УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОЛИТНОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Полезная модель относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке, в частности, к электрохимико-термической модификации металлов и сплавов, и может быть использована в машиностроении, приборостроении и других отраслях для повышения эксплуатационных свойств изделий.
Известно устройство электролитного нагрева, содержащее цилиндрическую рабочую камеру с электродом, систему крепления обрабатываемого изделия с возможностью вертикального перемещения, обрабатываемое изделие и источник питания [1].
Недостатком устройства является нестабильный нагрев обрабатываемого изделия из-за монотонного повышения температуры электролита, что приводит к изменению плотности тока и температуры изделия.
Наиболее близким по технической сущности и технической задаче является устройство электролитного нагрева, приятое в качестве прототипа, которое содержит цилиндрическую рабочую камеру с электродом, систему крепления обрабатываемого изделия с возможностью вертикального перемещения, обрабатываемое изделие, источник питания, и систему циркуляции электролита через теплообменник для его охлаждения [2]. Такое устройство обеспечивает стабилизацию температуры электролита.
Недостатком устройства является изменение температуры нагрева детали из-за изменения химического состава электролита, некоторые компоненты которого испаряются в парогазовую оболочку и вместе с продуктами их разложения уходят в атмосферу.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении стабильности температуры нагрева и долговечности применяемого электролита.
Сущность заявляемой полезной модели характеризуется тем, что устройство электролитного нагрева металлических изделий, содержащее рабочую камеру с электродом, систему крепления и токоподвода к обрабатываемому изделию с возможностью его вертикального перемещения и обрабатываемое изделие, согласно предлагаемой модели, дополнительно содержит наружную камеру, внутри которой помещена рабочая камера, и насос для отвода выделяющихся в рабочей камере газов в электролит, причем геометрические размеры наружной камеры в миллиметрах выполнены в соответствии с формулой:
h+10≤H≤K+15
,
15≤(D-d)/2≤50
где h - длина обрабатываемой детали, Н - высота потолка наружной камеры над поверхностью электролита, K - вертикальный габаритный размер системы крепления при ее размещении внутри наружной камеры, d - горизонтальный габаритный размер обрабатываемой детали, D - внутренний диаметр наружной камеры.
Технический результат заявляемого устройства электролитного нагрева металлических изделий заключается в выполнении дополнительного контура возвращения в электролит выделяющихся газов, обеспечивающего корректировку химического состава электролита, повышение его долговечности и стабилизацию температуры нагрева, что позволяет улучшить характеристики электролитной обработки.
Внутренняя высота наружной камеры Н должна превышать длину обрабатываемой детали хотя бы на 10 мм при размещении системы крепления снаружи камеры. При меньшем различии высоты камеры и длины детали имеется опасность оплавления потолка наружной камеры, поскольку температура детали, извлекаемой из электролита после обработки, может составлять сотни градусов. В случае размещения системы крепления внутри камеры высота камеры должна превышать вертикальный габарит системы крепления на величину зазора между системой крепления и поверхностью электролита не менее 20 мм во избежание электрического пробоя между ними. Превышение высоты наружной камеры над вертикальным габаритом системы крепления более, чем на 50 мм ведет к нецелесообразному увеличению объема камеры.
Внутренний диаметр наружной камеры должен превышать горизонтальный габарит обрабатываемой детали хотя бы на 30 мм во избежание электрического пробоя между деталью и стенкой-электродом рабочей камеры. Внутренний диаметр наружной камеры не должен превышать горизонтальный габарит обрабатываемой детали больше, чем на 50 мм во избежание неоправданного увеличения объема рабочей камеры и находящегося в ней электролита.
Насос, отводящий газы в электролит, размещается вне наружной камеры во избежание коррозионных повреждений его корпуса.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью Фиг. 1 - общий вид устройства. Устройство электролитного нагрева металлических изделий содержит рабочую камеру - 1 с электролитом - 2 и обрабатываемым изделием - 3, имеющим возможность перемещения по вертикали с помощью системы крепления и токоподвода - 4. Для повышения стабильности нагрева и долговечности применяемого электролита рабочая камера помещается в наружную камеру - 5, имеющую патрубок - 6 для отвода выделяющихся в зоне обработки паров и газов и их подачи в электролит с помощью насоса - 7. Размеры наружной камеры подчиняются следующему соотношению в миллиметрах:
h+10≤H≤K+50
15≤(D-d)/2≤50.
