СОСТАВ ВАННЫ ДЛЯ СУЛЬФОЦИАНИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
COMPOSITION OF A BATH FOR SULFOCIATION OF PRODUCTS FROM STRUCTURAL AND TOOL STEELS

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к химико-термической обработке металлов и сплавов, и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и оборудования, работающих в условиях трения при высоких контактных нагрузках и при недостатке смазки.
2
2
3
Известен способ сульфоцианирования стальных изделий в цианистой ванне следующего состава (% масс): цианистый натрий NaCN-50; хлористый калий КСl-20; сернистокислый натрий –25, гипосульфид NaSO-5. Температура обработки 560…580°С, длительность–1…2 часа. [Самоходский А.И., Парфеновская Н.Г. Технология термической обработки металлов. Изд. 2. - М: Машиностроение, 1976. - 311с.]             Недостатками указанного способа является, высокая токсичность   ванны, что вызывает значительные проблемы, связанные с охраной окружающей среды. Необходимо устройство эффективной вентиляции и нейтрализация отходящих газов, содержащих цианистый водород, нейтрализация следов цианистой соли и сточных вод, отходов производства и др. Кроме того, к недостаткам использования соляных ванн следует отнести и сложность при обработке изделий больших размеров (размеры лимитируются объемом ванны), невозможность локального насыщения рабочих поверхностей деталей сложной формы, затруднение использования в условиях массового производства на машиностроительных предприятиях.
4
4
Известен способ сульфоцианирования стальных изделий в твердом карбюраторе, содержащем следующие компоненты (% масс): древесноугольный карбюризатор (бондюжский) - 60%; сернистое железо Fe S - 20%; железосинеродистый калий КFe(CN) - 10%; сера S - 10,%. Температура обработки 560°С, длительность 10 ч и более [Зинович Н.С. Исследование процесса сульфидирования / В кн. Повышение стойкости деталей машин (сульфидирование) // Под ред. М.М. Хрущова. - М.: Гос. науч. техн. изд-во машиностроительной лит., 1959. - С. 79-94.]
Недостатками этого способа являются большая длительность процесса сульфоцианирования, большой расход карбюризатора и высокая трудоемкость, связанная с использованием ручного труда при упаковке и распаковке контейнеров для сульфоцианирования (цементационных ящиков), неравномерность насыщения разных участков деталей сложной формы.
Технической задачей изобретения является повышение скорости сульфоцианирования, обеспечение возможности обработки деталей любых размеров и форм, а также повышение экологической безопасности процесса сульфоцианирования.
2
2
2
3
2
2,
2,
2
2
2
3
2
2
2
Технический результат достигается разработкой оптимального состава ванны для сульфоцианирования, включающий:  карбамид (NH)CO, углекислый натрий NаСО, сульфид натрия NaS, натрий хлористый NаСl, кальций хлористый CaCl барий хлористый BaClедкий натр,  при следующем соотношении компонентов, мас. %: (NH)CO–30…32, NaCO –28…30, NaS – 2…5, натрий хлористый NаСl 6, кальций хлористый CaCl– 6,  барий хлористый BaCl –8, едкий натр NаОН – остальное,  нагрев проводят при температуре 550-650°C с выдержкой в течение 3-6 часов, после охлаждения изделия промывают в горячей воде при температуре 80°С, сушат, затем переносят в ванну с горячим маслом, имеющим температуру 110-115°С, и выдерживают 15-20 мин.
Использование состава данной ванны обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев деталей азотом, углеродом и серой, исключает  выделение ядовитых компонентов в процессе сульфоцианирования, исключает загрязнение воздуха рабочей зоны и окружающей среды.
Основной недостаток двухкомпонентной карбамидо–карбонатной ванны – значительные трудности, возникающие при её приготовлении, так как температура плавления карбамида (133ºС) очень низка по сравнению с температурой плавления углекислого натрия (854º) и особенно углекислого калия (896°С). При нагревании твёрдой смеси (порошков) названных веществ в начале плавится  карбамид и начинает реагировать с частичками едкого натра, плавающими в жидкости. При этом выделяется большое количество газов. Реакция карбамида с углекислыми солями (карбонатами) происходит очень бурно, с выделением большого количества газов и разбрызгиванием расплава;
2
2
2
3
3
2
2
2(NH)CO+NaCO→2NaCNO+2NH↑+CO↑+HO                (1)
В результате этого на поверхности ванны образуется большое количество пены, которая выносит из ванны жидкость и твёрдые частицы. При быстром нагреве смеси наблюдается интенсивное выплёскивание расплава из ванны. Большое количество аммиака, выделяющегося при сплавлении компонентов карбамидо-карбонатной ванны значительно загрязняет атмосферу в зоне работы печи.
