Состав ванны для цианирования металлов и сплавов в жидких средах


 


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



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к химико-термической обработке металлов и сплавов, и может быть использовано при изготовлении деталей. .
Изобретение относится к области упрочнения восстановленных поверхностей стальных деталей. .

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

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.
Наверх