PL225591B1 - Mieszanina węglowodorowa do nawęglania elementów stalowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest mieszanina węglowodorowa do nawęglania elementów stalowych w warunkach podciśnienia, szczególnie stalowych części maszyn w piecach próżniowych.

Procesy nawęglania stosowane są powszechnie do dyfuzyjnego nasycenia warstwy powierzchniowej stali niskowęglowej dla uzyskania powierzchni zewnętrznej o dużej twardości i odporności na ścieranie, przy zachowaniu stosunkowo miękkiego i elastycznego rdzenia obrabianego elementu.

Znana jest, na przykład z opisu patentowego wynalazku nr PL 204 202 B1 chronionego również patentem nr EP 1 558 780 B1, mieszanina węglowodorowa do nawęglania stali w podciśnieniu, charakterystyczna tym, że zawiera nośnik węgla w postaci mieszaniny etylenu i acetylenu w proporcji objętościowej od 0,1 do 2,0 oraz modyfikator w postaci wodoru w ilości od 0,7 do 1,6 objętości nośn ika węgla, względnie w postaci amoniaku w ilości 07, do 5,0 objętości nośnika węgla. Zastosowanie takiej mieszaniny daje dobre rezultaty w odniesieniu do uzyskanej warstwy nawęglonej na przedmiotach obrobionych. Cechą niekorzystną tej mieszaniny jest występowanie w mieszaninie gazów o skrajnej skłonności wybuchowej, a przez to trudnych w użyciu oraz wymagających specjalnych warunków składowania. Dodatkowo występować może niestabilność składu tej mieszaniny ze względu na proporcje objętościowe jej składników, co w sposób oczywisty zmienia się wraz ze zmianą ciśnienia, jako że składniki występują w postaci gazowej. W praktyce zatem może wystąpić brak po wtarzalności uzyskanych wyników procesu nawęglania.

Znane jest, na przykład z opisu patentowego nr US 7 204 952 B1, nawęglanie przedmiotów zawierających żelazo w piecu pod obniżonym ciśnieniem z wykorzystaniem ciekłych węglowodorów o strukturze cyklicznej pierścieniowej o wzorze ogólnym C_nH_2n i liczbie atomów węgla od C₅ do C₆, a więc cyklopentanu C₅H₁₀, względnie cykloheksanu C₆H₁₂.

Nawęglanie prowadzone w warunkach podwyższonego ciśnienia z wykorzystaniem ciekłych węglowodorów, również o strukturze cyklicznej pierścieniowej i wzorze ogólnym C_nH_2n, znane jest także z opisu patentowego nr US 2008 302 281. Wykorzystanie takich węglowodorów jest utrudnione ze względu na to, że nie są one powszechnie dostępne na rynku.

Celem wynalazku jest wytworzenie mieszaniny węglowodorowej do nawęglania elementów stalowych, która w stosowanej technologii obróbki w warunkach podciśnienia pozwoli na uzyskanie pozytywnych skutków technicznych przy wykorzystaniu węglowodorów w stanie ciekłym, znacznie be zpieczniejszych w procesie nawęglania i możliwych do stabilnego dozowania.

Istota wynalazku polega na tym, że jako nośnik węgla mieszanina zawiera ciekłe węglowodory łańcuchowe określone wzorem ogólnym C_nH_2n+₂ o liczbie atomów węgla C od C₆ do C₁₁ pojedynczo lub w mieszaninie zawierającej heksan C₆H₁₄, heptan C₇H₁₆ i oktan C₈H₁₈, w których masowy udział węgla mieści się w zakresie 83,00 + 85,00% wag, przy czym węglowodory te występują w mieszaninie z wodorem w takiej proporcji, że na jedną jednostkę masy wodoru przypada 3 + 10 takich jednostek masy węglowodorów i/lub z amoniakiem w takiej proporcji, że na jedną jednostkę amoniaku przypada 0,75 + 2,5 takich jednostek masy węglowodorów.

Zasadniczą zaletą mieszaniny według wynalazku jest wykorzystanie do jej wykonania łatwo dostępnych węglowodorów łańcuchowych, bezpiecznych w operowaniu i przechowywaniu. Dodatkową korzyścią jest niższa cena tychże węglowodorów, co przekłada się wprost na poprawę relacji ekonomicznych procesu nawęglania produktów stalowych. Ponadto, proces nawęglania przebiega z pełną powtarzalnością rezultatu ze względu na stabilny skład mieszaniny, niezależny od wahań ciśnienia.

Wynalazek w jednym z możliwych zastosowań przedstawiono w poniższych przykładach wyk onania.

P r z y k ł a d 1

Do pieca próżniowego o przestrzeni roboczej 0,2 x 0,2 x 0,4 m załadowano detale wykonane ze stali z gatunku 16HG o łącznej powierzchni 0,37 m . Po wytworzeniu próżni roboczej 5 x 10^- mbar i osiągnięciu temperatury nawęglania 940°C rozpoczęto dozowanie ciekłych węglowodorów w postaci mieszaniny zawierającej głównie heksan C₆H₁₄, heptan C₇H₁₆ oraz oktan C₈H₁₈, w której masowy udział węgla był na poziomie 83,90% wag.

