Состав карбюризатора для цементации деталей из низкоуглеродистой стали

Изобретение относится к области цементации стальных изделий и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и механизмов путем их термообработки в среде твердого карбюризатора. Состав карбюризатора для цементации изделий из низкоуглеродистой стали содержит, в мас.%: чугунную стружку со средним размером гранул 0,5 мм - 10, карбонат бария ВаСО₃ - 10 и углеродное вещество – 80. Углеродное вещество состоит из, в мас.%: аморфного углерода - 96,2, кристаллического углерода - 2,85, железа - 0,94 и водорода - 0,01 и получено термокаталитическим пиролизом газового конденсата, отобранного с конденсатосборника газораспределительной станции, в условиях контакта с железооксидным катализатором Fe₂O₃ при температуре 550°С, объемной скорости подачи сырья 30 мл/мин, в течение 5 ч, с последующим отсевом фракции 50-150 мкм путем фракционирования образовавшейся массы на молекулярных ситах. Обеспечивается требуемое диффузионное насыщение углеродом, достижение равномерности глубины слоя по площади изделия и снижение энергозатрат. 2 пр.

 

Изобретение относится к области цементации стальных изделий и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и механизмов путем их термообработки в среде твердого карбюризатора.

Известен способ термообработки стальных деталей для повышения их прочностных показателей, заключающийся в насыщении поверхностного слоя углеродом при температуре нагрева 930-950°С, с последующей закалкой в масле и низкотемпературным отпуском (Патент 2087550 Российской Федерации, МПК C21D 1/42, С23С 8/22. Способ термической обработки деталей из легированной стали / заявитель и патентообладатель АО «АвтоВАЗ» - №95114513/02; заявл. 04.08.1995; опубл. 20.08.1997).

Реализация данного способа требует дополнительного проведения высокотемпературного отпуска термообработанной стальной детали, закалки токами высокой частоты, использования 5-10% водного раствора охлаждающей жидкости с добавкой эмульгаторов и последующего низкотемпературного отпуска.

Известен состав в виде пасты, содержащий сажу и до 55% карбамида, применяемый в интервалах температур 550-600°С (Патент 2254396 Российской Федерации, МПК С23С 8/76. Способ нитроцементации металлов в пастах / заявитель и патентообладатель Курская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. И.И. Иванова - 2003128356/02; заявл. 19.09.2003; опубл. 20.06.2005). Состав применим к ограниченному количеству сталей и недостаточно эффективен при высокотемпературной цементации.

Прототипом является состав, содержащий чугунную стружку, карбонат бария и углеродное вещество, полученное термокаталитическим пиролизом

газообразного сырья в условиях контакта с железооксидным катализатором и последующим фракционированием образовавшейся углеродной массы на молекулярных ситах (2553107 Патент на изобретение Российской Федерации, МПК С23С 8/66 (2006.01). Способ упрочнения изделий из низкоуглеродистой стали / заявитель и патентообладатель ООО «Газпром трансгаз Уфа» - №2013147091/02(073215); заявл. 23.10.2013; опубл. 10.06.2015).

Недостатком прототипа является относительно невысокий выход углеродного вещества, поскольку соотношение атомарного количества углерода к водороду в молекуле газа ниже, чем в молекуле жидкого углеводородного сырья. Также к недостатку следует отнести повышенные энергозатраты для проведения термокаталитического пиролиза газа при повышенных значениях температуры из-за относительно высокой термостабильности молекул газообразного углеводородного сырья.

Техническим результатом предлагаемого изобретения являются обеспечение требуемого диффузионного насыщения углеродом, достижение равномерности глубины слоя по площади изделия и снижение энергозатрат.

Технический результат достигается тем, что в известном составе карбюризатора для цементации изделий из низкоуглеродистой стали, содержащем карбонат бария и чугунную стружку, используют углеродное вещество - продукт термокаталитического разложения газового конденсата, образующегося при дросселировании и отделяющегося при продувке штатной системой очистки транспортируемого по магистральным трубопроводам газа на газораспределительной станции и головном газораспределительном пункте. Физико-химические свойства газового конденсата представлены в таблице 1.

Углеродное вещество получено согласно изобретению, термокаталитическим пиролизом газового конденсата в условиях контакта с железооксидным катализатором Fe₂O₃ при температуре 550°С и атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья 30 мл/мин, в течение 5 ч, с

последующим отсевом фракции 50-150 мкм путем фракционирования образовавшейся массы на молекулярных ситах.

