Способ науглероживания под низким давлением изделий из сплавов железа и других металлов

Изобретение относится к способу науглероживания под низким давлением (LPC) стальных изделий в вакуумной печи, состоящей из камер нагрева, науглероживания и диффузии, устройства для непрерывной поточной термохимической обработки поверхности, включающему размещение в камере науглероживания вакуумной печи стальных изделий, введение импульсами газообразного носителя углерода. Науглероживание стальных изделий проводят с постоянным рабочим тактом и насыщением при температуре от 820°С до 1200°С в газообразном носителе углерода при последовательном их перемещении через все положения в камере науглероживания. Введение газообразного носителя углерода импульсами осуществляют в последовательности во времени, синхронизированной со временем рабочего такта для каждого из положений в камере науглероживания. Затем стальные изделия перемещают в камеру диффузии вакуумной печи, после чего стальные изделия по отдельности охлаждают в азоте под давлением 0,3 МПа и закаляют при 180°С. Обеспечивается формирование науглероженных слоев с неограниченным распределением градиента концентраций углерода за счет регулирования технологических параметров, что особенно важно при использовании повышенных температур, что сокращает время протекания процесса и снижает затраты. 4 з.п. ф-лы, 2 пр.

 

Изобретение относится к способу науглероживания под низким давлением (LPC, от английского - low pressure carburizing) изделий из сплавов железа и других металлов в устройстве для непрерывной, поточной термохимической обработки поверхности изделий.

В патенте US 5205873 описан способ науглероживания под низким давлением в камере печи, нагретой до температуры от 820°С до 1100°С. Способ начинается в камере, в которой создан изначальный вакуум около 10^-1 гПа, чтобы удалить воздух. Затем после заполнения камеры чистым азотом в нее загружают изделия, подлежащие науглероживанию. После помещения загрузки в камеру в ней создают вакуум около 10^-2 гПа, и нагревают загрузку до температуры аустенизации. Поддерживают такую температуру до ее выравнивания в изделиях, подлежащих науглероживанию, после чего заполняют камеру водородом до достижения давления 500 гПа. Затем вводят этилен в качестве носителя под давлением от 10 до 100 гПа, и формируют смесь газов из водорода и этилена, на долю которого приходится от 2% до около 60% объема смеси.

В патенте US 6187111 В1 описан способ науглероживания изделий из стали в камере печи, в которой создан вакуум от 1 до 10 гПа, а температура, при которой происходит науглероживание, составляет от 900°С до 1100°С. Носителем углерода в этом способе является газообразный этилен.

В патентах US 5702540 и ЕР 0882811 В1 описаны способы вакуумного науглероживания изделий из сплавов железа, осуществляемые в вакуумных печах под давлением от 1 до 50 гПа, при этом в горячей камере печи создается среда углерода из метана, пропана, ацетилена или этилена. Эти соединения используются по отдельности или в смесях. Обычно при этом применяются два способа обеспечения фаз насыщения углеродом и диффузии. Согласно первому из них, называемому импульсным способом, среда науглероживание циклами дозируется в камеру вакуумной печи, после чего происходит удаление продуктов реакции, пока в камере не будет достигнут технический вакуум, который затем поддерживается в течение нескольких минут подряд. Число импульсов зависит от толщины создаваемой науглероженной поверхности и составляет от нескольких до нескольких десятков. Вторым способом является способ впрыскивания, который состоит в непрерывном дозировании среды науглероживания посредством системы сопел непосредственно на загрузку в камере вакуумной печи в течение фазы науглероживания. В течение этой фазы поддерживается постоянное рабочее давление содержащей углерод среды, и после каждой фазы науглероживания происходит диффузия. Число циклов в этом способе составляет от одного до нескольких.

