PL204747B1

PL204747B1 - Sposób nawęglania wyrobów stalowych w podciśnieniu

Info

Publication number: PL204747B1
Application number: PL356921A
Authority: PL
Inventors: Piotr Kula; Józef Olejnik; Paul Heilman
Original assignee: Politechnika & Lstrok Odzka; Politechnika Łodzka; Seco Warwick Spo & Lstrok Ka Z; Seco/Warwick Społka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2010-02-26
Also published as: US7550049B2; PL356921A1; DE60309343T2; EP1558781B1; EP1558781A1; US20060016525A1; ES2276161T3; WO2004040033A1; DE60309343D1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób nawęglania wyrobów stalowych, głównie elementów maszyn, pojazdów i wszelkich urządzeń mechanicznych, w piecach próżniowych pod obniżonym ciśnieniem w podwyższonej temperaturze.

Znana jest z opisu patentowego USA 6 187 111 metoda nawęglania przedmiotów wykonanych ze stali w komorze pieca, w której wytworzona zostaje próżnia od 1 do 10 hPa a temperatura, w której proces nawęglania, utrzymywana jest w zakresie od 900 C do 1100°C. Nośnikiem węgla jest w niej gazowy etylen. Inny opis/patentowy USA, 5 205 873, opisuje proces nawęglania przebiegający w niskim ciśnieniu w komorze pieca podgrzanej do temperatur z zakresu 820°C do 1100°C. Proces ten rozpoczyna się w komorze, w której wytworzono wstępną próżnię na poziomie 10^-1 hPa w celu usunięcia powietrza. Następnie, po napełnieniu komory czystym azotem wkłada się do niej elementy, które mają być nawęglone. W załadowanej komorze wytwarza się próżnię na poziomie 10^-2 hPa i podgrzewa się wsad do temperatury austenityzacji, utrzymując tą temperaturę do czasu wyrównania temperatury w przekroju nawęglanych elementów, po czym napełnia się komorę pieca wodorem do ciśnienia 500 hPa. Następnie jako nośnik węgla wprowadza się etylen pod ciśnieniem od 10 do 100 hPa i wytwarza się mieszankę gazow ą , w skł ad której wchodzi wodór i etylen, gdzie etylen stanowi od 2% do około 60% udziału objętościowego mieszanki.

Z kolei metoda nawęglania opisana w patencie amerykańskim nr US 5 702 540 polega na tym, że wsad jest nagrzewany w próżni, zaś nośnikiem węgla są gazowe węglowodory alifatyczne. Metoda ta może być także stosowana w procesie węgloazotowania poprzez równoczesne wprowadzenie do komory pieca próżniowego nośnika azotu aktywnego z nośnikiem węgla.

Istota sposobu nawęglania według wynalazku polega na tym, że w komorze pieca próżniowego, w atmosferze próżni, wstępnie nagrzewa się wsad do temperatury około 400°C, następnie, w drugim etapie, do komory wprowadza się nośnik azotu aktywnego, korzystnie amoniak, aż do momentu uzyskania przez wsad temperatury procesu nawęglania, przy czym, podczas drugiego etapu, w komorze pieca próżniowego utrzymuje się ciśnienie w przedziale od 0,1 do 50 kPa (1-500 mbarów), korzystnie od 0,1 do 5 kPa (1-50 mbarów), z kolei, w trzecim etapie, utrzymując stałą temperaturę, do komory wprowadza się nośnik węgla, po czym, w czwartym etapie, wygrzewa się nawęglony wsad w stałej temperaturze, zaś w piątym etapie chłodzi się go do temperatury pokojowej.

Korzystnym jest gdy nośnik azotu aktywnego, wprowadzany do komory pieca próżniowego w drugim etapie, podaje się w sposób cią g ł y lub impulsowy.

