RU2039842C1

RU2039842C1 - Method for chemical thermal treatment of articles

Info

Publication number: RU2039842C1
Application number: RU93044547A
Authority: RU
Inventors: Юрий Иванович Максимов
Original assignee: Юрий Иванович Максимов
Priority date: 1993-09-12
Filing date: 1993-09-12
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: method involves heating article to diffusion saturation temperature and simultaneously supplying saturating medium; continuously exposing article to acoustic field with acoustic pressure level up to 170 decibels. Frequency and (or) level of acoustic pressure is periodically varied at minimum acoustic pressure values, minimum values of frequency and time of action of 60 decibels, 10 Hz and 0.1 min, respectively. EFFECT: increased efficiency and high quality of articles. 2 dwg

Description

Изобретение относится к химико-термической обработке изделий и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где требуется получение в короткий срок высококачественных диффузионных слоев. The invention relates to chemical-thermal processing of products and can be used in various industries where it is required to obtain high-quality diffusion layers in a short time.

Известен способ химико-термической обработки в кипящем слое, создаваемом вибрацией детали, помещенной в порошкообразную электропроводящую насыщающую среду, с нагревом за счет пропускания тока через деталь и насыщающую среду (авт.св. СССР N 462897, кл. С 23 С 9/00, 1975). A known method of chemical-thermal treatment in a fluidized bed created by vibration of a part placed in a powdered electrically conductive saturating medium, with heating due to the passage of current through the part and saturating medium (ed. St. USSR N 462897, class C 23 C 9/00, 1975).

Высокая скорость обработки деталей, однако, не может компенсировать такие недостатки способа, как необходимость использования в качестве насыщающей среды лишь электропроводящих порошков, что сужает круг реализуемых технологий; необходимость закрепления каждой детали на электроде, что делает практически невозможной одновременную обработку большого числа мелкоразмерных деталей, например шайб; передача колебательного движения от обрабатываемой детали к токоподводящему электроду, что снижает срок службы установки, на которой реализуется процесс. The high processing speed of parts, however, cannot compensate for such disadvantages of the method as the need to use only electrically conductive powders as a saturating medium, which narrows the range of technologies being implemented; the need to fix each part to the electrode, which makes it almost impossible to simultaneously process a large number of small parts, for example washers; transmission of oscillatory motion from the workpiece to the current-conducting electrode, which reduces the service life of the installation on which the process is implemented.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ (авт.св. СССР N 1752826, кл. С 23 С 8/26, C 21 D 1/09, 1992), который предусматривает нагрев изделия до температуры диффузионного насыщения, выдержку при этой температуре с одновременной подачей насыщающей среды и периодическое звуковое воздействие поля с уровнем звукового давления 100-170 дБ и частотой 40-1600 Гц, заключающееся в чередовании звукового поля и пауз в зоне насыщения. Closest to the claimed technical solution is the method (ed. St. USSR N 1752826, class C 23 C 8/26, C 21 D 1/09, 1992), which involves heating the product to a temperature of diffusion saturation, holding at this temperature with simultaneous supply of a saturating medium and periodic sound effect of the field with a sound pressure level of 100-170 dB and a frequency of 40-1600 Hz, which consists in the alternation of the sound field and pauses in the saturation zone.

Такой способ интенсификации химико-термической обработки оказывает следующее влияние на основные процессы, протекающие в рабочей зоне. Термически активированная насыщающая среда дополнительно активируется мощным звуковым воздействием, которое составляет ≈50% общего времени интенсификации химико-термической обработки, что приводит к ускорению разложения насыщающей среды и, в конечном итоге, к ее перерасходу. Процесс адсорбции во время звукового воздействия поля с указанными параметрами ухудшается, что приводит к ухудшению условий массопереноса активных элементов из рабочей среды на поверхность изделия. Для снижения вредного влияния мощного звукового поля на адсорбцию и расход насыщающей среды между звуковыми воздействиями создаются паузы, в течение которых эти процессы протекают обычным способом. Под воздействием звукового поля возрастают активность поверхности изделия и скорость диффузии, однако в промежутках между звуковыми воздействиями эти процессы протекают обычным образом. Высокие физико-механические свойства диффузионного слоя формируются за счет взаимодействия в нем активных элементов из насыщающей среды с элементами материала изделия (например, образование нитридов и карбидов). Однако мощное звуковое воздействие препятствует этому процессу, поэтому формирование высоких физико-механических свойств происходит в паузах. При этом прекращается дополнительная активация рабочей среды, поверхности изделия и диффузии. Указанные недостатки объясняются тем, что известный способ периодического звукового воздействия не избирателен и не учитывает специфики основных процессов, протекающих в зоне обработки. This method of intensification of chemical-thermal treatment has the following effect on the main processes taking place in the working area. The thermally activated saturating medium is additionally activated by a powerful sound effect, which accounts for ≈50% of the total time of intensification of the chemical-thermal treatment, which leads to an acceleration of the decomposition of the saturating medium and, ultimately, to its excessive consumption. The adsorption process during the sound exposure of the field with the specified parameters deteriorates, which leads to a deterioration in the conditions of mass transfer of active elements from the working medium to the surface of the product. To reduce the harmful effects of a powerful sound field on the adsorption and flow rate of a saturating medium, pauses are created between sound influences during which these processes proceed in the usual way. Under the influence of the sound field, the surface activity of the product and the diffusion rate increase, however, in the intervals between the sound effects, these processes proceed in the usual way. High physical and mechanical properties of the diffusion layer are formed due to the interaction of active elements from the saturating medium with the elements of the product material in it (for example, the formation of nitrides and carbides). However, a powerful sound effect prevents this process, therefore, the formation of high physical and mechanical properties occurs in pauses. This stops the additional activation of the working environment, product surface and diffusion. These disadvantages are explained by the fact that the known method of periodic sound exposure is not selective and does not take into account the specifics of the main processes in the processing zone.