Устройство работает следующим образом. Обрабатываемое изделие помещается в наружную камеру и устанавливается в системе крепления. На деталь и стенки рабочей камеры подается рабочее напряжение, после чего обрабатываемое изделие погружается в электролит на заданную глубину. В момент соприкосновения детали с поверхностью электролита включается насос, который откачивает выделяющиеся из зоны обработки пары и газы и направляет их в электролит. Летучие компоненты электролита и продукты их разложения, растворяются в электролите и восстанавливают его состав и свойства. После окончания обработки деталь поднимается из электролита, напряжение отключается, деталь вынимается из крепления, промывается и сушится.
Предлагаемая модель поясняется примерами.
Пример 1. Обработка изделий в устройстве-прототипе.
Стальные образцы из стали 45 диаметром 12 мм и длиной 15 мм насыщались азотом в электролите, содержащем 15 масс. % хлорида аммония и 5% масс. % нитрата аммония, и закаливались. Напряжение на детали составляло 110 В и обеспечивало температуру азотирования 750°C в свежем электролите, продолжительность обработки каждого образца - 10 мин. Общая продолжительность эксплуатации электролита после азотирования 30 образцов составляла 300 мин. Температура электролита поддерживалась равной (20±2)°C на входе в рабочую камеру. Циркуляция электролита осуществлялась при величине расхода 3 л/мин. Использовалась рабочая камера диаметром 110 мм без наружной камеры, то есть с открытой поверхностью электролита (табл. 1).
Пример 2. Обработка изделий в предлагаемом устройстве
Стальные образцы из стали 45 диаметром 12 мм и длиной 15 мм насыщались азотом в электролите, содержащем 15 масс. % хлорида аммония и 5% масс. % нитрата аммония, и закаливались. Напряжение на детали составляло 110 В и обеспечивало температуру азотирования 750°C в свежем электролите, продолжительность обработки каждого образца - 10 мин. Общая продолжительность эксплуатации электролита после азотирования 30 образцов составляла 300 мин. Температура электролита поддерживалась равной (20±2)°C на входе в рабочую камеру. Циркуляция электролита осуществлялась при величине расхода 3 л/мин. Обработка выполнялась в устройстве с дополнительной наружной камерой внутренним диаметром 110 мм и высотой 275 мм, вертикальный габарит системы крепления составлял 230 мм (табл. 1).
Измерения показали, что температура образца при азотировании без возвращения газов в электролит увеличивается почти на 40°C из-за изменения состава электролита и остается практически неизменной при возвращении газов в электролит. Концентрация источника азота, ионов аммония, увеличивается почти на два порядка благодаря возвращению паров и газов в электролит. Кроме того, корректировка состава электролита путем возвращения испарившихся компонентов и продуктов их разложения приводит к уменьшению тока на 5%, снижению убыли массы образца за счет анодного растворения на 16,6%, увеличению поверхностной микротвердости образца в 1,4 раза, а эффективной толщины слоя в 1,7 раза.
Из данных таблицы 1 следует, что техническое решение поставленной задачи, а именно, повышение стабильности температуры нагрева и долговечности применяемого электролита достигается при возвращении выделяющихся газов в электролит путем использования наружной камеры, если ее размеры соответствуют предлагаемому соотношению.
Таким образом, выполнение предлагаемого устройства позволит обеспечить повышение стабильности нагрева, долговечности электролита и улучшить свойства обрабатываемого изделия.
Источники информации:
1. Roy A., Tewari R.K., Sharma R.C., Sherhar R. Feasibility study of aqueous electrolyte plasma nitriding // Surface engineering. - 2007. - V. 23. - No 4. - P. 243-246.
2. Патент РФ 124682 (C21D 1/00). Комаров A.O., Мухачева Т.Л., Белкин П.Н. Устройство электролитного нагрева металлических изделий / Опубл. в Бюл. №4, 10.02.2013.