СПОСОБ БЕЗОКИСЛИТЕЛЬНОГО НАГРЕВА ТЕРМООБРАБАТЫВАЕМЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ В МУФЕЛЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR THERMO-TREATED METAL ITEMS NON-OXIDATION HEATING IN AIR MEDIUM IN MUFFLE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области термообработки и может быть использовано для безокислительного нагрева металлических изделий с восстановлением окислов при термообработке, нагреве под пластическую деформацию черных и цветных металлов и сплавов. Известны и широко применяются способы защиты от окисления изделий при термообработке с применением восстановительных и инертных сред, вакуума и покрытий. Так, способ термообработки металлических деталей включает нагрев, выдержку и охлаждение деталей в герметизированном муфеле печи, который вакуумирован и заполнен защитной атмосферой (заявка на изобретение 99126303 С21D 1/74, F28B 5/04, F27d 1/18. Способ термической обработки деталей из металлов, сталей и сплавов). При этом муфель герметизируют затвором с засыпкой соответствующих активаторов. Воздействие таких факторов, как герметичность муфеля, вакуумирование, применение защитных восстановительных сред и активаторов повышает защиту от окисления при темообработке. Однако благодаря множеству технологических операций способ сложен в исполнении и дорогостоящий.
Известен способ термообработки изделий, позволяющий исключить окисление поверхности медной ленты и разрушить оксидную пленку (патент 2352646, C21D, F27B. Способ отжига изделий в защитной среде и печь для его осуществления). Способ включает укладку изделий в герметичный контейнер, откачку из него воздуха, заполнение его защитным газом, нагрев изделий в печи, охлаждение изделий вместе с контейнером. После укладки изделий в контейнер дополнительно вводят восстановитель. Способ также сложен в исполнении и дорогостоящий из-за необходимости обеспечения герметичности контейнера, его вакуумирования, заполнения защитным газом и применением восстановителя.
Для реализации данного способа известна печь, содержащая герметичный контейнер, где предусмотрена откачка атмосферного воздуха и заполнение его защитным газом. Возле боковой поверхности контейнера выполнен карман для размещения в нем восстановителя. Данное устройство сложное в изготовлении и дорогостоящее из-за герметичности контейнера, откачки из него воздуха, заполнения защитным газом и введения восстановителя. Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является «Способ нагрева изделий, а.с. 619529, кл. C21D 9/00, F27D 5/00», который взят нами за прототип. Для обеспечения безокислительного нагрева и восстановления окислов изделия располагают с зазором относительно муфеля, который определяют из формулы:  где δ - величина зазора, В - диаметр круга, площадь которого равна площади поперечного сечения изделий, К - наибольший внутренний диаметр муфеля (мм), при котором возможен безокислительный нагрев изделий с любыми размерами, который устанавливается опытным путем. Величина К зависит от материала муфеля и нагреваемого металла изделия, температуры и формы муфеля. Так, при 900°С в муфелях круглого сечения, когда муфели выполнены из углеродистой стали и Х18Н10Т, при нагреве материалов из углеродистой стали и меди К=16-19, тогда как при нагреве меди в медном муфеле К=8. Способ прост в исполнении и нашел применение при нормализации мелких изделий. Данный способ не позволяет обоснованно подбирать материал муфеля и обрабатываемого изделия, так как в одних случаях изделие окисляется, в других нет, что сдерживает применение. То же самое связано со скоростью охлаждения нагретого изделия в муфеле. В одних случаях изделие получается окисленным, в других нет.
Для предлагаемого устройства наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является устройство, используемое в «Способе нагрева изделий, а.с. 619529», которое также взято нами за прототип. Оно содержит нагревательную печь и трубчатый муфель с открытым торцом в воздушной среде. Изделия для термообработки располагают внутри муфеля в зоне нагрева с определенным зазором относительно стенки муфеля. Данное устройство просто в изготовлении и эксплуатации, но имеет существенный недостаток. Одни изделия при нагреве не окисляются, а другие окисляются, что не позволяет более широко и обоснованно использовать данное устройство. Решаемая техническая задача - расширение технологических возможностей безокислительного нагрева термообрабатываемых металлических изделий в воздушной среде в муфеле - а именно обоснованным применением материалов муфелей и нагреваемых термообрабатываемых металлических изделий.
Решаемая техническая задача в способе безокислительного нагрева термообрабатываемых металлических изделий в воздушной среде в муфеле, включающим размещение изделий в муфеле с зазором относительно стенки муфеля, определяемым по формуле  где δ - величина зазора, В - диаметр круга, площадь которого равна площади поперечного сечения металла, К - внутренний диаметр муфеля, (мм), помещение муфеля в нагревательную печь и нагрев изделий выше 670°С достигается тем, что изделия размещают в предварительно нагретый муфель, после размещения изделий торец муфеля, связанный с воздушной средой, оставляют открытым или закрывают, при этом муфель выполняют из материала, имеющего меньший потенциал, чем потенциал металла изделия, которые при нагреве в воздушной среде образуют гальваническую пару. При этом муфель выполняют металлическим с оксидным наружным слоем или муфель выполняют из оксидов - кварца, или фарфора, или керамики, или металлокерамики, с подложкой из материала, имеющего меньший потенциал, чем потенциал металла изделия.
