Цилиндрическая камера для азотирования малогабаритных изделий из инструментальной стали

Полезная модель относится к электрооборудованию для химико-термического азотирования малогабаритных изделий из инструментальной стали, например, режущий и штамповый инструмент.
Для повышения твердости и износостойкости изделий из инструментальных сталей, в том числе в качестве подслоя для инструментальных покрытий, на поверхности инструмента химико-термическими методами формируют градиентные нитридные слои.
Известные способы азотирования изделий из инструментальной стали характеризуются значительной продолжительностью процесса или его технологической сложностью, а также токсичностью используемых веществ [Теория и технология азотирования / Лахтин Ю.М., Коган Я.Д., Шпис Г.И., Бемер З. // М: Металлургия, 1991. - 320 с.]. В большинстве случаев на производстве применяются специализированные камерные печи, в которых нагрев системы «реакционная среда-изделие» осуществляется за счет резистивных электронагревателей, что увеличивает длительность достижения рабочих температур. Использование других методов нагрева позволит оптимизировать или ускорить процесс.
Известна установка для азотирования стальных изделий, содержащая муфельную печь и размещенный в ее полости реактор с электроприводом, оборудование для приготовления и подачи газообразной азотосодержащей рабочей среды, например, аммиака в реактор, систему охлаждения в виде емкости с маслом в загрузочном контейнере. Реактор с помощью электродвигателя вращается с определенной скоростью, позволяя тем самым стальным изделиям, поступающим из контейнера, скользить по спиралевидному бурту под действием силы тяжести, перемещаясь непрерывно сверху вниз. Далее обработанные детали после азотирования поступают в емкость с маслом, где охлаждаются в герметичных условиях [патент RU на полезную модель №148230 / Л.Г. Петрова, В.А. Александров, П.Е. Демин, А.Ю. Малахов, А.А. Брежнев // Установка для азотирования стальных изделий. - 2014.].
Недостатком конструкции данного устройства для химико-термической обработки является отсутствие технической возможности, обеспечивающей ускоренный нагрев металлических изделий до задаваемой температуры и применение токсичных газов. Кроме того, устройство не предусматривает фиксацию ответственных изделий во время обработки, а также имеет конструктивно сложные элементы - контур масленого охлаждения контейнера и вращающийся реактор.
Известен способ азотирования деталей и устройство для его осуществления, включающее газостат с камерой, внутри которой находится контейнер для деталей, состоящий из стакана и закрывающего его аксиального с ним колпака, при этом высота стакана и его диаметр связаны соотношением 1,5-5,0, стакан имеет две полости: верхнюю и нижнюю, которые разделены горизонтальной перегородкой с отверстиями, общая площадь отверстий составляет от 5 до 80% от всей площади перегородки, зазор между стенками колпака и стакана составляет от 0,006 до 0,06 диаметра стакана, высота h нижней полости стакана составляет не более 40% от высоты стакана, ко дну колпака перпендикулярно ему пристыкована трубка, которая проходит через верхнюю полость стакана с деталями в нижнюю полость стакана, где расположен поглотитель, представляющий собой порошковый материал с размерами фракций от 0,05 мм до 1,0 мм, в стенках трубки в местах контактирования с поглотителем выполнены боковые отверстия для более равномерного продвижения газа через поглотитель, [патент RU на изобретение №2506342 / Г.С. Белоусов, А.В. Омельченко, Г.А. Филиппов, В.А. Углов, О.В. Ливанова, М.Е. Гетманова, А.В. Белоусов // Способ азотирования деталей и устройство для его осуществления. - 2014.].
Недостатком конструкции данного устройства для азотирования является отсутствие технической возможности, обеспечивающей ускоренный нагрев металлических изделий до задаваемой температуры и снижение продолжительности процесса азотирования. Кроме того, устройство имеет конструктивно сложные элементы - стакан, подводящий рабочую среду, и горизонтальную разделительную перегородкой.
Ближайшим прототипом, по мнению авторов, является устройство для индукционно-термического оксидирования малогабаритных титановых изделий, включающее цилиндрическую камеру оксидирования, выполненную с присоединительным элементом с одной стороны для поступления окислительной среды в рабочий объем камеры и с редукционным клапаном с другой противоположной стороны для технической возможности нагнетания и обновления окислительной газовой среды при заданной величине давления. Системы нагрева и охлаждения камеры оксидирования выполнены в виде водоохлаждаемого спирального индукционного нагревателя, помещенного в защитный кожух, [патент RU на полезную модель №180719 / А.А. Фомин, А.Ю. Щелкунов, И.В. Родионов, В.А. Конгуро, И.С. Егоров, А.В. Войко // Устройство для индукционно-термического оксидирования малогабаритных титановых изделий. - 2018.].
Недостатком конструкции данного электротермического устройства является отсутствие технической возможности, обеспечивающей подачу в камеру избыточного давления рабочей среды, а также отсутствие устройства фиксации и центрирования обрабатываемых изделий внутри камеры. Кроме того, в данном устройстве отсутствуют конструктивные элементы, выполняющие роль стяжки торцевых частей камеры, для работы под высоким давлением, также для присоединения редукционного клапана к переходной резьбовой втулки используется клеевое соединение.
Задача полезной модели заключается в разработке конструкции электротермического устройства, создающей техническую возможность для заполнения камеры газообразным азотом под высоким давлением, обновления рабочей среды в процессе индукционной химико-термической обработки, что позволит эффективно проводить процесс азотирования и контролировать его.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для индукционного химико-термического азотирования малогабаритных изделий из инструментальной стали, содержащем цилиндрическую камеру азотирования, переходной штуцер для подвода газовой рабочей среды, систему нагрева и охлаждения, включающую спиральный индукционный нагреватель с полостью для циркуляции воды, а также регулируемый редукционный клапан, согласно новому техническому решению изделия размещаются на титановой опорной втулке с отверстиями для подачи рабочей газовой среды, установленной посредством резьбового соединения на нижнем основании, которое через резиновые прокладки и керамическую камеру соединяется с верхним основанием посредством стягивающих резьбовых соединителей.
