УСТАНОВКА ДЛЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ

Полезная модель относится к области металлургии, в частности к устройствам для химико-термической или диффузионной обработки металлических поверхностей, а именно к установкам или печам с вращающейся ретортой и нанесением диффузионных покрытий из активных порошкообразных смесей на детали со сквозными отверстиями.
Известна установка для химико-термической обработки, содержащая теплоизоляционную камеру с расположенным в ней электронагревателем, охватывающем муфельную реторту (см. а.с. СССР №739322, МПК С 23 С 10/34, F 27 B 5/16, опубл. 05.06.1980).
Известная установка для химико-термической обработки с неподвижной ретортой не обеспечивает высокого качества диффузионных покрытий, так как термодиффузионное упрочнение в ней приводит к неравномерному насыщению поверхности упрочняемых образцов, вследствие отсутствия перемешивания шихты, ее незначительной газопроницаемости и комкования под действием высоких температур. Процессы формирования покрытий в стационарных ретортах протекают неравномерно из-за нарушения микрораспределения компонентов шихты в процессе обработки (см. Райцес В.Б. Технология химико-термической обработки на машиностроительных заводах. - М.: Машиностроение, 1965. - С.125). Кроме того, образование шпинелей в рабочей смеси, а также достаточно высокая коксуемость и спекание шихты в процессе диффузионного насыщения приводят к затруднениям по извлечению деталей из реторты и к получению их некачественного покрытия.
Известна установка для диффузионного хромирования стальных изделий, содержащая поворотную печь с электронагревателем, механизмом поворота и датчиком
температуры, а также цилиндрическую реторту, размещенную внутри печи, и снабженную передней и задней крышками, и приводом вращения на передней крышке (см. а.с. СССР №605858, МПК С 23 С 10/34, опубл. 11.09.1972).
Известная установка с электрической печью и вращающейся ретортой не обеспечивает высокого качества термодиффузионной обработки деталей сложной формы и имеющих сквозные отверстия. При этом затруднено равномерное упрочнение как наружных, так и внутренних поверхностей деталей, что снижает равномерность толщины и фазового состава диффузионных слоев. Поэтому известная установка применяется только для мелких деталей простой формы (см. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Под ред. Л.С.Ляховича. - М.: Металлургия, 1981. - С.341). Кроме того, в известной установке при вращении реторты происходит частичная сегрегация компонентов активной шихты по плотности и фракционному составу, что снижает качество износостойкого покрытия за счет уменьшения площади реакционной поверхности.
Известна установка для диффузионного хромирования изделий, содержащая трубчатую электропечь с датчиком температуры, с механизмом наклона и с расположенной внутри цилиндрической ретортой, снабженной с торцов съемными крышками и приводом вращения (см. а.с. СССР №920077, МПК С 23 С 10/34, опубл. 07.05.1975).
В известной установке с вращающейся ретортой затруднительно получение одинаковой температуры по всей длине реторты, а, следовательно, и равномерной глубины диффузионных слоев и их высокого качества. Причем неравномерность легирования и возникновение локального коробления вследствие перегрева изделий особенно заметно проявляются для тонких кольцевых деталей. Поэтому недостатком известной установки является относительно низкое качество химико-термической обработки при диффузионной металлизации деталей вследствие малой скорости диффузии активных металлов и неудовлетворительной толщины диффузионного слоя (до 0,15-0,2 мм). При этом процесс диффузионного насыщения поверхности деталей в известной установке имеет значительную продолжительность (6-12 часов) и, соответственно,
низкую производительность, что приводит к нежелательным структурным изменениям в сердцевине деталей и снижает качество готовых изделий. Кроме того, при осуществлении легирования поверхности деталей в известной установке диффузионным насыщением из многокомпонентных смесей происходит увеличение времени обработки и снижается качество поверхности из-за абразивного износа изделий при вращении в реторте (см. Земсков Г.В. Многокомпонентное диффузионное насыщение металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1978. - С.250).