Решаемая техническая задача в устройстве безокислительного нагрева термообрабатываемых металлических изделий в воздушной среде в муфеле, содержащее нагревательную печь, размещенный в ней муфель в котором изделия размещены с зазором относительно стенки муфеля, определяемым по формуле  где - δ величина зазора, В - диаметр круга, площадь которого равна площади поперечного сечения изделия, К - наибольший внутренний диаметр муфеля, (мм), достигается тем, что муфель выполнен из материала, имеющего меньший потенциал, чем потенциал металла изделия, которые при нагреве в воздушной среде образуют гальваническую пару, при этом торец муфеля, связанный с воздушной средой, выполнен открытым или с дверцей. Муфель выполнен металлическим с наружным слоем из оксида или муфель выполнен из оксидов - кварца, или фарфора, или керамики, или металлокерамики и с подложкой из материала, имеющего меньший потенциал, чем потенциал металла изделия, являющегося элементом муфеля.
На фиг.1 показано устройство для реализации предлагаемого способа; на фиг.2, 3 - варианты реализации способа; на фиг.4 - устройство для безокислительного нагрева металлических изделий с кварцевым муфелем. Устройство, изображенное на фиг.1, 4, содержит нагревательную печь 1 и размещенный в ней металлический муфель с оксидным наружным слоем, где 2 - металлическая основа муфеля, 3 - оксидный наружный слой муфеля. Торец муфеля, связанный с внешней средой, снабжен дверцей 4 для закрытия. Муфель выполнен из материала, имеющего меньший потенциал, чем термообрабатываемое металлическое изделие 5. В муфеле 6, выполненном из оксидов - кварца, или фарфора, или керамики, или металлокерамики, под его внешней поверхностью расположена подложка 7, материал которой имеет меньший потенциал, чем потенциал металла изделия.
Рассмотрим осуществление способа с использованием предлагаемого устройства. Для осуществления способа по формуле определяют величину максимально допустимого зазора и располагают изделие в муфеле так, чтобы зазор между изделием и муфелем не превышал полученную величины. Некоторые значения К для определения δ приведены выше. Муфель, состоящий из металлической основы 2 и оксидного наружного слоя 3, который получают предварительной термообработкой муфеля при температуре 900°С или целиком из оксидов: кварца, фарфора, керамики или металлокерамики (фиг.4). Муфель нагревают до требуемой температуры и затем загружают изделие 5. Это позволяет снизить окисление металла пока он выйдет на безокислительный и восстановительный процессы при температуре выше 670°С. Изделие выдерживают требуемое время термообработки и муфель с изделием вынимают из печи 1.
При быстром охлаждении мелких металлических изделий вне печи в муфеле они получаются светлыми. При медленном охлаждении массивных образцов они окисляются при охлаждении. Можно охлаждать их в жидкой среде (вода, масло и др.).
Способ безокислительного нагрева металлов с восстановлением окислов реализуется следующим образом. Материал металлического муфеля с оксидным внешним слоем должен иметь потенциал меньше, чем металл изделия. В качестве меры потенциала может быть использована работа выхода электронов. При безокислительном нагреве металлических изделий в муфелях из кварца, фарфора, керамики и металлокерамики внешняя их поверхность в процессе нагрева контактирует с подложкой 7, материал которой имеет также меньшую работу выхода электронов, чем обрабатываемый металл изделия. В таблицах 1, 2, 3 приведены результаты экспериментальных исследований, определяющие закономерность окислительно-восстановительных процессов от материалов муфеля и обрабатываемого металла изделия в предлагаемом способе.
Таблица 1.
Материал муфеля
Работа выхода электронов материала образцов, эВ.
железо
титан 4,14-4,5
никель 4,91-5,01
медь 4,36
железо 4,4-4,71
FeO
TiO<sub>2</sub>, 96-3,1
NiO 5.55
CuO 4,35-5,34
FeO 3,85
состояние поверхности образцов после термообработки
окисленная
светлая
светлая
светлая
Таблица 2.
Материал муфеля
Материал образцов
Состояние поверхности
медь
железо
светлая
титан
окисленная
никель
медь
окисленная
титан
окисленная
Таблица 3.
Материал муфеля
Материал подложки
Состояние поверхности материала образцов после термообработки*
железо
титан
железо
никель
Медь
кварц
окисленная
светлая
светлая
светлая
фарфор
окисленная
светлая
светлая
* Эксперименты проведены в муфелях диаметром 10 мм с временем нагрева 15 мин при 900°С образцов с размерами 20×7×1 мм.
Из таблицы 1 видно, что металлический муфель с оксидным внешним слоем имеет меньшую работу выхода электронов, чем никель, медь, и образцы получаются светлыми, неокисленными. Титан, проходя нагрев в муфеле, образует окисел TiO (до 15 окислов), имеющий работу выхода электронов 2,96-3,1 эВ, что значительно ниже работы выхода электронов FeO - 3,85 эВ, поэтому он окисляется. В муфелях из никеля и меди титан также имеет меньшую работу выхода электронов, чем никель и медь, и образцы получаются окисленными (табл.2). Электроны устремляются из металла с меньшей работой выхода электронов (Р.В.Э.) в металл с большей величиной Р.В.Э.