2
2
Для уменьшения потери компонентов и снижения температуры расплава в процессе приготовления   ванны для сульфоцианирования  на основе карбамида и углекислого натрия в её состав был введён натрий хлористый NаСl–6%, кальций хлористый CaCl –6%, барий хлористый BaCl –8%,  и едкий натр в количестве 15…20 %.
Смесь хлористого натрия, кальция  хлористого, бария хлористого при известном соотношении снижает температуру плавления солевой смеси с 854ºС до 420º С  и, тем самым, уменьшает разницу в температурах плавления карбомида и углекислого натрия.
Данный состав ванны позволяет растворять в ней карбамид (температура плавления 133°С) без бурного выделения газов, что наблюдается при растворении карбамида в расплавленной соде (температура плавления 854°С). Эта же композиция позволит поддерживать рабочую температуру ванны в интервале 550…650°С без заметного выкипания.
Экспериментальные исследования показали, что при введении в ванну смеси хлористого натрия, хлористого кальция, хлористого бария в данном соотношении, её вскипание при сплавлении компонентов прекратилось.
При температуре 550-650ºС ванна находится полностью в стабильном жидком состоянии.
Кроме недостатков известных ванн для сульфоцианирования на основе карбамида, связанных с выкипанием и большим выносом солей, они представляют экологическую опасность, так как в процессе работы выделяют очень токсичное газообразное вещество – цианистый водород.  Цианистый водород образуется в результате реакции цианистого натрия, находящегося в расплаве с парами воды и углекислым газом, образующимися при разложении карбомида
2
2
2
3
3
2
2
2(NH)CO+NaCO→2NaCNO+2NH↑+CO↑+HO↑ (2)
Fe
2
3
4NaCN→2N↓+CO+2NaCN+NaCO (3)
2
2
3
NaCN+ CO →NaCO+2CHN↑ (4)
2
CHN+ NaОН →NaCN+ HO↑ (5)
Едкий натр, введённый в состав азотирующей  ванны в количестве 13…20%, связывает цианирующий водород в нелетучее вещество–цианистый натрий, тем самым, делает карбамидо-содержащую ванну экологически безопасной в плане выделения вредных веществ в атмосферу. Кроме того, введение в состав ванны едкого натра способствует обогащению расплава цианистым натрием, участвующим в насыщении стали азотом.
Данный состав ванны для сульфоцианирования позволяет повысить экологическую чистоту процесса сульфоцианирования  за счёт замены высокотоксичных цианидов калия и натрия, используемых в традиционных сульфоцианирующих  составах, на нетоксичный и дешёвый карбамид.
Способ сульфоцианирования с использованием предлагаемой ванны осуществляется следующим образом: тщательно перемешиваем  порошкообразные компоненты, расплавляем их  и производим стабилизацию (старение) состава ванны в течение 2...3 часов. Исследуемые образцы обезжириваем  в щелочном растворе, промываем водой и предварительно прогреваем до температуры 250ºС.  Затем погружаем в ванну с данным расплавом при температуре 550-650 ºС и  выдерживаем в течении 3-6 часов. После охлаждения изделия промывают в горячей воде при температуре 80°С, сушат, затем переносят в ванну с горячим маслом, имеющим температуру 110-115°С, и выдерживают 15-20 мин.
Данный способ сульфоцианирования  деталей  для повышения их износостойкости не представляет технологических трудностей и не требует использования дорогих или дефицитных материалов. Поэтому сульфоцианирование деталей с использованием данного расплава  может быть легко внедрено на любом машиностроительном предприятии,  как в мелкосерийном и крупносерийном, так и ремонтном.. При этом предлагаемый способ отличается высокой производительностью, технологической широтой, экономичностью и экологической безопасностью.