Способ защиты стальных отливок от обезуглероживания при термической обработке

Авторы патента:

Нищенков Александр Владимирович (RU)

C21D1/70 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2541253:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" НГТУ (RU)

Изобретение относится к литейному производству. Для повышения качества защиты стальных отливок от обезуглероживания, в частности минимизации толщины обезуглероженного слоя, отливки помещают в контейнер и засыпают их карбюризатором, в качестве которого используют смесь древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной композиции в соотношении (2,3-2,5):1, а количество карбюризатора составляет 20-25% объема садки. 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к литейно-металлургическому производству, а именно к термической обработке стальных отливок.

Известна защитная газовая среда для термообработки изделий из конструкционных легированных сталей, содержащая смесь водорода, азота и окиси углерода, отличающаяся тем, что, с целью устранения обезуглероживания поверхности изделий и повышения усталостной прочности, она получена путем неполного сгорания природного газа или смеси тяжелых углеводородов и имеет следующий состав: углекислый газ <0,1%; окись углерода 8-11%; водород 11-14%; метан <2%; азот - остальное; разновидность защитной газовой среды, отличающаяся тем, что она получена путем газификации древесного угля при температуре 700°C и имеет следующий состав: углекислый газ 0,1%; окись углерода 15-20%; водород 5%; азот - остальное [1].

Однако известная защитная среда имеет ряд недостатков. Повышается трудоемкость технологического процесса за счет введения операций по неполному сгоранию природного газа или смеси тяжелых углеводородов, которые являются дополнительными. Необходимо оборудование для проведения операций сжигания углеводородов и подачи продуктов сгорания на обрабатываемые изделия. Кроме того, высоки затраты на используемые материалы и энергетические ресурсы. Это повышает себестоимость получаемых в ходе обработки деталей.

Известен способ термической обработки деталей в закрытом приспособлении с фиксацией их положения, отличающийся тем, что, с целью устранения окисления, обезуглероживания и коробления мелкоразмерных деталей, фиксацию положения в нем осуществляют мелкодисперсным порошком, имеющим температуру плавления более 1500°C [2].

Данный способ имеет недостатки. Способ требует загрузки деталей в стаканчики из специальных дорогостоящих жароупорных материалов, которые обеспечивают изоляцию деталей от контакта со средой нагрева, и применения порошка, препятствующего смещению деталей внутри стаканчиков. При этом мелкодисперсный порошок с температурой плавления более 1500°C дефицитен и требует дополнительной подготовки перед использованием.

Известен состав для защиты заготовок от окисления при нагреве, состоящий из ферромарганца и ортофосфорной кислоты, отличающийся тем, что, с целью снижения обезуглероживания инструментальных марок стали, он содержит, вес.%: ортофосфорную кислоту 93,5-95, ферромарганец 5-6,5 [3].

Известный способ имеет ряд недостатков. Необходимы высокие затраты на приобретение веществ, входящих в состав смеси. Ортофосфорная кислота относится к веществам второго класса опасности, что представляет угрозу для персонала цехов.

Известен способ защиты металлических изделий от окисления и обезуглероживания при нагреве, включающий нанесение защитного покрытия, например стеклянного или эмалевого, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, поверхность изделия нагревают до 400-700°C, затем воздействуют потоком смеси продуктов сгорания топлива с порошком защитного покрытия. Покрытие наносят слоями, чередуя периоды нагрева и нанесения покрытия [4].

Однако известный способ характеризуется высокими трудоемкостью, материальными, энергетическими затратами и сложностью реализации. Кроме того, необходимо специальное оборудование для осуществления способа. Все это значительно повышает себестоимость получаемых изделий. Эмаль в расплавленном состоянии может представлять опасность для персонала цехов.

Наиболее близким к изобретению является способ термической обработки стальных отливок, полученных по выплавляемым моделям (и имеющих небольшие припуски и чистую поверхность), согласно которому отливки термообрабатывают в ящиках (контейнерах) с засыпкой их древесным углем или чугунной стружкой в качестве карбюризатора. При малых масштабах производства для его реализации применяют печи с окислительной средой, что, тем не менее, позволяет выдержать условия безокислительного нагрева [6].

Известный способ имеет недостатки. Необходимы высокие материальные затраты на приобретение карбюризатора (в частности, древесного угля), что повышает себестоимость обработанных отливок. Кроме того, в связи с несплошностью защитного слоя, образуемого карбюризатором, не гарантируется полная изоляция поверхности стальных отливок от доступа окислительной среды, что повышает вероятность обезуглероживания.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Решается задача снижения материальных затрат на приобретение карбюризатора.

