Способ термической или термохимической обработки стальных деталей и установка для обогащения углеродом поверхностных участков стальных деталей - RU2036976C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к термической обработке деталей.

Контроль за содержанием углерода на поверхности стали в ходе термической обработки или термохимической обработки, предупреждающий нежелательные побочные реакции, например окисление, является проблемой большого промышленного значения, при решении которой прибегают к применению многочисленных технологических решений.

В случае термической обработки решение, выбираемое для высоколегированных сталей, легко окисляемых, основано на использовании технологических процессов в вакууме. В случае термохимических обработок, например цементации, применяют реакцию газотвердое или жидкость твердое. Химические соединения, присутствующие в газовой фазе или жидкой фазе, разлагаются на поверхности стали, освобождая углерод, который диффундирует в твердое.

В случае способов термической обработки в вакууме предупреждают окисление и обезуглероживание стали, поддерживая общее давление атмосферы печи очень низким (ниже 0,1 мбар).

В способах цементации, наиболее легко контролируемых, сталь приводят в термодинамическом равновесии в контакт с атмосферой, расход которой достаточно высокий для того, чтобы равновесие значительно не менялось от перехода углерода в твердое. В этом случае химическое соединение газовой фазы, служащее основой для углерода оксид углерода СО. Его разложение на поверхности стали освобождает кислород, парциальное давление которого должно поддерживаться очень низким.

Скорости цементации, т.е. условия, обеспечивающие получение профиля концентрации углерода за возможно короткое время, зависят от скоростей перехода химических соединений в жидкую фазу или газовую фазу (оксид углерода, например в газовой фазе), скоростей перехода углерода на поверхности раздела жидкое твердое или газ твердое и от диффузии углерода в твердой фазе.

В обычных способах ограничивающей стадией является стадия, соответствующая переходу углерода на поверхности раздела, либо от того, что реакция разложения химических соединений медленная, либо от того, что продукты разложения этих соединений вызывают на поверхности стали сопротивление переходу углерода.

В обычных способах цементации в газовой фазе с помощью оксида углерода удаление кислорода слишком медленное, что значительно снижает переносимый поток углерода. Поверхностная концентрация углерода на поверхности достигает максимального значения, обеспечивающего диффузию углерода в твердое, или оптимальной скорости лишь спустя несколько десятков минут после приведения в контакт при обычных условиях температуры и давления с соответствующей атмосферой.

Известен (см. статья М.J. "Wunning" и др. "Gesteuerte Aufkohluing", в НТМ 31 (1976) 3; документ ДЕ-3 139 622) способ, по которому некоторые параметры измеряются во время фазы обогащения углеродом и служат после обработки для определения рабочих характеристик установки.

Однако сведения, содержащиеся в этих документах, не позволяют практически провести процесс обогащения углеродом за минимально возможный промежуток времени. Кроме того, известный способ осуществляется при пониженном давлении.

Для того, чтобы переходной режим был как можно короче, необходимо, чтобы поток углерода, передаваемый газообразной фазой на поверхности раздела газ твердое, был выше или равен потоку углерода, переносимого в твердой фазе посредством диффузии при максимальной поверхностной концентрации углерода. Для этого необходимо иметь следующее векторное химическое соединение углерода в газообразной фазе, имеющее очень быструю кинетику разложения на поверхности стали; реактор, обладающий поведением реактора с эффективным перемешиванием; реакцию газ твердое, позволяющую избежать любое создание сопротивления переходу на поверхности стали.

Это сопротивление переходу может быть создано либо слоем химических элементов, адсорбированных в результате разложения векторных химических соединений углерода, либо образованием непрерывного слоя определенного соединения (карбида), в котором диффузия углерода медленная.

Если предупреждают появление такого сопротивления переходу, если разложение на поверхности стали молекулы, обеспечивающей переход углерода в газообразной фазе, очень быстрое, если расход углерода на входе реактора достаточен и если реактор имеет интенсивное перемешивание, переходящий поток углерода в стали максимален, а скорость создания градиента концентрации углерода в стали зависит лишь от диффузии углерода в твердом состоянии.

При наличии всех этих условий концентрация углерода на поверхности стали, имеющей вначале концентрацию углерода 0,2% достигает своего оптимального значения (значение, по меньшей мере, равное концентрации насыщения аустенита) менее, чем за минуту, продолжительность, которая должна быть сравнена с несколькими десятками минут, необходимыми в случае обычного способа цементации посредством оксида углерода. Цементация углеродом в этом случае осуществляется при оптимальной скорости.