В патенте PL 202271 В1 описан способ науглероживания стальных изделий в вакуумных печах в не содержащей кислорода среде при пониженном давлении, в котором фаза науглероживания протекает в среде из смеси этилена или пропана или ацетилена с водородом в объемом соотношении от 1,5 до 10 в течение от 5 до 40 минут с модуляцией давления в пределах от 0,1 кПа до 3 кПа, при этом время повышения давления в 3-20 раз превышает время снижения давления.

В патенте PL 204747 В1 описан способ науглероживания стальных изделий, в основном деталей станков, транспортных средств и других механических устройств в вакуумных печах при сниженном давлении и повышенной температуре. Способ науглероживания стальных деталей при сниженном давлении состоит во введении носителя активного азота во время нагрева загрузки. Введение носителя активного азота прекращается, когда температура загрузки достигает уровня, требуемого для начала процесса науглероживания, после чего подают носитель углерода. За время введения носителя активного азота в камере печи следует поддерживать давление от 0,1 до 50 кПа.

Кроме того, в польской патентной заявке Р.411158 описана многокамерная печь для вакуумного науглероживания и закалки потока изделий, поступающих через соединенные рабочие камеры.

В соответствии с изобретением сущность предложенного способа науглероживания под низким давлением (LPC) поверхности стальных изделий в вакуумной печи, состоящей из камер нагрева, науглероживания и диффузии устройства для непрерывной, поточной термохимической обработки поверхности, включающей размещение в камере науглероживания вакуумной печи стальных изделий в ведение импульсами газообразного носителя углерода, согласно изобретению, науглероживание стальных изделий проводят с постоянным рабочим тактом и насыщением при температуре от 820°С до 1200°С в газообразном носителе углерода, при последовательном их перемещении через все положения в камере науглероживания, при этом введение газообразного носителя углерода импульсами осуществляют в последовательности во времени, синхронизированной со временем рабочего такта для каждого из положений в камере науглероживания, затем стальные изделия перемещают в камеру диффузии вакуумной печи, после чего стальные изделия по отдельности охлаждают в азоте под давлением 0,3 Мпа и закаляют при 180°С.

Газообразный носитель углерода предпочтительно вводят в газообразный носитель углерода в виде последовательности, состоящей из 1 до 5 импульсов за рабочий такт.

Газообразный носитель углерода также предпочтительно вводят импульсами при скорости потока от 0,1 до 100 дм³ в минуту и длительности импульсов от 1 до 300 секунд.

Кроме того, газообразный носитель углерода предпочтительно вводят при постоянном абсолютном давлении от 0,2 до 10 гПа.

Помимо этого, газообразным носителем углерода предпочтительно является углеводород, например, ацетилен или смесь углеводородов.

В соответствии с изобретением этот способ науглероживания обеспечивает формирование науглероженных слоев с неограниченным распределением градиента концентраций углерода за счет регулирования следующих технологических параметров: температуры, давления, длительности рабочего такта и импульса, а также потока газообразного носителя углерода. Этот в особенности важно при использовании повышенных температур, что сокращает время протекания процесса и снижает затраты.

Пропуск рабочих тактов во время генерирования импульсов: если рабочие такты не пропускаются, импульсы газа являются одинаковыми во время каждого рабочего такта; при пропуске одного рабочего такта импульс генерируется в течение каждого второго рабочего такта; при пропуске двух рабочих тактов импульс генерируется в течение каждого третьего рабочего такта, и т.д.

Пример 1

Поместили партию одинаковых зубчатых колес из стали марки 16MnCr5 весом 2,49 кг и с площадью поверхности 0,054 м² в вакуумную печь с рабочим тактом длительностью 180 секунд и поточной подачей изделий, состоящую из трех рабочих камер, соответственно, для нагрева, науглероживания и диффузии, каждая из которых имела 15 положений. Зубчатые колеса последовательно перемещались через все положения трех камер, начиная с камеры нагрева, затем камеры науглероживания и камеры диффузии. В камере нагрева они нагревались до температуры 950°С. Затем в камере науглероживания, нагретой до температуры 950°С, происходило науглероживание зубчатых колес под низким давлением путем введения ацетилена в течение 8 секунд со скоростью потока 16 дм³ в минуту в течение каждого из 180-секундных рабочих тактов для каждого из 15 положений. После этого зубчатые колеса поступали в камеру диффузии, в которой они находились при температуре 950°С в 10 положениях, а температура в остальных 5 положениях была снижена до 860°С. Затем зубчатые колеса были по отдельности охлаждены в азоте под давлением 0,3 МПа и закалены при 180°С в сопутствующем устройстве.