Технический результат - повышение качества защиты стальных отливок от обезуглероживания, в частности минимизация толщины обезуглероженного слоя.

Технический результат достигается тем, что согласно способу защиты стальных отливок от обезуглероживания при термической обработке, включающему помещение отливок в контейнер и их засыпку карбюризатором, в качестве карбюризатора используют смесь древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной композиции в соотношении (2,3-2,5):1, а количество карбюризатора составляет 20-25% объема садки.

Карбюризатор, содержащий древесный уголь и отработанную парафино-стеариновую модельную композицию, представляющую собой смесь твердых предельных углеводородов метанового ряда, при проведении термической обработки отливок выполняет функцию защиты их поверхности от обезуглероживания.

На начальной стадии термообработки в условиях доступа кислорода протекают реакции горения: модельной композиции

и древесного угля

При этом компоненты карбюризатора, частично расплавляясь, обеспечивают физическую защиту поверхности стальных отливок от доступа кислорода воздуха.

Далее, когда кислород воздуха израсходован на протекание реакций (1) и (2), в прогретом рабочем пространстве термической печи создаются условия для безокислительного нагрева и формирования анаэробной восстановительной атмосферы из-за протекания химических реакций:

Таким образом, засыпка стальных отливок, подвергаемых термической обработке, карбюризатором из древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной композиции минимизирует доступ кислорода к поверхности отливок и естественным путем, без применения дополнительного оборудования и необходимости вложения средств, создает защитную атмосферу, предотвращающую их окисление и обезуглероживание. Кроме того, получение «сухого» водорода (водорода Н₂↑ без водяного пара H₂O↑) по реакции (6) в рабочем пространстве печи способствует повышению ресурса работы ее нагревательных элементов.

В результате затраты на термообработку стальных отливок уменьшатся при обеспечении высокого качества обрабатываемых заготовок.

Содержание древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной композиции в карбюризаторе в соотношении более (2,3-2,5):1 экономически нецелесообразно. Содержание древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной композиции в карбюризаторе в соотношении менее (2,3-2,5):1 приводит к необходимости проведения дополнительной очистки отливок от остатков модельной композиции, не прореагировавших с кислородом атмосферы рабочего пространства нагревательной термической печи.

Количество карбюризатора менее 20% от объема садки не обеспечивает гарантированной защиты от обезуглероживания и окисления поверхности стальных отливок. Количество карбюризатора более 25% от объема садки приводит к необходимости проведения дополнительной очистки отливок от остатков модельной композиции, не прореагировавших с кислородом атмосферы рабочего пространства нагревательной термической печи.

Пример осуществления способа.

Проводилась нормализация отливок массой до 0,3 кг, загруженных в контейнер, полученных литьем по выплавляемым моделям, из стали 45Л ГОСТ 977-88. Термическая обработка осуществлялась по режиму 850-870°C (воздух) в течение двух часов в печи СНО-20.4,0.1,4/10. Перед загрузкой садки на дно контейнера засыпался слой измельченного карбюризатора толщиной 1-2 см. Далее в контейнер загружалась садка и засыпалась сверху плотным слоем измельченного карбюризатора. При этом карбюризатор содержал древесный уголь и отработанную парафино-стеариновую модельную композицию ПС 50/50 в различных соотношениях от 1:1 до 4:1. Его количество составляло 15-30% объема садки. Толщина обезуглероженного слоя на отливках опытной садки контролировалась металлографическим методом.

Результаты промышленных испытаний, проведенных согласно предлагаемому способу, представлены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, соответствие требованиям по толщине обезуглероженного слоя и отсутствие необходимости последующей очистки отливок от остатков отработанной парафино-стеариновой модельной композиции обеспечиваются при содержании в карбюризаторе древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной композиции в соотношении (2,3-2,5):1 и количестве карбюризатора, составляющем 20-25% объема садки.

Испытания показали эффективность предлагаемого способа при высоком качестве отливок, в частности с минимальной толщиной обезуглероженного слоя, и пониженными материальными затратами на приобретение карбюризатора.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №109248, 18 с, 3, 1957.

2. Авторское свидетельство СССР №293853, C21D 9/22, 1971.

3. Авторское свидетельство СССР №395442, C21D 1/68, 1973.

4. Авторское свидетельство СССР №749913, С21В 1/70, 1980.