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является установка для химико-термической обработки изделий, которая содержит камеру нагрева с цилиндрическим муфелем, электронагревателем, датчиком температуры и механизмом поворота в вертикальной плоскости, а также установленную внутри муфеля реторту. При этом реторта снабжена сменными передней и задней крышками и выполнена с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, причем передняя крышка соединена с приводом через вал, а задняя крышка и вал зафиксированы соответственно задними и передними катками, закрепленными на камере нагрева (см. а.с. СССР №1724726, МПК С 23 С 10/34, опубл. 07.04.1992).
В известной установке при химико-термической обработке изделий качество покрытий, связанное со строением и фазовым составом диффузионных слоев, лимитируется особенностями процессов, протекающих на границе раздела системы насыщающая среда-металл при внешнем подводе тепловой энергии к вращающейся реторте. При этом тепловая энергия передается от муфеля печи к деталям, являющимся наиболее холодной частью системы, через стенку реторты и шихтовую смесь, с возникновением значительного температурного градиента (в пределах 40-50°С). Причем температура смеси (особенно в период нагрева печи) во времени значительно опережает температуру насыщаемого металла. Образование хлоридов (железа и алюминия) в смеси происходит при температурах 700-800°С, при которых диффузионная восприимчивость металла относительно мала, что создает избыток активных элементов на поверхности насыщаемых изделий. Затем с повышением температуры эти хлориды восстанавливаются, при этом создаются условия, при которых скорости подвода активных элементов к поверхности деталей намного превосходят скорости
их диффузии. Подобные условия приводят к ассоциации атомов активных элементов с образованием неактивных молекулярных соединений (например, Fe·Al), что тормозит процесс диффузии и снижает качество покрытий. В частности, при обработке в камере нагрева известной установки чугунных деталей на металле наблюдается диффузионный слой с внешней хрупкой зоной, имеющей поверхностные трещины, низкие термостойкость (10-20 термосмен до разрушения) и деформационную способность, причем полное разрушение слоя происходит при деформации образца на 1,5-4% (см. Электрохимикотермическая обработка металлов и сплавов / И.Н.Кидин и др. - М.: Металлургия, 1978. - С.100). Кроме того, в известной установке интенсивность процесса обработки определяется скоростью роста диффузионных слоев, лимитированной значениями 0,02-0,04 мм/ч (при температуре 950°С). Причем повышение температуры процесса приводит к спеканию рабочей смеси и наплавлению ее на детали с ухудшением качества поверхности. При обработке деталей сложной формы в известной установке не удается получать диффузионные слои с высокими служебными характеристиками, равномерными по поверхности и глубине изделий. Например, при алюмованадировании сталей и чугунов наблюдается (см. Рябов В.Р. Алитирование стали. - М.: Металлургия, 1973. - С.120) пониженная концентрация легирующих элементов в диффузионном слое (до 50%). При этом поверхность получается недостаточно чистой и ровной (средняя шероховатость поверхности, определяемая с помощью профилометра-профилографа, достигается не ниже 5-6 баллов) из-за спекания и приваривания компонентов рабочей смеси или абразивного износа при вращении реторты, а твердость слоя, определяемая по Виккерсу, не превышает значений 1200-1300.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая установка для химико-термической обработки изделий, является повышение качества диффузионных покрытий.
Техническим результатом от использования предлагаемой установки для химико-термической обработки изделий является увеличение интенсивности диффузионных процессов, равномерности и толщины диффузионных слоев, стабилизация температурного режима при снижении пористости и шероховатости поверхности изделий
и улучшает качество поверхности изделий.