Mieszanina ta została użyta w proporcji masowej: 1 g wodoru i 7 g węglowodorów. Ciśnienie pulsacji ustalono na zakres 1 + 30 mbar, przy częstotliwości pulsacji 6 cykli/h i stałym przepływie mieszaniny odpowiednich węglowodorów i wodoru na poziomie 8 g/l cykl pulsacji. Po 24 cyklach pulsacji obrabianą próbkę poddano intensywnemu schładzaniu w azocie o ciśnieniu 4 bar do osiągnięcia temperatury otoczenia.

PL 225 591 B1

W wyniku badań metalograficznych stwierdzono, że warstwa nawęglona obrabianych detal i miała grubość w zakresie 0,75 + 0,8 mm z odchyłką ± 0,05 mm, uzyskana twardość powierzchniowa wynosiła ok. 450 HV, a w warstwie nawęglanej na głębokości 0,35 mm wynosiła 45 HRC.

P r z y k ł a d 2

Do pieca próżniowego o przestrzeni roboczej 0,2 x 0,2 x 0,4 m załadowano detale wykonane ze stali z gatunku 16HG o łącznej powierzchni 0,37 m . Po wytworzeniu próżni roboczej 5 x 10 mbar i osiągnięciu temperatury nawęglania 940°C rozpoczęto dozowanie ciekłych węglowodorów w postaci mieszaniny zawierającej głównie heksan C₆H₁₄, heptan C₇H₁₆ oraz oktan C₈H, w której masowy udział węgla był na poziomie 83,90% wag.

Mieszanina ta została użyta w proporcji masowej: 1 g wodoru i 7 g węglowodorów. Ciśnienie pulsacji ustalono na zakres 1 + 30 mbar, przy częstotliwości pulsacji 6 cykli/h i stałym przepływie mieszaniny odpowiednich węglowodorów i wodoru na poziomie 8 g/l cykl pulsacji. Po 12 cyklach procesu obrabianą próbkę poddano intensywnemu schładzaniu w azocie o ciśnieniu 4 bar do osiągnięcia temperatury otoczenia.

W wyniku badań metalograficznych stwierdzono, że warstwa nawęglona obrabianych detali miała grubość w zakresie 0,3 + 0,35 mm z odchyłką ± 0,05 mm, uzyskana twardość powierzchniowa wynosiła ok. 450 HV, a w warstwie nawęglanej na głębokości 0,15 mm wynosiła 45 HRC.

P r z y k ł a d 3

Do pieca próżniowego o przestrzeni roboczej 0,2 x 0,2 x 0,4 m załadowano detale wykonane ze 2 -2 stali z gatunku 18H2N4MAZ o łącznej powierzchni 0,015 m . Po wytworzeniu próżni roboczej 5 x 10 mbar i osiągnięciu temperatury nawęglania 930°C rozpoczęto dozowanie ciekłych węglowodorów w postaci mieszaniny zawierającej głównie heksan C₆H₁₄, heptan C₇H₁₆ oraz oktan C₈H, w której masowy udział węgla był na poziomie 83,90% wag.

Mieszanina ta została użyta w proporcji masowej: 1 g wodoru i 3 g węglowodorów. Ciśnienie pulsacji ustalono na zakres 1 + 30 mbar, przy częstotliwości pulsacji 6 cykli/h i stałym przepływie mieszaniny odpowiednich węglowodorów i wodoru na poziomie 4 g/l cykl pulsacji. Po 24 cyklach procesu obrabianą próbkę poddano intensywnemu schładzaniu w azocie o ciśnieniu 4 bar do osiągnięcia temperatury otoczenia.

W wyniku badań metalograficznych stwierdzono, że warstwa nawęglona obrabianych detali miała grubość w zakresie 0,85 + 0,95 mm z odchyłką ± 0,05 mm, uzyskana twardość powierzchniowa wynosiła ok. 80 HRA, a w warstwie nawęglanej na głębokości 0,1 mm wynosiła 58 HRC.

Claims (1)

1. Mieszanina węglowodorowa do nawęglania elementów stalowych, stosowana w warunkach obniżonego ciśnienia i zawierająca nośnik węgla w postaci ciekłego węglowodoru oraz modyfikator o określonej ilości względem nośnika węgla w postaci wodoru, względnie w postaci amoniaku, znamienna tym, że jako nośnik węgla zawiera ciekłe węglowodory łańcuchowe określone wzorem ogólnym C_nH_2n+₂ o liczbie atomów węgla od C₆ do C₁₁ pojedynczo lub w mieszaninie heksanu C₆H₁₄ z heptanem C₇H₁₆ i oktanem C₈H₁₈, w których masowy udział węgla mieści się w zakresie 83,00 + 85,00% wag., przy czym węglowodory te występują w mieszaninie z wodorem w takiej proporcji, że na 1 jednostkę masy wodoru przypada 3 + 10 takich jednostek masy węglowodorów i/lub z amoniakiem w takiej proporcji, że na jedną jednostkę masy amoniaku przypada 0,75 do 2,5 g takich jednostek masy węglowodorów.