5. Иванов В.Н. Литье по выплавляемым моделям / В.Н. Иванов, С.А. Казеннов, Б.С. Курчман и др.; под общ. ред. Я.И. Шкленника, В.А. Озерова. - М.: Машиностроение, 1984. - С.301. - прототип.

Таблица 1
Соотношение компонентов карбюризатора по массе	Количество карбюризатора, % объема садки	Соответствие требованиям чертежа по толщине обезуглероженного слоя	Примечание
древесный уголь	отработанная модельная композиция (ОМК)
1,0	1,0	15	нет	поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
		20	нет	поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
		25	нет	поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
30	нет	поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
1,5	1,0	15	нет	поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
		20	нет	поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
		25	нет	поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
30	нет	поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
2,3-2,5	1	15	нет	поверхность отливок не требует очистки от остатков ОМК
		20	Да	поверхность отливок не требует очистки от остатков ОМК
		25	да	поверхность отливок не требует очистки от остатков ОМК
30	да	поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
4,0	1,0	15	да	поверхность отливок не требует очистки от остатков ОМК
		20	да	поверхность отливок не требует очистки от остатков ОМК
		25	да	поверхность отливок не требует очистки от остатков ОМК
30	да	поверхность отливок не требует очистки от остатков ОМК

Способ защиты стальных отливок от обезуглероживания при термической обработке, включающий помещение отливок в контейнер и их засыпку карбюризатором, отличающийся тем, что в качестве карбюризатора используют смесь древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной композиции в соотношении (2,3-2,5):1, а количество карбюризатора составляет 20-25% объема садки.

Изобретение относится к способу контроля охлаждения движущейся полосы (в) в охлаждающей секции линии непрерывной обработки и к охлаждающей секции непрерывной обработки полосы.

Способ закалки цилиндрических инструментальных оправок // 2539552

Изобретение относится к области металлообработки и может найти применение в машиностроении. Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик оправок за счет значительного повышения их жёсткостных и демпфирующих параметров.

Способ лазерного упрочнения плоской заготовки // 2537429

Изобретение относится к способу лазерного упрочнения плоской заготовки и может быть использовано для формирования поверхностных слоев материалов путем термообработки.

Способ упрочнения поверхности стальных изделий // 2536854

Изобретение относится к термической поверхностной обработке чугуна и стали, в частности к методам упрочнения с помощью электрической дуги. Для повышения износостойкости деталей машин и различного режущего инструмента осуществляют нагрев изделия электрической дугой переменного тока с прямоугольной формой импульсов, при этом регулируют тепловложение дуги путем изменения силы или частоты тока в положительной и отрицательной полуволнах тока с изменением их продолжительности, что позволяет в каждом конкретном случае в зависимости от изделия получить желаемую глубину закаленного слоя с нужной шириной закаленной полосы при максимальной производительности.

Гомогенизация мартенситной нержавеющей стали после переплавки под слоем шлака // 2536574

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения сопротивления усталости способ изготовления нержавеющей мартенситной стали содержит этап электрошлаковой переплавки слитка упомянутой стали, а затем этап охлаждения упомянутого слитка.

Способ изготовления горячекатаной стальной ленты и стальная лента // 2535890

Изобретение относится к области металлургии, в частности способу изготовления горячекатаной стальной ленты толщиной 2-12 мм из низколегированной стали с содержанием углерода 0,04-0,08 вес.% и содержащем также ниобий и титан.

Способ защиты поверхности деталей при нагреве в печах // 2535818

Изобретение относится к способам защиты поверхности деталей во время их термической обработки. Способ защиты поверхности металлических деталей при нагреве в печах включает помещение деталей в емкость, засыпку их стружкой, закрывание емкости крышкой и нагрев.

Способ термической обработки инструмента из быстрорежущей стали // 2535817

Изобретение относится к области термической обработки быстрорежущих сталей и может быть использовано преимущественно для термической обработки длинномерного инструмента и инструмента сплошной формы.

Способ упрочнения изнашиваемых поверхностей деталей // 2534885

Изобретение относится к области термомеханической обработки деталей и может быть использовано для упрочнения рабочих трущихся поверхностей рельс и колес подвижного состава, в частности изобретение относится к способу упрочнения изнашиваемых поверхностей деталей, преимущественно поверхности катания и гребня железнодорожных колесных пар.

Способ нагрева и закалки зубчатых колес и устройство для его осуществления // 2534047

Изобретение относится к области индукционного нагрева и термообработки деталей сложной формы, при проведении которой используют комбинацию различных режимов индукционного нагрева, характеризуемых различными частотами тока.

