Состав ванны для цианирования металлов и сплавов в жидких средах

Авторы патента:

Костин Николай Анатольевич (RU)

Трусова Елена Валентиновна (RU)

Колмыков Валерий Иванович (RU)

C23C8/54 - цианирование

Владельцы патента RU 2533577:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курский государственный университет" (RU)

Изобретение относится к машиностроению, в частности к химико-термической обработке металлов или сплавов в жидких средах. Состав ванны для цианирования металлов и сплавов в жидких средах для насыщения азотом и углеродом содержит следующие компоненты, мас.%: карбамид (NH₂)₂CO - 40…45, углекислый натрий Na₂CO₃ - 35…40, хлористый натрий NaCl - 8…10 и едкий натр NaOH - остальное. Обеспечивается повышение технологичности приготовление состава ванны и экологической безопасности и, как следствие, повышение эксплуатационной стойкости деталей машин и инструментов. 1 табл.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к химико-термической обработке металлов и сплавов, и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов, работающих в условиях высоких контактных нагрузок и трения при недостатке смазки.

Известен способ Тенифер-процесс (Tenifer-Tufftride). Согласно этому способу цианирование производилось в цианистых средах такого состава: 40% NaCN+40% KCN+20% Na₂CO₃ (Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986. - С.300-301) /1/. Недостатками этого состава является высокая стоимость компонентов, высокая токсичность, что вызывает значительные проблемы, связанные с охраной окружающей среды (нейтрализация газов, сточных вод, отходов производства и т.п.) /1/.

Известен также состав ванны для низкотемпературного цианирования - «мягкого азотирования». Расплав карбамида с углекислыми солями калия или натрия (карбонатами) обеспечивает эффект упрочнения поверхностей стальных деталей (NH₂)₂CO - 55%; Na₂CO₃ - 45% (карбамидо-карбонатный)) (Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. - М., 1985. - С.183-186) /2/.

Недостатки указанного состава:

- технологические трудности, т.к. при очень низкой температуре плавления карбамида (133°C) и высокой температуре плавления углекислого натрия (854°C) и особенно углекислого калия (896°C) реакция карбамида с углекислыми солями (карбонатами) происходит очень бурно, с выделением большого количества газов и разбрызгиванием расплава;

- трудность регулирования состава диффузионного слоя, а также контроля состава расплава;

- трудности при освежении состава путем введения в него дополнительных порций карбамида;

- высокая токсичность солей в расплаве и сложности при обезвреживании цианистых отходов.

В качестве наиболее близкого аналога может быть выбран состав ванны для цианирования деталей машин и инструмента, включающий приготовление расплава карбамида с углекислыми солями калия или натрия, содержащий: (NH₂)₂CO - 55%; Na₂CO₃ - 45% /2/.

Технической задачей изобретения является повышение технологичности приготовления состава ванны и обеспечение экологической безопасности и, как следствие, повышение эксплуатационной стойкости деталей машин и инструментов.

Технический результат достигается тем, что в известный состав ванны для цианирования металлов и сплавов в жидких средах для насыщения азотом и углеродом, включающий карбамид и углекислый натрий, согласно изобретению, дополнительно вводят хлористый натрий и едкий натр при следующем соотношении компонентов (мас.%): карбамид (NH₂)₂CO - 40…45; углекислый натрий Na₂CO₃ - 35…40; хлористый натрий NaCl - 8…10; едкий натр NaOH - остальное.

Основной недостаток двухкомпонентной карбамидо-карбонатной ванны - значительные трудности, возникающие при ее приготовлении, так как температура плавления карбамида (133°C) очень низка по сравнению с температурой плавления углекислого натрия (854°) и особенно углекислого калия (896°C). При нагревании твердой смеси (порошков) названных веществ вначале плавится карбамид и начинает реагировать с частицами углекислого натрия, плавающими в жидкости. При этом выделяется большое количество газов. Реакция карбамида с углекислым натрием происходит очень бурно, с выделением большого количества газов и разбрызгиванием расплава.

В результате этого на поверхности ванны образуется большое количество пены, которая выносит из ванны жидкость и твердые частицы. При быстром нагреве смеси наблюдается интенсивное выплескивание расплава из тигля. Большое количество аммиака, выделяющегося при сплавлении компонентов карбамидо-карбонатной ванны, значительно загрязняет атмосферу в зоне работы печи.

Для уменьшения потери компонентов в процессе приготовления ванны на основе карбамида-углекислого натрия в ее состав дополнительно вводят хлористый натрий в количестве 8…10%. Хлористый натрий при данном соотношении значительно снижает температуру плавления солевой смеси и тем самым уменьшает разницу в температурах плавления карбамида и углекислого натрия.

Экспериментальные исследования показали, что при введении в ванну хлористого натрия ее выкипание при сплавлении компонентов прекратилось. Кроме недостатков известных ванн 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 карбамида.

Едкий натр, введенный в состав ванны, связывает цианистый водород в нелетучее вещество - цианистый натрий, тем самым делает карбамидсодержащую 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.