Изобретение относится к способу термической или термохимической обработки стали, обеспечивающему мгновенный и постоянный контроль концентрации углерода на поверхности стали, в частности при обогащении углеродом поверхностной зоны детали, отличающемуся тем, что пропускают в контакте с этой поверхностной зоной газовый поток, позволяющий получить при максимальной скорости поверхностную концентрацию насыщения углерода, а поток этот регулируют в зависимости от времени.

Изобретение реализуется через установку для обогащения углеродом поверхностной зоны стальных деталей, включающую печь с контролируемой атмосферой с входом и выходом для газового потока, средства питания для образования этого газового потока, средства регулирования газового потока, средства записи данных в память и/или вычислительные средства, при этом средства питания выполнены для создания газового потока, способного получить на поверхности деталей концентрацию насыщения углерода менее, чем за минуту.

В предлагаемом способе, используя газовую смесь, не содержащую кислород, образованную газом или газовой смесью с химически инертной подложкой, газом или газовой смесью, позволяющей предотвратить всякое явление окисления во время периодов цикла обработки, когда поток углерода на поверхности детали нулевой, газом или газовой смесью, обеспечивающей перенос углерода и образованной соединениями, не содержащими кислорода. Газ или газовая смесь, обеспечивающая перенос углерода, содержит по меньшей мере одно химическое соединение, пиролиз которого на поверхности стали освобождает углерод и приводит к образованию смеси химически стойких промпродуктов в газовой фазе при рассматриваемых условиях температуры и давления. Таким образом, переносимый поток углерода может управляться расходом пиролизуемого соединения, вводимого в реактор.

На фиг. 1 изображена установка для получения исходных данных для осуществления способа; на фиг. 2 сопоставительный график обогащения углеродом, выполненный по различным методикам; на фиг. 3 и 5 графики, иллюстрирующие примеры осуществления способа при двух различных температурах; на фиг. 4 схематический вид установки для осуществления способа; на фиг. 6 вспомогательный график, относящийся к примеру фиг. 5.

На практике обработка может быть выполнена следующим образом. Первая фаза (I) при максимально возможной температуре, определяемой, исходя из металлургических критериев, с управлением расходом углеводородов на входе для достижения максимальной концентрации углерода на поверхности, причем эта максимальная концентрация по меньшей мере равна концентрации насыщения углеродом аустенита.

Вторая фаза (II) при максимально возможной температуре, (определяемой, исходя из металлургических критериев в течение которой поток углерода, переносимый с газовой фазой, нулевой для регулирования профиля концентрации углерода и, в частности поверхностной концентрации до заданного значения, выбранного по металлургическим соображениям. Во многих случаях это значение близко к 0,7-0,8% на обычных цементованных сталях.

В конце второй фазы температура может быть такое же, как при выборе для закалки стали.

Возможно осуществление цикла соответствующим чередованием фаз I и фаз II, число и продолжительность которых зависят от требуемого профиля концентрации углерода. Однако, в этом случае общая продолжительность цикла будет больше, чем в случае цикла, включающего только одну фазу I и одну фазу II.

Фаза I требует точного контроля поверхностной концентрации углерода, исходя из потока углерода, расходуемого сталью. Этот поток углерода сам контролируется расходом подаваемых в реактор углеводородов. Если концентрации углерода на поверхности стали известны, расход потребляемого углерода легко рассчитать. И наоборот, непрерывный контроль расхода потребляемого углерода позволяет поддерживать постоянной поверхностную концентрацию углерода. Расход потребляемого углерода достигается выполнением сырьевого баланса реактора, либо после предварительной идентификации различных образовавшихся химических соединений, а также изменения их концентрации, либо посредством анализа в каждый момент газовой смеси на выходе реактора. Второе решение лишено погрешностей физико-химической модели и позволяет контролировать в каждый момент работу реактора и ход реакции газ-твердое.

Эффективный контроль поверхностной концентрации углерода во время фазы I необходим для того, чтобы точно знать профиль концентрации углерода в стали в конце этой фазы. Исходя именно из этого профиля, определяют продолжительность фазы II для получения в конце ее конечного профиля концентрации углерода для металлургических целей (профиль микротвердости концентрация сжимающих напряжений на поверхности остаточное содержание аустенита).