Korzystnym jest także gdy temperaturę procesu nawęglania w trzecim i czwartym etapie utrzymuje się na poziomie co najmniej 950°C, przy czym wprowadzany w trzecim etapie nośnik węgla ma korzystnie postać mieszaniny etylenu i acetylenu w proporcji objętościowej równej 1, zmieszanej z wodorem w proporcji obję toś ciowej równej 1,17.

Przedstawiony sposób nawęglania cechuje się możliwością efektywnego stosowania górnego zakresu temperatur nawęglania, co jest możliwe dzięki zablokowaniu rozrostu ziaren austenitu wskutek wstępnego nasycenia warstwy wierzchniej wsadu azotem, a to w konsekwencji skutkuje znacznym przyśpieszeniem procesu.

Wynalazek zostanie przybliżony na podstawie przedstawionych poniżej wybranych przykładów, które nie wyczerpują dalszych jego zastosowań.

P r z y k ł a d 1

Do komory pieca próżniowego o wymiarach 200x200x400 mm załadowano elementy ze stali niskowęglowych Cl5, 16CrMn5 i 17CrNiMo o łącznej powierzchni 0,4 m². Po nagrzaniu ich w próżni do temperatury 400°C, do wnętrza komory pieca podano amoniak ze stałą wydajnością 50 l/godzinę utrzymując stałe ciśnienie atmosfery obróbczej 0,5 kPa. Po osiągnięciu przez elementy stalowe temperatury 950°C, zaprzestano podawać amoniak, natomiast w stałej temperaturze komory pieca próżniowego przez dwadzieścia minut wprowadzano atmosferę nawęglającą wytworzoną z nośnika węgla w postaci mieszaniny etylenu i acetylenu w proporcji obję toś ciowej 1, zmieszanego z wodorem w proporcji objętościowej 1,17, ze stałą wydajnością 190 l/godz., wytwarzając w komorze pieca ciśnienie pulsujące w przedziale od 0,3 do 0,8 kPa. Przez kolejne 8 minut elementy stalowe wygrzewano w próż ni w temperaturze 950°C a następnie ochł odzono powoli w próż ni do temperatury pokojowej. Na poszczególnych elementach stalowych wytworzono warstwy nawęglone o poniższych parametrach.

PL 204 747 B1

Gatunek stali	Stężenie powierzchniowe węgla [%]	Grubość wg kryterium struktury granicznej - 50% perlitu i 50% ferrytu [mm]	Wielkość ziarna austenitu pierwotnego [mm]
C15	0,65	0,40 +/- 0,005	40%-0,008 60%-0,011
16CrMn5	0,71	0,46 +/- 0,005	50%-0,011 50%-0,013
17CrNiMo	0,72.	0,47 +/- 0,005	70%-0,011 30%-0,016

Wszystkie elementy stalowe po nawęglaniu wykazywały czystą błyszczącą powierzchnię bez śladów sadzy i smoły.

P r z y k ł a d 2

Do komory pieca próżniowego o wymiarach 200x200x400 mm załadowano elementy ze stali niskowęglowych 16CrMn5 i 17CrNiMo o łącznej powierzchni 0,4 m². Po nagrzaniu ich w próżni do temperatury 400°C do wnętrza komory pieca podano amoniak ze stałą wydajnością 50 l/godzinę utrzymując stałe ciśnienie atmosfery obróbczej 0,5 kPa. Po osiągnięciu przez elementy stalowe temperatury 950°C, zaprzestano podawać amoniak, natomiast w stałej temperaturze komory pieca próżniowego przez dwadzieścia minut wprowadzano atmosferę nawęglającą wytworzoną z nośnika węgla w postaci mieszaniny etylenu i acetylenu w proporcji objętościowej 1, zmieszanego z wodorem w proporcji objętościowej 1,17 ze stałą wydajnością 190 l/godz., wytwarzając w komorze pieca ciśnienie pulsujące w przedziale od 0,3 do 0,8 kPa, Przez kolejne 20 minut elementy stalowe wygrzewano w próż ni w temperaturze 950°C a nast ę pnie och ł odzono szybko do temperatury pokojowej w azocie przy ciśnieniu podwyższonym do 0,6 kPa. Na poszczególnych elementach stalowych wytworzono warstwy nawęglone o poniższych parametrach.

