CZ288263B6 - Process of uniform thermal carburization of steel structural parts having areas that are difficult accessible from outside - Google Patents

Description

Způsob stejnoměrného tepelného nauhličování stavebních dílů z oceli, majících zvenčí těžko přístupné plochy

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu stejnoměrného tepelného nauhličování stavebních dílů z oceli, majících zvenčí těžko přístupné plochy, nebo dutých těles a otvorů, pomocí reaktivních plynů při teplotách nad 450 °C, zejména 870 až 1000 °C.

Dosavadní stav techniky

Tepelně chemické zpracování kovových stavebních dílů pro zhotovení vrstvy odolné vůči opotřebení a vůči korozi je při stavbě strojů a převodovek široce rozšířené. Jako tepelně chemické způsoby se používají například nitridace, nitrocementace, karbonitrace a cementace. Výhodnými procesními médii jsou směsi reaktivních plynů, které poskytují látky schopné difundovat, popřípadě látky tvořící sloučeniny na povrchu materiálu při zvolených teplotách zpracování. Vedle teploty, složení plynné směsi a druhu oceli jsou výsledky zpracování závislé také na tvaru stavebního dílu, na umístění uvnitř zařízení pro tepelné zpracování a na protékání reaktivním plynem.

Navzdory dlouhodobým zkušenostem a rozličným provozním modifikacím je možné z technického a provozního hlediska dosáhnout pouze nitridace nebo nauhličení ve směsích reaktivních plynů u komplikovaně tvarovaných stavebních dílů na vnitřních plochách, které jsou zvnějška těžko přístupné. Pod tímto se rozumí například ocelové díly s vnitřními břity, vnitřními vývrty nebo slepenými otvory, popřípadě trubky, kuličkové klece nebo tělesa trysek stvrzenými vnitřními plochami. Nedostatečná rovnoměrnost mezi vnitřními a vnějšími plochami je způsobena nedostatečným přístupem reaktivního plynu dovnitř dutých těles. Reaktivní plyn sice zaplní dutý prostor, avšak tento procesní plyn se na zpracovávaném materiálu ochudí, neboť výměna plynu s okolím neprobíhá vzhledem k prakticky nulové rychlosti proudění plynu uvnitř dutých těles. Běžně se pracuje s reakčními tlaky 0,1 MPa, to znamená za normálního tlaku.

Také periodické změny tlaku v podtlakové oblasti, jak je to například popsáno v patentovém spisu US č. 4 160 680, zlepšují nitridaci nebo vytváření uhlíkové vrstvy na těžce přístupných plochách pouze nepodstatně.

V DE-OS č. 19 01 607 byl zveřejněn způsob nitridování vnitřních povrchů trubek, u nichž je poměr délky k průměru větší než 50. Při tomto se vnitřní plocha uvádí do styku s aktivátorem a aktivním ammoniakovým plynem při teplotě v rozmezí 450 až 650 °C, který se vede trubkou, přičemž se musí v regulovatelných odstupech měnit směr proudění amoniaku. Také zde se nezískají rovnoměrné nitridové vrstvy, neboť reaktivní plyn je ve středu trubky ochuzen o aktivní součásti.

Dále je z DE-OS č. 28 51 983 znám způsob stejnoměrného nauhličování dutých těles s různými tloušťkami stěn a opatřenými vývrty, při kterém se části dutého tělesa zakrývají, popřípadě vystavují menší karbonizační aktivitě. Tento způsob je ale velmi náročný na čas a nepříznivý pro obsluhu.

Rada známých způsobů se týká nitridace stavebních dílů z oceli plynem pod tlakem.

JP-A-52 145 343 popisuje nitridaci krytů kazetových magnetofonů amoniakem pod tlakem. Také způsob nitridace podle DE-A-0 485 686 obrobků z ocele pracuje pod tlakem. US 2 779 697 popisuje způsob, při kterém se ocele nitridují plynným amoniakem pod tlakem

-1 CZ 288263 B6 v tlakových nádobách. V GB-A-749 992 je rovněž zveřejněn způsob nitridace ocelových povrchů, přičemž se používá amoniak pod tlakem.

ZEP-A-0 226 729 je znám způsob nauhličování stavebních dílů valivých ložisek, přičemž se nauhličování provádí při teplotách 800 až 1000 °C methanem a/nebo propanem jako plyny předávajícími uhlík.

SU č. 568 681 popisuje způsob cementace, který je ale málo produktivní, a neumožňuje zvýšit sycení povrchu výrobku, aniž by se změnila teplota procesu a rychlost proudu plynu. Hloubka vrstvy cementace není v různých částech povrchu výrobku stejná. Složení plynného média se mění v závislosti na složení vzduchu, který se dmychá z atmosféry, jeho složení není konstantní. Malá produktivita známého způsobu cementace je podmíněna malým rozdílem mezi rovnovážným obsahem oxidu uhelnatého v plynném médiu a rovnovážným obsahem oxidu uhelnatého v plynném médiu se stejnými složkami, který je ale v poměru k ocelovému výrobku neutrální. Tento rozdíl je ještě menší v důsledku různých teplot, na které se ocelové výrobky a plynné médium zahřívají.