Пример. В кварцевый реактор объемом 1 л загружают 10 г оксида железа Fe₂O₃, нагревают при атмосферном давлении до 550°С, затем осуществляют термокаталитический пиролиз путем дозированной подачи 30 мл/мин в слой Fe₂O₃ газового конденсата, отобранного при продувке с конденсатосборника ГРС-3. Фракционный состав газового конденсата приведен в таблице 1. Через 5 ч процесс пиролиза останавливают. Образовавшееся углеродное вещество состоит из, в масс. %: аморфного углерода - 96,2, кристаллического углерода - 2,85, железа - 0,94, водорода - 0,01 и имеет сажевую структуру, о чем свидетельствуют результаты электронно-микроскопического анализа. При этом обеспечивается равномерное распределение атомов железа по всей структуре углеродного вещества, физико-химические свойства которого приведены в таблице 2. Далее полученное углеродное вещество охлаждают до 20°С и подвергают фракционированию на молекулярных ситах, отбирая при этом фракцию 50-150 мкм.

Карбюризатор для цементации готовят путем добавления в углеродное вещество (80% масс.) чугунной стружки со средним размером гранул 0,5 мм (10% масс.), карбоната бария ВаСО₃ (10% масс.) и равномерного перемешивания.

Демонтированный шестеренчатый вал редуктора КАМАЗа, изготовленный из стали марки Ст20, помещают в металлический контейнер, на дно которого засыпан слой карбюризатора толщиной 30 мм. После укладки детали засыпают сверху слоем карбюризатора толщиной 30 мм. Карбюризатор плотно утрамбовывают. Сверху укладывают лист асбеста, засыпают его кварцевым песком. Контейнер закрывают крышкой и обеспечивают его герметизацию путем обмазывания огнеупорной глиной. Далее контейнер с уложенными деталями устанавливают в нагретую до температуры цементации 900°С электрическую камерную печь

сопротивления СНО-4.8.4/10И1 и выдерживают в ней до 7 ч в зависимости от требуемой толщины слоя цементации.

После окончания стадий цементации, охлаждения до 100°С и разгрузки, детали подвергают двойной закалке и отпуску. Первая закалка, необходимая для исправления структуры сердцевины детали, испытывающей в процессе цементации перегрев, производится при температуре 820°С. Вторая закалка при температуре 770°С придает высокую твердость поверхностному слою детали. Низкий отпуск для снятия температурных напряжений - при температуре 150°С.

Контроль качества осуществляют по эффективной толщине слоя цементации, которая определяется по его твердости и структуре. Замер твердости производится методом экспресс-анализа с помощью ультразвукового твердомера MIC10. Границей зоны цементации является структура, состоящая из перлита и феррита в равных пропорциях, и соответствующая концентрации углерода - 0,4% общей массы. Оценка толщины слоя цементации принимается по твердости термически обработанных образцов в присутствии твердого карбюризатора, за конец зоны слоя цементации принимается зона с твердостью 40-45 НRC_Э. Результаты испытаний представлены в таблице 3.

Достигнутые значения глубины слоя цементации и показателя твердости по шкале Бринелля (НВ) показывают, что предлагаемый карбюризатор обеспечивает равномерную глубину цементации образца и позволяет снизить энергозатраты за счет использования для получения углеродного вещества газового конденсата вместо дефицитного газового сырья.

Изобретение может найти широкое применение в различных областях газовой промышленности, машиностроения и металлургии.

Состав карбюризатора для цементации изделий из низкоуглеродистой стали, содержащий, в мас.%: чугунную стружку со средним размером гранул 0,5 мм - 10, карбонат бария ВаСО₃ - 10 и углеродное вещество - 80, отличающийся тем, что углеродное вещество состоит из, в мас.%: аморфного углерода - 96,2, кристаллического углерода - 2,85, железа - 0,94 и водорода - 0,01 и получено термокаталитическим пиролизом газового конденсата, отобранного с конденсатосборника газораспределительной станции, в условиях контакта с железооксидным катализатором Fe₂O₃ при температуре 550°С, объемной скорости подачи сырья 30 мл/мин, в течение 5 ч, с последующим отсевом фракции 50-150 мкм путем фракционирования образовавшейся массы на молекулярных ситах.