У всех зубчатых колес была получена равномерная науглероженная поверхность стандартной толщины 0,60±0,02 мм, измеренной на боковой поверхности зубчатых колес, с надлежащей мартенситной микроструктурой без осаждения карбида в подповерхностной области.

Поверхность науглероженных изделий имела металлический блеск, а оборудование печи не было загрязнено продуктами реакции углерода.

Пример 2

Поместили партию одинаковых зубчатых колес из стали марки 16MnCr5 весом 1,66 кг и с площадью поверхности 0,07 м² в вакуумную печь с рабочим тактом длительностью 90 секунд и поточной подачей изделий, состоящую из трех рабочих камер, соответственно, для нагрева, науглероживания и диффузии, каждая из которых имела 15 положений. Зубчатые колеса последовательно перемещались через все положения трех камер, начиная с камеры нагрева, затем камеры науглероживания и камеры диффузии. В камере нагрева они нагревались до температуры 1040°С. Затем в камере науглероживания, нагретой до температуры 1040°С, происходило науглероживание зубчатых колес под низким давлением путем введения ацетилена в течение 10 секунд со скоростью потока 22 дм³ в минуту в течение каждого из 90-секундных рабочих тактов для каждого из 15 положений. После этого зубчатые колеса поступали в камеру диффузии, в которой они находились при температуре 1040°С в 10 положениях, а температура в остальных 5 положениях была снижена до 860°С. Затем зубчатые колеса были по отдельности охлаждены в азоте под давлением 0,3 МПа и закалены при 180°С в сопутствующем устройстве.

У всех зубчатых колес была получена равномерная науглероженная поверхность стандартной толщины 0,65±0,02 мм, измеренной на боковой поверхности зубчатых колес, с надлежащей мартенситной микроструктурой без осаждения карбида в подповерхностной области.

Поверхность науглероженных изделий имела металлический блеск, а оборудование печи не было загрязнено продуктами реакции углерода.

1. Способ науглероживания под низким давлением (LPC) поверхности стальных изделий в вакуумной печи, состоящей из камер нагрева, науглероживания и диффузии, устройства для непрерывной поточной термохимической обработки поверхности, включающий размещение в камере науглероживания вакуумной печи стальных изделий, введение импульсами газообразного носителя углерода, отличающийся тем, что науглероживание стальных изделий проводят с постоянным рабочим тактом и насыщением при температуре от 820°С до 1200°С в газообразном носителе углерода, при последовательном их перемещении через все положения в камере науглероживания, при этом введение газообразного носителя углерода импульсами осуществляют в последовательности во времени, синхронизированной со временем рабочего такта для каждого из положений в камере науглероживания, затем стальные изделия перемещают в камеру диффузии вакуумной печи, после чего стальные изделия по отдельности охлаждают в азоте под давлением 0,3 МПа и закаляют при 180°С.

2. Способ по п. 1, в котором вводят газообразный носитель углерода в виде последовательности, состоящей из 1-5 импульсов за рабочий такт.

3. Способ по п. 1, в котором вводят газообразный носитель углерода импульсами при скорости потока от 0,1 до 100 дм³ в минуту и длительности импульсов от 1 до 300 секунд.

4. Способ по п. 2, в котором вводят газообразный носитель углерода при постоянном абсолютном давлении от 0,2 до 10 гПа.

5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором газообразным носителем углерода является углеводород, предпочтительно ацетилен или смесь углеводородов.