Поставленная задача решается тем, что известная установка, которая содержит камеру нагрева с цилиндрическим муфелем, электронагревателем, датчиком температуры и механизмом поворота в вертикальной плоскости, установленную внутри муфеля реторту, снабженную сменными передней и задней крышками и выполненную с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, причем передняя крышка соединена с приводом через вал, а задняя крышка и вал зафиксированы соответственно задними и передними катками, закрепленными на камере нагрева, дополнительно снабжена вибратором, контактирующим с передними катками, источником электропитания, подключенным к передним и задним каткам, глуходонной гильзой, выполненной из диэлектрического материала, установленной в задней крышке по оси реторты с зазором по отношению к передней крышке и зафиксированная задними катками, электроизолированными от камеры нагрева. Дополнительно в глуходонной гильзе установлены датчики температуры, стационарно закрепленные на камере нагрева.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображен поперечный разрез установки для химико-термической обработки изделий.
Установка для химико-термической обработки изделий, содержит камеру нагрева 1 с цилиндрическим муфелем 2, электронагревателем 3, датчиком температуры 4 и механизмом поворота 5. Внутри муфеля 2 установлена реторта 6, изготовленная из жароупорной хромоникелевой стали и снабженная сменными передней 7 и задней 8 крышками. В задней крышке 8, выполненной из диэлектрического материала (керамики), закреплена глуходонная гильза 9, расположенная по оси реторты 6 с зазором по отношению к передней крышке 7. При этом передняя крышка 7 соединена с валом 10, фиксируемым передними катками 11, а глуходонная гильза 9 снаружи задней крышки 8 фиксируется задними катками 12, установленными на задней торцевой стенке камеры нагрева 1 с помощью электроизолятора 13. Вал 10 реторты 6 соединен с приводом 14 (электродвигателем с редуктором), установленным на передней торцевой стенке камеры нагрева 1. В глуходонной гильзе 9 установлены дополнительные датчики температуры 15, стационарно закрепленные на задней торцевой стенке камеры
нагрева 1. Передние катки 11 (или их оси, которая на чертеже не обозначенные) сопряжены с вибратором 16 (механическим, магнитострикционным или пьезокерамическим), установленным на передней торцевой стенке камеры нагрева 1. Источник электропитания 17 (постоянного или переменного тока) подключен к передним 11 и задним 12 каткам. Дополнительно на чертеже условно показаны: 18 - детали садки (кольцевой формы), насаженные на глуходонную гильзу 9 и подвергаемые обработке; 19 - промежуточные вставки (из жароупорной стали), установленные между деталями 18 и по краям садки на глуходонной гильзе 9, для их закрепления и равномерной обработки.
Установка для химико-термической обработки изделий работает следующим образом: камера нагрева 1 с цилиндрическим муфелем 2, электронагревателем 3 и датчиком температуры 4, с помощью механизма поворота 5 устанавливается в вертикальное положение (на чертеже показано пунктирными линиями) при расположении реторты 6 передней крышкой 7 вниз (при снятой задней крышке 8). На глуходонную гильзу 9 надеваются кольцевые детали 18 (например из серого чугуна) вплотную друг к другу или через промежуточные вставки 19, для закрепления деталей 18 и равномерного (или селективного) нанесения на них покрытий. Реторта 6 сверху заполняется рабочей смесью. Например, для алюмованадирования серого чугуна использовалась шихта состава, в %: 50 - феррованадия (марки ФВ60 с фракционным составом 20-40 мкм); 10 - порошок алюминия (фракции 1-2 мм); 35 - кварцевый песок и 5 - активатор (хлористый аммоний). Затем задней крышкой 8, с насаженными на глуходонную гильзу 9 деталями 18, сверху герметично закрывают реторту 6. Камера нагрева 1 с помощью механизма поворота 5 приводится в горизонтальное положение. Вал 10 фиксируется передними катками 11, а глуходонная гильза 9 - задними катками 12, изолированными от камеры нагрева 1 электроизоляторами 13. Вал 10 реторты 6 приводится во вращательное движение приводом 14 с частотой вращения 3-10 об/мин. Внешний нагрев реторты 6 осуществляется от муфеля 2 электронагревателем 3, запитываемым от регулируемого трансформатора (на чертеже не показан). Контроль температурного режима обработки производится датчиками температуры 4, установленными на муфеле 2 камеры нагрева 1 и дополнительными датчиками температуры 15, размещенными