-5
Металл с меньшей Р.В.Э. заряжается положительно, а с большей Р.В.Э. заряжается отрицательно. Так, при нагреве железного муфеля до 900°С разность потенциалов между наружной и внутренней стенками в зоне нагрева составляет 4×10 В. Железный муфель внутри также получается светлым, неокисленным. Это происходит тогда, когда муфель изготовлен из того же материала, что и образец, и по его длине реализуется градиент потенциала вследствие различия в температуре, или когда муфель контактирует с элементами печи из более активного металла.
При нагреве металлов в кварцевых и фарфоровых муфелях при высоких температурах термообработки последние переходят в класс полупроводников и проводников, что и обеспечивает взаимодействие с материалом (подложкой), имеющим меньшую работу выхода электронов (табл.3).
Железный материал подложки с оксидами имеет Р.В.Э. 3,85 эВ, т.е. меньше, чем у никеля, меди и железа, что и обеспечивает безокислительный нагрев последних с восстановлением окислов. Как и в прототипе, образцы при нагреве окисляются, а затем при температуре выше 670°С восстанавливаются.
Титан же окисляется в кварцевом и фарфоровом муфелях. Аналогичные результаты получены для муфелей из керамики и металлокерамики.
На примере ст.20 исследовано состояние поверхности образца после нагрева в стальном муфеле. Спектральным анализом установлено, что при нагреве образцов до температур восстановления окислов 830°С и 950°С содержание кислорода, водорода и азота одинаково с их содержанием в исходных образцах (табл.4). При нагреве также не меняется содержание углерода (20%). При нагреве при 550°С поверхностный слой содержит значительное количество оксидов железа, а при 700°С оксиды методом рентгенофазового анализа вообще не наблюдаются (табл.5).
В предлагаемом способе между муфелем и нагреваемым металлом изделия, различающихся по значениям работ выхода электронов, при нагреве создается градиент потенциала, т.е. образуется гальванический элемент в воздушной среде, что обеспечивает безокислительный нагрев металлов.
Гальванический элемент образуется как при контакте, так и при малых расстояниях между ними. При наличии контакта между муфелем и нагреваемым металлом изделия гальванический элемент работает более эффективно. Процесс восстановления начинается при более низких температурах.
Таблица 4.
Содержание газов (в %) в образцах ст.20 в исходном состоянии и после нагрева в муфеле и в обычных условиях
Режим термообработки
В поверхностном слое
На глубине 0.01 мм
О<sub>2</sub>
N<sub>2</sub>
Н<sub>2</sub>
О<sub>2</sub>
N<sub>2</sub>
Н<sub>2</sub>
Исходный материал
0.010
0.010
2.0·10<sup>-4</sup>
0.006
0.010
2.0·10<sup>-4</sup>
830°С, муфель
30 мин
0.008
0.014
1.0·10<sup>-4</sup>
0.004
0.010
1.3·10<sup>-4</sup>
120 мин
0.008
0.010
1.0·10<sup>-4</sup>
0.006
0.012
2.0·10<sup>-4</sup>
950°С, муфель
30 мин
0.008
0.010
1.0·10<sup>-4</sup>
0.006
0.010
1.8·10<sup>-4</sup>
120 мин
0.005
0.012
1.4·10<sup>-4</sup>
0.006
0.012
1.6·10<sup>-4</sup>
950°С, обычные условия
30 мин
очень много
нет
1.9·10<sup>-4</sup>
много<sup>а</sup>
0.011<sup>а</sup>
2.0·10<sup>-4а</sup>
<sup>а</sup> после снятия окалины
Таблица 5.
Фазовый состав поверхностного слоя исходного образца ст.20 и после термообработки в стальном муфеле
Температура, °С
Фазовый состав
исходное состояние
α-Fe
900
α-Fe
700
α-Fe
600
α-Fe, незначительное количество Fе<sub>2</sub>О<sub>3</sub>, FeO
550
α-Fe, значительное количество Fе<sub>2</sub>О<sub>3</sub>, Fе<sub>2</sub>О<sub>3</sub>, FeO
В процессе термообработки при температурах восстановления уменьшается число дефектов на поверхности и образуются очень тонкие, но достаточно плотные малодефектные оксидные пленки, затрудняющие процесс дальнейшего окисления металлов. Способ может быть реализован в муфеле, где торец, связанный с воздушной средой, может быть как открытым, так и закрытым.
Предлагаемый способ безокислительного нагрева металлов с восстановлением окислов в воздушной среде в муфеле и устройство расширяют технологические возможности обоснованного его применения без защитных сред, вакуума и покрытий. Способ прост в реализации и не требует дорогостоящего оборудования и может быть использован при термической обработке металлических изделий, сварке, нагреве под деформацию, получении металлов из окислов, металлургических и других процессах.