Способ упрочнения поверхности металлических изделий // 2541325

Изобретение является способом и относится к технологии модификации поверхностных слоев изделий из металлических материалов. Изобретение может быть использовано для модификации поверхности металлообрабатывающего инструмента и деталей машин в инструментальной, сельскохозяйственной, автомобильной, металлургической промышленности и др. Модификация химического состава и структуры поверхностного слоя осуществляется с целью его упрочнения и улучшения других эксплуатационных качеств. Поставленная задача решается путем введения в состав поверхностных слоев изделия легирующих химических элементов и уменьшения размера частиц образующих поверхностный слой при обработке поверхности изделия импульсными потоками плазмы с одновременным воздействием на поверхность импульсов электрического тока акустических колебаний и магнитного поля. Для оптимизации процесса обработки обрабатываемая поверхность управляемым способом подключается к электрической сети анодом или катодом. Управление полярностью подключения осуществляется при введении в состав плазмообразующей среды горючей газовой смеси. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 ил.

Способ термической обработки режущего инструмента из быстрорежущих сталей // 2543027

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для термической обработки режущего инструмента, например протяжек небольшого диаметра, метчиков и других мелких инструментов. Для повышения прочности, вязкости и незначительного снижения красностойкости, например, с умеренными, при эксплуатации инструмента, скоростями резания, инструмент получают из прутка диаметром 25 мм и менее, осуществляют предварительный подогрев инструмента в соляной ванне, затем окончательный нагрев в хлорбариевой ванне до температуры, на 30-50°C ниже обычной температуры нагрева под закалку, охлаждение с обеспечением балла зерна не крупнее 12, многократный отпуск с обеспечением твердости не ниже 56 HRC и незначительного понижения красностойкости. 2пр.

Способ упрочнения резьбы // 2545473

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологии упрочнения резьбовых изделий с трапецеидальной резьбой, и может быть использовано для упрочнения резьбы в изделиях, работающих при повышенных нагрузках. Для обеспечения упрочнения трепецеидальной резьбы, повышения производительности и качества процесса осуществляют нагрев участка резьбы с помощью источника нагрева в виде лазера, формирование пятна лазерного луча на дне резьбовой канавки по ее центру, перемещение лазерного луча относительно продольной оси при вращении изделия при величине перемещения лазерного луча, равной величине шага резьбы за один оборот вращения, при этом формирование пятна лазерного луча осуществляют сканирующим лазерным лучом с частотой его сканирования 200÷600 Гц вдоль оси вращения и амплитуде сканирования, равной 0,6÷0,8 шага резьбы. 1 ил.

Способ изготовления текстурированного листового стального изделия // 2547377

Изобретение относится к способу изготовления текстурированного листового стального изделия с минимизированными потерями на перемагничивание и оптимизированными магнитострикционными свойствами. Способ способ включает этапы: a) получение листового стального изделия, b)лазерную обработку листового стального изделия лазерным лучом мощностью P, при этом в ходе лазерной обработки на поверхности листового стального изделия формируют линейные деформации, располагаемые с интервалом а. На этапе b) измеряют полную мощность S1,7/50 листового стального изделия до и после проведения лазерной обработки, при этом параметры лазерной обработки варьируют таким образом, чтобы разность между измеренными величинами полной мощности S1,7/50 до и после проведения обработки составляла менее 40%. Технический результат заключается в оптимизации технических характеристик стальных листовых изделий для производства деталей трансформаторов. 10 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Способ термомеханической обработки экономнолегированных сталей // 2548339

Изобретение относится к области термомеханической обработки и может быть использовано для изготовления ответственных элементов конструкций, крепежных изделий различного назначения. Для повышения комплекса механических свойств конструкционных сталей с устранением склонности их к обратной отпускной хрупкости и достижения высоких механических и эксплуатационных свойств заготовку из стали 35ХГСФ подвергают холодной пластической деформации со степенями обжатия 10-30%, затем её нагревают до субкритических температур Ac1 - (5÷5)°C со скоростью 5÷20 град/мин и выдержкой при этих температурах 1,5÷3 часа. Далее с субкритической температуры производят нагрев заготовки под закалку до температуры Ac3+(30÷40)°C, закаливают в масло и подвергают отпуску при 500÷550°C. 1 табл.