в глуходонной гильзе 9 и стационарно закрепленными на камере нагрева 1. Такой контроль температуры обеспечивает равномерный нагрев по длине и сечению реторты 6 (до температуры 900-950°С), что гарантирует повышение качества обработки изделий. При внешнем нагреве реторты 6, вращающейся на передних 11 и задних 12 катках, происходит химико-термическая обработка деталей 18 с диссоциацией веществ активной среды, сопровождающейся распадом молекул на активные атомы, которые контактируют с поверхностью металла, адсорбируясь на ней, и диффундируют в его кристаллическую решетку. При наложении колебаний (низкочастотных или ультразвуковых) от вибратора 16 на реторту 6 через передние катки 11 или их оси (на чертеже не обозначены), в ней, дополнительно к перемешиванию при вращении, возникает виброкипящий слой. Например, виброожижение осуществляется с частотой вертикальной вибрации реторты 6 в диапазоне 15-25 Гц и с амплитудой 1-3 мм. Виброкипящий слой позволяет принудительно подводить активные среды к насыщаемой поверхности, увеличивать скорость насыщения и интенсифицировать диффузионное поверхностное легирование. При этом обеспечивается высокий уровень газопроницаемости шихты, равномерное ее распределение по реакционному объему. Это способствует образованию твердых растворов в диффузионном слое и повышает равномерность нанесения покрытия и толщину слоя (см. Баландин Ю.А. Диффузионное борирование инструментальных сталей в виброкипящем слое: Монография. - Магнитогорск: МГТУ, 2002. - С.94). После организации виброкипящего слоя в реторте 6, осуществляется подвод напряжения (величиной 20-100 В) от источника электропитания 17 на глуходонную гильзу 9 через задние катки 12, изолированные от камеры нагрева 1 электроизолятором 13, и на реторту 6 - через вал 10 и передние катки 11. При этом между электропроводной частью смеси (феррованадием и алюминием) и поверхностью деталей 18 проходит электрический ток (величиной 2-16 А), с возникновением импульсных искровых разрядов или микродуг, реализующих местный нагрев поверхности металла. В зоне микродуговых разрядов происходят испарение, и активация компонентов смеси, с интенсификацией внедрения атомов (или ионов) внутрь металла за счет электропереноса, и быстрый нагрев поверхностных слоев изделий. При микродуговом нагреве деталей 18 реализуется дополнительный внутренний источник тепла. Причем температура деталей 18 может быть выше, чем у рабочей смеси,
что исключает скопление и осаждение на насыщаемой поверхности активных элементов, а высокая скорость нагрева обеспечивает значительную диффузионную восприимчивость насыщаемого металла, т.е. создаются условия, при которых скорость диффузии больше или равна скорости образования и подвода диффундирующего элемента. Это обуславливает ускорение процесса алюмованадирования в 1,5-2 раза и способствует образованию диффузионного слоя путем непосредственной диффузии активных элементов из газовой фазы в насыщаемый металл с непосредственным образованием твердого раствора алюминия и ванадия в основе, что гарантирует высокое качество покрытия (в частности уменьшается хрупкая зона слоя). Поэтому дополнительное применение вибратора 16 и источника электропитания 17 позволяет реализовать микродуговой нагрев деталей 18 в виброкипящем вращающемся слое, что уменьшает образование поверхностных трещин и значительно повышает деформационную способность диффузионных слоев, по сравнению со слоями, полученными при нагреве только в печи (по прототипу). В связи с этим диффузионные слои, получаемые на чугуне при алюмованадировании, в заявляемой установке образуются без хрупкой зоны и выдерживают пластическую деформацию без разрушения до 7-12%, что в 3-4 раза превосходит деформационную способность слоев с хрупкой зоной, полученных при легировании с нагревом в печи установки, принятой за прототип. Применение дополнительного внутреннего микродугового нагрева в условиях