Технологический процесс состоит в следующем. Подобранный состав компонентов - карбамид (NH₂)₂CO - 40…45%, углекислый натрий Na₂CO₃ - 35…40%, хлористый натрий NaCl - 8…10% и едкий натр NaOH - остальное расплавляли в специальном тигле, затем производили стабилизацию (старение) состава ванны в течение 2-3 часов, после чего в тигель с расплавом помещали исследуемые образцы.

Как показали эксперименты, активность предлагаемого состава ванны не уступает активности состава на основе карбамида (карбамидо-карбонатный), а также состава ванны, используемого для цианирования стальных изделий по методу Tenifer-Tufftride (табл.1).

Таблица 1
Результаты цианирования стали 20 в соляных ваннах различных составов (570°C)
№ п/п	Состав, % масс	Глубина диффузионного слоя	Примечание
Общая	Зоны карбонитридов
1	NaCN - 40; KCN - 40; N₂CO₃ - 20 (Tenifer-Tufftride)	780	12	Состав стабильный
2	(NH₂)₂CO - 55; Na₂CO₃ - 45 (карбамидо-карбонатная)	810	18	Повышенная летучесть (выкипание)
3	(NH₂)₂CO - 40…45; Na₂CO₃ - 35…40; NaCl - 8…10; NaOH - остальное	790	16	Состав стабильный

Состав ванны для цианирования металлов или сплавов в жидких средах для насыщения азотом и углеродом, содержащий карбамид и углекислый натрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хлористый натрий и едкий натр при следующем соотношении компонентов, мас.%:

карбамид (NH₂)₂СО	40…45
углекислый натрий Na₂CO₃	35…40
хлористый натрий NaCl	8…10
едкий натр NaOH	остальное

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к химико-термической обработке металлов и сплавов, и может быть использовано при изготовлении деталей. .

Способ упрочнения металлических поверхностей сульфоцианированием // 2355815

Изобретение относится к области упрочнения восстановленных поверхностей стальных деталей. .

Способ подготовки поверхности деталей к обработке резанием // 1793005

Способ химико-термомеханической обработки стальных изделий // 1479548

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для упрочнения изделий, работающих в условиях интенсивного износа. .

Способ упрочнения стальных деталей // 1224352

Способ сульфидирования стальных изделий // 1151589

Способ нитрирования металлов в соляных ваннах // 149727

Способ неглубокого цианирования // 114391

Способ обезвреживания цианистых отходов ванн цементации или глубокого планирования // 95511

Состав и способ эксплуатации низкоцианистой ванны для глубокого высокотемпературного цианирования // 75892

Способ активирования изделия из пассивного черного или цветного металла до науглероживания, азотирования и/или азотонауглероживания // 2536841

Изобретение относится к способу поверхностного упрочнения изделия из нержавеющей стали, никелевого сплава, кобальтового сплава или материала на основе титана. Обеспечивается нагревательное устройство, имеющее первую зону нагрева ниже по ходу от второй зоны нагрева, впуск газа и выпуск газа для прохождения газа через нагревательное устройство, нагрев изделия в упомянутой первой зоне нагрева до первой температуры в диапазоне 185-500°С, нагрев по меньшей мере одного соединения N/C, содержащего азот и углерод, в упомянутой второй зоне нагрева до второй температуры 135-450°С, которая ниже, чем первая температура, для образования одного или более газообразных веществ. При этом упомянутое соединение имеет одинарную, двойную или тройную связь углерод-азот и является жидким или твердым при температуре 25°С и давлении 1 бар. Осуществляется прохождение газа с использованием газа-носителя, который является неокисляющим по отношению к изделию, для контактирования изделия с газообразными веществами для активации изделия и последовательное нагревание изделия в этом нагревательном устройстве в присутствии газообразных веществ до температуры азотонауглероживания, которая является по меньшей мере такой же высокой, как и первая температура, и составляет менее 500°С. Обеспечивается повышенная твердость и усталостная прочность обработанных указанным способом изделий. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 8 ил., 8 пр.

Способ охлаждения металлических деталей, которые были подвергнуты обработке азотированием/нитроцементацией в ванне с расплавленной солью, устройство для осуществления способа и обработанная металлическая деталь // 2596539

Изобретение относится к способу и устройству для охлаждения металлических деталей, подвергнутых обработке азотированием/нитроцементацией в ванне с расплавленной солью, и детали, обработанной указанным способом. До окончания указанной обработки азотированием/нитроцементацией осуществляют откачивание кислорода из охлаждающей камеры (1) для создания в ней инертной атмосферы, заполняют хладагентом в жидкой форме, обладающим сильной способностью к расширению объема при испарении. Все обработанные детали перемещают в охлаждающую камеру (1), охлаждающую камеру (1) закрывают, детали оставляют в охлаждающей камере в течение заданного промежутка времени для достижения температуры, при которой соль застывает и образует защитный барьер. Затем детали извлекают и подвергают промывке. Устройство для охлаждения металлических азотированных деталей содержит установку для азотирования/нитроцементации в ванне с расплавленной солью для обработки деталей, при этом охлаждающая камера (1) размещена в непосредственной близости от установки азотирования/нитроцементации и прикреплена к транспортировочной тележке для транспортировки всех деталей в указанную камеру. Обеспечивается отсутствие следов окисления-коррозии на поверхностях металлических деталей и улучшается их ковкость. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.