Контроль при постоянном значении поверхностной концентрации углерода стали может быть достигнут управлением расходом на входе углеводорода в реакторе, исходя из баланса углерода, выполненного на реакторе, действующем как реактор с эффективным перемешиванием. Необходимо, однако, определить с достаточной степенью точности тот момент, при котором эта поверхностная максимальная концентрация достигается в конце переходного периода, который наступает в начале обработки.

Решение этой проблемы заключается в создании на поверхности стали слоя карбида железа, называемого цементит, с самого начала диффузии углерода, вводя в базовую смесь например, азот-водород, соответствующую пропорцию смеси углеводородов таких, как ацетилен, метан, этилен, этан. Эта смесь обеспечивает быстрый рост тонкого слоя цементита на поверхности стали. Этот тонкий слой, толщина которого 1 мкм, закрепляет концентрацию углерода на поверхности раздела цементит сталь, равной точному значению концентрации насыщения углеродом в аустените при рассматриваемой температуре. Диффузия углерода в сталь таким образом контролируется существованием этого слоя цементита. Именно он дает углерод, диффундирующий в сталь. Достаточно, чтобы расходуемый сталью углерод компенсировался бы возобновлением слоя цементита, питаемого углеродом от углеводородов газовой фазы.

Этот способ, приводящий к быстрому образованию вначале обработки (менее минуты) слоя цементита, обеспечивает самоуправляемую диффузию углерода.

Состав газовой смеси, обеспечивающей быстрый рост слоя цементита, может быть получен соответствующей добавкой единственного углеводорода пропана, разложение которого в контакте со сталью позволяет получить требуемую газовую смесь, содержащую, в частности и не исключительно, метан, этан, этилен и ацетилен.

После образования слоя цементита постоянно регулируют его питание углеродом так, чтобы оно компенсировало углерод, расходуемый сталью. Таким образом устанавливается динамический режим передачи между газовой фазой слоем цементита сталью.

В этих условиях для заданной стали температура единственный параметр, контролирующий переход углерода в сталь.

Регулирование конечного профиля концентрации углерода может потребовать в ходе фазы II частичного перехода углерода из твердой в газовую фазу. Газовая смесь должна для этого содержать один компонент, способный вступать в реакцию с углеродом с образованием углеводородов, обеспечивающий таким образом газовой смеси функцию обезуглероживания.

Опорная газовая смесь должна, следовательно, обеспечивать три функции:
предотвращать всякое окисление во время всех фаз, когда поток углерода от газовой смеси к твердому нулевой;
образовывать с продуктами разложения углеводорода, вводимого во время собственно цементации, смесь, способную химически образовывать слой цементита, позволяющий обеспечить перенос углерода в сталь;
возможно обеспечивать после фазы I функцию частичного обезуглероживания поверхности стали.

Эти три функции могут быть достигнуты при использовании газовой основы, образованной соответствующей смесью азота и водорода.

Изложенные принципы могут быть количественно продемонстрированы с помощью термогравитационных измерений с автоматической обработкой измерений и автоматическим управлением расходами газа.

Отмечается, например, что потоки могут регулироваться по желанию либо до постоянной величины (см. кривые 1, 2, 3 фиг. 2), либо, изменяя их таким образом, чтобы поверхностная концентрация углерода была бы постоянной (см. кривая Тh фиг. 2).

В таблице приведены данные для поверхностных концентраций, равных концентрации насыщения аустенита, мгновенных потоков и средних потоков. Эти потоки следует сравнить с потоками, получаемыми при обычных обработках оксидом углерода и достигающих в лучшем случае 3,5 мг/ч ˙ см² при температуре около 950^оС.

На кривой (см. фиг. 3), соответствующей цементации при 850^оС отмечается, что алгоритм управления расходом пропана позволяет осуществить абсорбцию углерода при постоянной поверхностной концентрации с первых мгновений обработки. Независимо от температуры между 800 и 1100^оС условия Диришле (постоянная поверхностная концентрация) достигаются меньше, чем за минуту, тогда как цементация с помощью СО требует несколько десятков минут (обычно 1 ч для поверхностных концентраций выше 1% С при температуре выше 900^оС).