виброкипящего слоя шихты позволяет интенсифицировать процесс обработки с повышением скорости роста глубины слоев до 0,06-0,08 мм/ч (при температуре 950°С). Причем увеличение температуры процесса не способствует спеканию рабочей смеси и наплавлению ее на детали 18, что улучшает качество изделий. Комбинированное использование вращение реторты 6, виброкипящего слоя и микродугового нагрева позволяет реализовать в предлагаемой установке высокоэффективное совместное насыщение поверхностных слоев деталей 18 алюминием и ванадием (и другими трудно-диффундирующими элементами), с повышением твердости, окалиностойкости и жаропрочности. В частности, микротвердость слоя при алюмованадировании серого чугуна изменяется с поверхности к сердцевине деталей от 5300 до 1900 МПа, при толщине слоя 0,34-0,6 мм и времени обработки 2-4 часа. Совместное регулирование частоты вращения реторты 6, амплитуды и частоты колебаний на вибраторе 16 и силы
тока в микродуговых разрядах от источника питания 17, позволяет варьировать в широких пределах толщины диффузионных слоев и концентрации в них легирующих элементов, а, следовательно, получать качественные структуры и свойства в упрочненных слоях изделий. После проведения процесса термо-химической обработки с термодиффузионным легированием поверхности деталей 18, остановки и охлаждения изделий на воздухе, с помощью механизма поворота 5 камера нагрева 1 наклоняется из горизонтального положения вниз задней крышкой 8 на угол 30-40°, сдвигаются задние катки 12 и эвакуируются детали 18 на глуходонной гильзе 9 вместе с задней крышкой 8. Затем камера нагрева 1 опускается на угол 60-90° и удаляется отработанная активная смесь.
В заявляемой установке возможно получение деталей с повышением, по сравнению с прототипом, всех служебных характеристик, в частности толщины диффузионных слоев (определяемой металлографическим способом), концентрации в них легирующих элементов и твердости покрытий, например при алюмованадировании серого чугуна, соответственно, более 0,25 мм, более 50% и до 1920 (по Виккерсу). Кроме того, повышается качество поверхности изделий со снижением поверхностной шероховатости (определяемой профилометром-профилографом) - ниже 5-6 баллов. Увеличение толщины диффузионных слоев позволяет повысить чистоту поверхности металла при последующей полировке, что повышает качество готовых изделий. Заявляемое устройство позволяет проводить многокомпонентное диффузионное насыщение металлов без увеличения времени обработки и абразивного износа поверхности с высоким качеством покрытия. Применение заявляемой установки для химико-термической обработки изделий позволяет повысить качество деталей за счет увеличения термостойкости в 2-3 раза, роста деформационной способности диффузионного слоя при растяжении более чем в 3 раза, а при испытании на изгиб - более чем в 2 раза за счет повышения условного предела коррозионно-усталостной прочности в 1,3-1,5 раза. Это расширяет возможности защитного эффекта от покрытий, сортамент изделий и их технологические свойства, например, возможно получать детали, подвергаемые в дальнейшем неглубокой (до 8-10%) обработке металлов давлением (развальцовке).
Таким образом, заявляемая установка для химико-термической обработки изделий позволяет повысить качество диффузионных покрытий за счет:
- увеличения толщины диффузионных слоев, равномерности нанесения и многокомпонентности износостоких покрытий;
- сокращения длительности диффузионного процесса в 2-3 раза;
- уменьшения термического коробления и абразивного износа изделий;
- сохранения механических свойств сердцевины изделий без дополнительной термической обработки;
- устранения образования внешней хрупкой зоны в диффузионных слоях и увеличения в несколько раз их деформационной способности и термостойкости;
- расширения номенклатуры химических элементов, использующихся для диффузионного насыщения.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемая установка для химико-термической обработки изделий работоспособна и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе. Соответственно, заявляемая установка может быть применена в металлургии и машиностроении соответствует условию «промышленной применимости».