Úloha vynálezu spočívá v tom, že se má zvýšit produktivita procesu a rovnoměrné sycení difuzní vrstvy uhlíkem se má dosáhnout tak, aby se zajistily výborné vlastnosti pro použití, jakož i aby se již použité plynné médium využilo pomocí cirkulace v uzavřeném prostoru v přítomnosti pevného uhlíku.

Podstata vynálezu

Uvedená úloha je vyřešena způsobem tepelného nauhličování stavebních dílů z oceli, majících zvenčí těžko přístupné plochy, jako jsou díly z podříznutími, slepené díry nebo tělesa trysek, plyny uvolňujícími při teplotách 870 až 1000 °C uhlík, při kterém se zpracování provádí při tlacích nad 0,2 MPa.

Podle výhodného provedení vynálezu se nauhličování provádí pomocí methanu.

Podle dalšího výhodného provedení vynálezu se zpracování provádí za konstantního tlaku.

Může se použít rovněž amoniak nebo jeho směs s 5 až 95 % obj. dusíku.

S překvapením se ukázalo, že při zhutnění reakčního plynu během fáze zpracování na tlaky vyšší než 0,2 MPa, k výše uvedeným těžkostem nedochází. Vyšší tlak reaktivního plynu uvnitř dutých těles způsobuje rychlé a úplné vytvoření okrajových vrstev. V reaktivním plynu obsažené množství reaktivní látky je postačující ktomu, aby se vytvořila typicky potřebná hloubka vytvrzení, popřípadě tloušťka vrstvy sloučeniny. Ochuzování reaktivní látky uvnitř dutého prostoru sice nastává, avšak ne na takovou koncentraci, při které by například byl omezen růst vrstvy sloučeniny. Koncentrace reaktivního plynu je uvnitř i vně vždy tak vysoká, že předávání například dusíku, uhlíku nebo bóru na zpracovávaný materiál je vesměs přítomnou koncentrací méně sníženo než při zpracování za normálního tlaku nebo podtlaku. Čím vyšší je tlak při zpracování než 0,2 MPa, tím nižší je procentuální změna složení procesního plynu difúzí, popřípadě reakcí do, popřípadě s výrobkem. Tím se také eliminují dosud známé rozdíly mezi vnitřními a vnějšími plochami zpracovávaných dutých těles.

Z uvedeného vyplývá, že rozdíly mezi vnějšími a vnitřními povrchy jsou velmi malé. Dodatečné vstřikování plynu nebo jeho recirkulace ve vnitřním prostoru tedy není nutná.

Jako reaktivní plyny nacházejí použití například amoniak, uhlovodíky, jako například methan nebo plyny poskytující bór, jako například fluorid boritý. Tlaky se všeobecně pohybují mezi 0,2 až 10 MPa, přičemž horní hranice je závislá na používané peci.

-2CZ 288263 B6

Přehled obrázků na výkrese

Na obrázku je znázorněna vstřikovací tryska.

Příklady provedení vynálezu

Následující příklad provedení vynálezu ozřejmuje výhody způsobu podle vynálezu.

Vstřikovací tryska z materiálu 16MnCr5 se nauhličuje vtlakutěsné peci methanem při 0,8 MPa po dobu 2 hodin při 930 °C. Vstřikovací trysky jsou při tom umístěny jako sypký materiál v prostoru pece pro šarže bez zvláštního uspořádání nebo nasměrování. Po ukončení zpracovávání se měří tloušťka nauhličené vrstvy vně na trysce a ve vnitřním vývrtu v místech 1, 2, 3 a 4 (viz obr.). Vně i uvnitř se vytvoří rovnoměrné hloubky nauhličení.

	místo měření	tloušťka vrstvy
vnější povrch	1	40 pm
vnitřní povrch	2	35 pm
vnitřní povrch	3	31 pm
vrtání trysky, průměr 0,2 mm	4	30 pm

Pozoruhodné je, že výstupní vývrty trysky na špičce trysky, která má průměr výstupního otvoru 0,2 mm a délku 1,5 mm, je na vnitřní ploše nauhličena. Tloušťka vrstvy je stejná jako tloušťka v celém vnitřním vrtání trysky.

Vysoká koncentrace reaktivních prvků v plynu pro zpracování umožňuje vysoký efekt zhuštění jednotlivých částí šarží. Dosud se musely pro rovnoměrné zpracování jednotlivých dílů dodržovat určité, empiricky zjišťované, rozestupy mezi jednotlivými díly. Tyto rozestupy se dají při tlacích 0,2 MPa zmenšit, aniž by tím utrpěla rovnoměrnost vytváření vrstev.

Pro nauhličení se dají používat všechny známé nauhličovací plyny.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob stejnoměrného tepelného nauhličování stavebních dílů z oceli, majících zvenčí těžko přístupné plochy, jako jsou díly s podříznutími, slepé díry nebo tělesa trysek, plyny uvolňujícími při teplotách 870 až 1000 °C uhlík, vyznačující se tím, že se zpracování provádí při tlacích nad 0,2 MPa.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se pro nauhličování použije methan.
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že se zpracování provádí za konstantního tlaku.