На фиг. 1 схематически представлены средства измерения, позволяющие получать данные, необходимые для управления обработкой. Система 1, образованная печью и аналитической камерой, подсоединена к весам 2. Печь питается через задвижку 3 от регулятора расхода по массе 4 газами, содержащимися в бутылях 5 (в данном случае три штуки). Насос 6 обеспечивает циркуляцию газа и поддерживает давление в печи. Термопара 7 контролирует температуру. Выходы газа 8-10 обеспечивают их выпуск, причем выход 9 подключен к прибору хроматографического анализа, а выход 10 к датчику давления С и насосу Р. Питание возможно в А. Эта установка позволяет выполнять сырьевой баланс реактора либо по идентификацией образующихся химических соединений и определением изменения их концентрации, либо непрерывным анализом газовой смеси, выходящей из реактора.

Кривые (см. фиг. 2), соответствующие некоторым отдельным случаям, дают количества углерода (г/м²), проникших на поверхность стали в зависимости от времени выдержки. Кривые 1, 2 и 3 соответствуют различным рабочим условиям, включающим каждую обработку стали при 1000^оС газовым потоком, в котором расход основного газа 100 см³/мин. Кривая Тh (теоретическая кривая) дает количества углерода, проникшего в сталь за время t в подобных условиях, при которых газовый поток подвергается такому условию, при котором его расход постоянно такой, что он поддерживает поверхностную концентрацию углерода, равной постоянному значению С_н 1,54% (значению, соответствующему насыщению).

Промежутки времени, установленные для достижения насыщения в каждом из определенных условий для потока с помощью кривых а, b и с, соответственно 0,8, 1,4 и 5,6 мин.

Кривые (см. фиг. 3) демонстрируют пример осуществления способа по изобретению. Детали заданного размера помещаются в печь при 850^оС. Кривая Тh дает, как и на фиг. 2, количества углерода, которые по расчету проникли в сталь в зависимости от времени, если условие поверхностной концентрации, равной насыщению, постоянно выполняется. Кривая d воспроизводит запись, выполненную в ходе осуществления способа, в то время как кривая не дает в зависимости от времени значения расхода пропана в газовой смеси такие, как полученные от управления операцией. Эти значения расхода приведены в см³/мин. Кривая d следствие кривой е.

Фаза обогащения заканчивается после 24 мин. Значение содержания С, соответствующего насыщению С_н 1,08% Во время фазы диффузии, следующей за обогащением, расход пропана доводится до 0. Количество С, проникшее в сталь, остается вначале постоянным для последующего снижения.

Видно, что кривая е располагается несколько ниже кривой Тh, как только было достигнуто насыщение, спустя менее одной минуты. Таким образом, осуществляют быстрое образование тонкого слоя цементита, который регулирует диффузию углерода по глубине.

На фиг. 4 схематически изображена установка, обеспечивающая осуществление способа в том случае, когда данные управления газовой смесью были заложены в память или введены в виде алгоритма в регулятор.

Печь 11 включает муфель 12, внутренний горшок 13, загрузку деталей 14, турбину 15. Она оборудована нагревательными элементами сопротивления 16, двигателей 17, системой водяного охлаждения 18, контролируемой с помощью термопары 19. Газовый поток, входящий во вход 24 и выходящий в выход 25, образован несущим потоком N₂+5% Н₂ и потоком для подачи углерода С₃Н₈. Эти потоки поступают из баллонов 20. Они могут достигать расхода 30 л/мин. Регулятор 21 приводит в действие в зависимости от параметров управления задвижки 22 и 23, регулирующие раздельно в зависимости от времени, расходы баллонов. Регулятор 21 действует под влиянием данных, которые могут получены с помощью аппаратуры, схема которой представлена на фиг. 1.

Графики (см. фиг. 5 и 6) относятся к другому примеру осуществления способа. Кривые Тh, d и е (см. фиг. 5) имеют такое же обозначение, что и на фиг. 3. Показания, нанесенные по ординатам это соответственно массы углерода, проникшие на поверхность деталей в граммах на квадратный метр, и расходы газа в литрах на квадратный метр и в минуту. Первая шкала относится к кривым Тh и d, вторая к кривой е. Цементация проводилась при 950^оС. Содержание С насыщения С_н 1,36% цифра, которая определяет в данном случае теоретическую кривую Тh.

После фазы обогащения, которая длится 24 мин (см. фиг. 5), разворачивается фаза диффузии (см. фиг. 6), которая представляет собой обычный график, воспроизводящий профили концентраций по глубине. Кривая f дает в условиях примера фиг. 5 профиль концентраций С в конце фазы обогащения, т.е. спустя 24 мин. Кривая g запись профиля концентраций спустя 22 мин диффузии. Содержание С около 0,8% на поверхности и 0,1% на глубине около 0,62 мм.