Технический результат полезной модели состоит в возможности проведения индукционного химико-термического азотирования малогабаритных изделий из инструментальной стали при разном повышенном давлении и составе азотосодержащей среды, что позволяет эффективно проводить и контролировать процесс азотирования.
Описание конструкции.
На фигуре приведена конструкция устройства для индукционного химико-термического азотирования малогабаритных изделий из инструментальной стали, где позициями обозначено: 1 - цилиндрическая камера азотирования, 2 - система нагрева и охлаждения, 3 - спиральный индукционный нагреватель, 4 - полость для циркуляции воды, 5 - титановая опорная втулка с отверстиями для подачи рабочей газовой среды, 6 - нижнее основание камеры с отверстием для подачи рабочей газовой среды, 7 - переходной штуцер для подачи рабочей газовой среды, 8 - элементы для стяжки нижнего и верхнего основания камеры, 9 - резиновые прокладки, 10 - верхнее основание камеры для соединения с редукционным клапаном, 11 - регулируемый редукционный клапан для отвода газовой рабочей среды, 12 - обрабатываемое изделий.
В цилиндрической, вертикальной камере азотирования 1 с нижней стороны расположена титановая опорная втулка 5 с отверстиями для равномерного распределения потока газовой рабочей среды внутри камеры, а также для фиксирования обрабатываемых изделий. Нижнее основание камеры 6 фиксирует опорную втулку 5, а также штуцер 7 для подвода газовой рабочей среды, причем соединение данных трех элементов осуществляется с плотной посадкой. Нижнее 6 и верхнее 10 основание камеры скреплены между собой с помощью элементов стяжки 8. Также соединение оснований 6 и 10 к цилиндрической камере 1 осуществляется с использованием резиновых прокладок 9, позволяющие избежать утечки рабочей газовой среды из камеры. На верхнее основание камеры азотирования 6 с помощью резьбового соединения закреплен регулируемый редукционный клапан 11. Редукционный клапан 11 предназначен для поддержания заданного давления рабочей газовой среды в камере азотирования 1 в процессе азотирования, а также для отвода газовой среды при ее обновлении в процессе азотирования. Причем внутренняя резьба редукционного клапана 11 совпадает с наружной резьбой присоединительной части верхнего основания 10. С внешней стороны цилиндрической камеры азотирования 1 располагается система нагрева и охлаждения 2, включающая спиральный индукционный нагреватель 3 с полостью для циркуляции воды 4.
Устройство работает следующим образом.
При снятом верхнем основании камеры 10 производят загрузку обрабатываемых малогабаритных изделий из инструментальной стали 12 в цилиндрическую камеру азотирования 1 устройства. Причем изделия 12 устанавливаются на титановую опорную втулку 5. После загрузки изделий закрывают цилиндрическую камеру азотирования 1 с одной стороны верхним основанием 10, присоединяя к нему редукционный клапан 11 посредством резьбового соединения. Такой тип присоединения верхнего основания 10 и редукционного клапана 11 к камере азотирования 1 является функционально удобным и конструктивно простым в процессе эксплуатации устройства, обеспечивает техническую возможность нагнетания и обновления рабочей газовой среды при заданной величине давления. При закрытии камеры между цилиндрической камерой азотирования 1, верхнем 10 и нижнем 6 основаниями устанавливаются резиновые прокладки 9. Далее верхнее 10 и нижнее 6 основания стягивают с помощью стягивающих элементов 8.
С нижней стороны камеры азотирования 1 через нижнее основание 6, опорную титановую втулку с отверстиями 5 и переходной штуцер 7 осуществляют принудительную подачу рабочей газовой среды. Посредством регулировочного клапана 11 ограничивают максимальное давление рабочей газовой среды. Далее включают систему нагрева и охлаждения 2, что предусматривает постоянную циркуляцию воды через полость 4 спирального индукционного нагревателя 3 в виде медной трубки, на который подают переменное напряжение от генератора (на чертеже не показан). При включении системы нагрева и охлаждения 2, генерируемые в изделии из инструментальной стали вихревые токи с помощью спирального индукционного нагревателя 3 способствуют нагреву изделия до задаваемой температуры. При эксплуатации устройства нагрев до заданной температуры азотирования определяют по теплокинетическим зависимостям, полученным с применением бесконтактного пирометрического метода измерения температуры при снятых верхнем основании 10 и редукционном клапане 11. По завершению процесса индукционного химико-термического азотирования производят отключение системы нагрева и охлаждения 2, открывают редукционный клапан 11, в результате чего происходит принудительное охлаждение металлического изделия газообразным азотом под давлением. Охлаждение осуществляется до температуры около 500°С. Далее редукционный клапан 11 перекрывают, и прекращают подвод газовой рабочей среды через присоединительный штуцер 7. При завершении процесса азотирования производят отсоединение верхнего основания 10 и редукционного клапана 11 цилиндрической камеры азотирования 1 и извлекают изделие из инструментальной стали из устройства.
Предложенное устройство для индукционного химико-термического азотирования малогабаритных изделий из инструментальной стали характеризуется простотой конструктивного исполнения и эксплуатационной надежностью, позволяющей проводить процесс при избыточном заданном давлении и составе рабочей газовой среды, что в свою очередь существенно увеличивает эффективность процесса азотирования и его контроля.