Gatunek stali	Twardość na powierzchni [HV₀₁]	Grubość wg kryterium twardości granicznej 500 HV₀₁
16CrMn5	744	0,48 +/- 0,005
WCrNiMo	820	0,49 +/- 0,005

P r z y k ł a d 3

Do komory pieca próżniowego o wymiarach 200x200x400 mm załadowano elementy ze stali niskowęglowych C15, 16CrMn5 i 17CrNiMo o łącznej powierzchni 0,4 m². Po nagrzaniu ich w próżni do temperatury 400°C do wnętrza komory pieca podano amoniak ze stalą wydajnością 50 l/godzinę utrzymując stałe ciśnienie atmosfery obróbczej 0,5 kPa. Po osiągnięciu przez elementy stalowe temperatury 1000°C, zaprzestano podawać amoniak, natomiast w stałej temperaturze komory pieca próżniowego przez dwadzieścia pięć minut wprowadzano atmosferę nawęglającą wytworzoną z nośnika węgla w postaci mieszaniny etylenu i acetylenu w proporcji objętościowej 1, zmieszanego z wodorem w proporcji objętościowej 1,17, przy stałej wydajności 270 l/godz., wytwarzając w komorze pieca ciśnienie pulsujące w przedziale od 0,3 do 0,8 kPa. Przez kolejne pięć minut elementy stalowe wygrzewano w próżni w temperaturze 1000°C a następnie ochłodzono powoli w próżni do temperatury pokojowej. Na poszczególnych elementach stalowych wytworzono warstwy nawęglone o poniższych parametrach.

Gatunek stali	Stężenie powierzchniowe węgla [%]	Grubość wg kryterium struktury granicznej - 50% perlitu i 50% ferrytu [mm]	Wielkość ziarna austenitu pierwotnego [mm]
C15	0,66	0,52 +/- 0,005	70%-0,011 30%-0,013
16CrMn5	0,70	0,58 +/- 0,005	50%-0,013 50%-0,016
17CrNiMo	0,70	0,59 +/- 0,005	6Q%-0,013 40%-0,016

PL 204 747 B1

Claims

1. Sposób nawęglania wyrobów stalowych w podciśnieniu, znamienny tym, że w komorze pieca próżniowego, w atmosferze próżni, wstępnie nagrzewa się wsad do temperatury około 400°C, następnie, w drugim etapie, do komory wprowadza się nośnik azotu aktywnego, korzystnie amoniak, aż do momentu uzyskania przez wsad temperatury procesu nawęglania, przy czym, podczas drugiego etapu, w komorze pieca próżniowego utrzymuje się ciśnienie w przedziale od 0,1 do 50 kPa (1-500 mbarów), korzystnie od 0,1 do 5 kPa (1-50 mbarów), z kolei, w trzecim etapie, utrzymując stałą temperaturę, do komory wprowadza się nośnik węgla, po czym, w czwartym etapie, wygrzewa się nawęglony wsad w stałej temperaturze, zaś w piątym etapie chłodzi się go do temperatury pokojowej.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nośnik azotu aktywnego, wprowadzany do komory pieca próżniowego w drugim etapie, podaje się w sposób ciągły lub impulsowy.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że temperaturę procesu nawęglania w trzecim i czwartym etapie utrzymuje się na poziomie co najmniej 950°C, przy czym wprowadzany w trzecim etapie nośnik węgla ma korzystnie postać mieszaniny etylenu i acetylenu w proporcji objętościowej równej 1, zmieszanej z wodorem w proporcji objętościowej równej 1,17.