Способ быстрого нанесения насечек с помощью лазера // 2548544

Изобретение относится к быстродействующему способу лазерного нанесения насечек, при котором используется установка лазерного устройства для одновременного нанесения линий насечек на верхнюю и на нижнюю поверхности полосы текстурированной кремнистой электротехнической стали, подаваемой и продвигаемой вперед по производственной линии, с помощью луча лазера непрерывного действия с высокой степенью фокусировки, при этом линии насечек, нанесенные на верхнюю поверхность, и линии насечек, нанесенные на нижнюю поверхность, имеют одинаковое расстояние между соседними линиями насечек, но смещены относительно друг друга для равномерного снижения потерь в железе. Расстояние между соседними линиями насечек на одной и той же поверхности составляет 6÷12 мм, мощность лазера составляет 1000÷3000 Вт, а скорость сканирования составляет 100÷400 м/мин. Производительность такого способа нанесения насечек и такого устройства в 1,5-2 раза превышает производительность обычных способов нанесения насечек, которые не позволяют одновременное синхронное нанесение насечек на верхнюю и нижнюю поверхности стальной полосы. Линии насечки, нанесенные на стальной полосе таким способом, могут снижать потери в железе стальной полосы на 10-16%. 1 табл., 4 ил.

Способ термической обработки инструмента из быстрорежущей стали в соляных ваннах // 2549796

Изобретение относится к области термической обработки и может найти применение в машиностроении. Для повышения качества поверхности деталей благодаря повышению эффективности действия титана по раскислению расплава, особенно качества поверхности острых кромок инструмента с сохранением их высокой твердости, осуществляют погружение инструмента в расплав соли, нагревают его до температуры термообработки и затем охлаждают, при этом расплав соли в ванне раскисляют титаном. Новым является то, что раскисляют слой расплава, контактирующий с инструментом, для чего перед погружением в расплав соли инструмент упаковывают в титановую фольгу, так что расстояние между титановой фольгой и поверхностью инструмента не более 5 мм. 1 пр.

Способ ультразвукового поверхностного упрочнения деталей из конструкционных сталей в жидкой среде // 2550684

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения поверхностной твердости деталей без нарушения качества поверхности деталь подвергают ультразвуковому воздействию в емкости с жидкой средой с помещенным в ней источником акустического излучения с частотой акустических колебаний fрц 20-30 кГц в течение τ=30-45 минут с амплитудой колебательных смещений ξ=7-40 мкм. При обработке деталей из стали 40X амплитуду колебательных смещений выбирают в пределах ξ=15-40 мкм. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 22 пр.

Сепаратор отжига для производства текстурированной электротехнической стали с зеркальной поверхностью и высокими магнитными свойствами // 2552791

Изобретение относится к производству текстурированных листов из электротехнической стали, в частности к сепаратору отжига. Сепаратор отжига имеет следующий состав, мас.%: порошок Al2O3 - 77-98, порошок оксида щелочноземельного металла - 1-8, хлорид щелочного металла и/или хлорид щелочноземельного металла - 1-15. Технический результат заключается в исключении образования стекловидного подслоя на поверхности стального листа в процессе высокотемпературного отжига и получении листа с гладкой поверхностью и стабильными магнитными свойствами. 3 з.п. ф-лы, 3 табл., 4 ил.

Способ упрочнения изделий из низкоуглеродистой стали // 2553107

Изобретение относится к области цементации стальных изделий и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и механизмов из низкоуглеродистой стали. Осуществляют цементацию изделий в твердом карбюризаторе, охлаждение, двойную закалку и низкотемпературный отпуск. Цементацию проводят при 900°C. В качестве твердого карбюризатора используют состав, содержащий в мас. %: чугунную стружку со средним размером гранул 0,5 мм - 10, карбонат бария ВаСО3 - 10 и углеродное вещество волокнистой структуры - 80, состоящее из, в мас. %, железа - 10, водорода - 0,8 и углерода - 89,2, которое получено термокаталитическим пиролизом попутного нефтяного газа Баядынского месторождения в условиях контакта с железооксидным катализатором при температуре 660°C , объемной скорости подачи сырья 1000 часов-1 в течение 3 часов с последующим отсевом фракции 100-250 мкм путем фракционирования образовавшейся массы на молекулярных ситах. После цементации осуществляют охлаждение изделий до 100°C, затем проводят двойную закалку, включающую проведение первой закалки при температуре 820°C, а второй закалки - при температуре 770°C, после которой проводят низкий отпуск при температуре 150°C. Обеспечивается требуемое диффузионное насыщение углеродом, достигается равномерность глубины слоя по площади изделия, снижение энергетических затрат, а также необходимость в охлаждении водным раствором охлаждающей жидкости и добавке эмульгатора. 3 табл.