На фиг. 4 показана принципиальная схема промышленного реактора, обеспечивающего осуществления этой обработки.

На фиг. 5 приводится запись типовой обработки, проводимой при 950^оС с первой фазой 24 мин, осуществляемой при постоянной поверхностной концентрации 1,38 углерода, с последующей фазой диффузии, позволяющей получить поверхностную концентрацию в конце обработки 0,8% С.

На фиг. 6 приведены полученные профили концентрации углерода.

Предлагаемый способ имеет следующие преимущества:
обеспечивает постоянный и мгновенный контроль потока углерода, переносимого на поверхность стали с помощью газовой атмосферы, обеспечивающей мгновенный и постоянный контроль концентрации углерода на поверхности стали;
позволяет, кроме контроля за содержанием углерода на поверхности стали, предотвратить любое окисление, даже наиболее окисляемых легирующих элементов сталей. Он может быть применен к термическим способам обработки легированных сталей, к науглероживанию или цементации, цианированию сталей;
включает способ ускоренной цементации (или науглероживания) сталей с помощью газовой смеси, содержащей один или несколько углеводородов, позволяющих в различных условиях давления и, в частности, при атмосферном давлении регулировать поток углерода, поглощаемый сталью, исходя из контроля расхода углеводородов, подаваемых в газовую смесь;
способ ускоренной цементации позволяет поддерживать поверхностную концентрацию углерода равной наиболее возможно высокому значению, совместимому с температурой стали для получения максимального потока углерода, обеспечивающего обогащение углеродом за наиболее возможно короткое время;
этот способ ускоренной цементации отличается фазой диффузии углерода в сталь, в ходе которой поток углерода, переносимый из газа в сталь, нулевой, позволяет таким образом регулировать профиль концентрации углерода, исходя из поверхности и в соответствии с различными металлургическими критериями. В ходе этой фазы исчезает тонкий слой цементита, поскольку он более не питается углеродом от газовой фазы;
также отличается, при случае, фазой диффузии углерода в сталь, во время которой регулируемый поток углерода переносится из стали к газовой фазе, позволяя таким образом регулировать профиль концентрации углерода, исходя из поверхности и в соответствии с металлургическими критериями.

В некоторых случаях способ позволяет осуществить наиболее возможно короткую обработку, в две фазы: фаза обогащения при максимальной скорости; фаза диффузии. Способ позволяет также осуществить медленнее обработку, приводящую к такому же профилю концентрации углерода с помощью нескольких фаз обогащения и диффузии, поочередно комбинируемых между собой различным образом;
возможно вводить азот на поверхность стали одновременно с диффузией углерода. Достаточно ввести в газовую смесь соответствующее количество аммиака. При этом осуществляется саморегулируемое цианирование при максимальной скорости диффузии углерода и азота;
использование опорной газовой смеси, позволяющей предотвратить окисление стали на какой-нибудь из фаз обработки и состоящей, в частности, из смеси азота и водорода в соответствующих пропорциях;
возможность контролировать поток углерода с помощью контроля расхода пропана, вводимого в смесь азот водород;
установка для осуществления способа может использовать все типы печей непрерывного действия, работающих при низком или высоком давлении и, в частности, при атмосферном давлении, лишь бы только газовая атмосфера хорошо перемешивалась;
контроль потока углерода или поверхностной концентрации углерода достигается автоматически посредством сдвоенного управления температурой стали и расходом углеводорода, в частности пропана.

Автоматически управляемая установка обеспечивает цементацию сталей при максимальной скорости при атмосферном давлении.

Она полностью предотвращает любое образование и, следовательно, любые отходы оксида углерода и углекислого газа.

Реферат

Способ термической или термохимической обработки стальных деталей обеспечивает мгновенный и постоянный контроль концентрации углерода на поверхности стали, в частности во время обогащения углеродом поверхностной зоны детали. Способ предусматривает пропускание в контакте с поверхностной зоной газового потока, позволяющего получить при максимальной скорости поверхностную концентрацию насыщения углеродом и регулировать этот поток во времени. Способ реализуется через установку, которая включает печь с контролируемой атмосферой с входом и выходом для газового потока, средства питания, создающие этот газовый поток, и средства регулирования газового потока. Установка оборудована средствами записи в память данных и/или вычисления, а средства питания выполнены для создания потока, способного получить на поверхности деталей концентрацию насыщения углеродом по меньшей мере за минуту. 2 с. и 12. з. п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Формула