. Наблюдаемый привес составил 1,25.

Сравнительные эксперименты со стационарной продувкой пара показали, что при том же режиме обработки толщина слоя на 20% ниже, а глубокие поры не закрылись полностью.

Проведенные коррозионные испытания 10 изделий в 3%-ном NaCl показали, что следы коррозии наблюдались при стационарной продувке паром после 4 суток, а при нестационарной продувке - после 6-8 суток.

ЛИТЕРАТУРА 1. Анциферов В.Н., Акименко В.Б., Гревков Л.М. Порошковые легированные стали. - М.: Металлургиздат. 1991.

2. Szeki P. Metalloberflache. 1960, 9, 14, 266.

3. Szeki P. Hung Heavy Industry, 1964, 45, 37-40.

4. Szeki P. Mach Hayd Electr. Engng Oversaas, 1964, 36, 24, 34-35.

5. Szeki P. Abhandl, deusch, Akad. Wiss berlin, R, Math, Phys. And Techn., 1966, 1, 357.

6. Заваров А.С., Баскаков А.П., Грачев С.В., Файншмидт Е.М., Пирогов Ю. Б. Применение псевдоожиженного слоя для термической и химико-термической обработки. Металоведение и термическая обработка металлов. 10. 1984, с. 35-40.

7. Авт. св. 1321523, СССР, МКИ В 22 3/24. Файншмидт Е.М., Каржавин В.В., Кордюков И. и др. Способ парооксидирования спеченных изделий из порошков железа. Бюл. 27, 1987.

8. Алексеев Ю. Исследование и разработка печей и ванн с кипящим слоем для термической обработки малогабаритных изделий. Свердловск. УПИ. 1980.

9. Авт. св. 1316294, СССР. Способ алитирования в виброкипящем слое изделий. Баскаков А. П. , Векслер Ю.Г., Заваров А.С. и др. Зарег. 07.06.87 //Открытия, изобретения - 1987, 21, с.268.

Формула изобретения

Способ парооксидирования изделий из сплавов на основе железа, преимущественно порошковых, включающий нагрев изделий в печи в слое инертного материала, псевдоожиженного паром, отличающийся тем, что изделия предварительно подогревают до 150-200^oС в слое инертного материала, псевдоожиженного воздухом, а последующий нагрев осуществляют до 400-570^oС, при этом псевдоожижение паром осуществляют путем прерывистой подачи воды непосредственно в газораспределитель печи.