Задачей изобретения является усовершенствование способа химико-термической обработки с использованием дифференцированного воздействия звукового поля, избирательно активирующего все основные процессы, протекающие в рабочей зоне, и позволяющего в короткий срок и с минимальными потерями рабочей среды формировать на изделии высококачественные диффузионные слои. The objective of the invention is to improve the method of chemical-thermal treatment using differentiated effects of the sound field, selectively activating all the main processes in the working area, and allowing in a short time and with minimal losses of the working environment to form high-quality diffusion layers on the product.

Эта задача решается тем, что предложен способ химико-термической обработки изделий, при котором изделие нагревают до температуры диффузионного насыщения, выдерживают при этой температуре с одновременной подачей насыщающей среды и под воздействием звукового поля с уровнем звукового давления до 170 дБ. Новым в способе является то, что звуковым полем воздействуют непрерывно, а частоту и/или уровень звукового давления меняют периодически при минимальных значениях звукового давления, частоты и про- должительности воздействия 60 дБ, 10 Гц и 0,1 мин соответственно. This problem is solved by the fact that the proposed method of chemical-thermal treatment of products, in which the product is heated to a temperature of diffusion saturation, is kept at this temperature while supplying a saturating medium and under the influence of a sound field with a sound pressure level of up to 170 dB. What is new in the method is that the sound field is continuously applied, and the frequency and / or sound pressure level is changed periodically with minimum values of sound pressure, frequency and duration of exposure 60 dB, 10 Hz and 0.1 min, respectively.

На фиг. 1 показан характер изменения параметров звукового поля при обработке изделий известным способом (прототипом); на фиг. 2 приведен пример предлагаемого способа звукового воздействия, избирательно интенсифицирующего процессы в рабочей зоне. In FIG. 1 shows the nature of changes in the parameters of the sound field when processing products in a known manner (prototype); in FIG. 2 shows an example of the proposed method of sound exposure, selectively intensifying processes in the working area.

Способ в общем виде реализуется следующим образом. Изделие нагревают до температуры диффузионного насыщения и выдерживают при этой температуре с одновременной подаче насыщающей среды. Одновременно в рабочей зоне создается непрерывное звуковое поле, периодически меняющее свои параметры, последовательно дополнительно и избирательно интенсифицирующее все основные процессы, протекающие в рабочей зоне, а именно термическую активацию насыщающей среды, термическую активацию изделия, адсорбцию активных элементов рабочей среды на поверхности изделия, диффузию активных элементов из среды вглубь изделия, взаимодействие активных элементов в диффузионном слое с образованием высокопрочных соединений (например, карбидов, нитридов, боридов). The method in general is implemented as follows. The product is heated to a temperature of diffusion saturation and maintained at this temperature while supplying a saturating medium. At the same time, a continuous sound field is created in the working area, periodically changing its parameters, sequentially additionally and selectively intensifying all the main processes in the working area, namely, thermal activation of the saturating medium, thermal activation of the product, adsorption of active elements of the working medium on the surface of the product, diffusion of active elements from the medium deep into the product, the interaction of active elements in the diffusion layer with the formation of high-strength compounds (for example, carbides, nit ide, borides).

В зависимости от температуры насыщения и свойств насыщающей среды время дополнительной последовательной и однократной звуковой интенсификации всех процессов может колебаться в пределах от 0,1 до 10 мин. Так, для выполнения химико-термической обработки при температуре, превышающей 600^оС, время однократной активации процессов составляет 0,1-5 мин, для обработки при температуре ниже 600^оС оптимальное время однократной активации равно 5-10 мин. Получение глубоких и прочных диффузионных слоев осуществляется многократным повторением последовательных звуковых воздействий, т.е. однократные воздействия звукового поля с заданным сочетанием параметров, однократно активирующие основные процессы в зоне обработки, непрерывно следуют друг за другом до тех пор, пока на поверхности изделия не образуются диффузионные слои требуемой толщины с определенными физико-механическими свойствами.Depending on the saturation temperature and the properties of the saturating medium, the time of additional sequential and single sound intensification of all processes can vary from 0.1 to 10 minutes. Thus, for performing thermochemical treatment at a temperature exceeding 600 ^{° C,} during a single activation of 0.1-5 m, for processing at a temperature below 600 ^{° C} once the optimum time of activation is equal to 10.5 min. The deep and strong diffusion layers are obtained by repeated repetition of successive sound effects, i.e. single exposure to a sound field with a given combination of parameters, once activating the main processes in the processing zone, continuously follow each other until diffusion layers of the required thickness with certain physical and mechanical properties are formed on the surface of the product.

Возможны варианты реализации предлагаемого способа, при которых в одном случае меняют один из параметров звукового поля, например частоту или уровень звукового давления, а в другом случае меняют оба эти параметра. Variants of the implementation of the proposed method are possible, in which in one case one of the parameters of the sound field is changed, for example, the frequency or level of sound pressure, and in the other case, both of these parameters are changed.

Вариант изменения одного параметра, а именно уровня давления звукового поля, иллюстрируется примерами 1 и 2 в сочетании с графиками на 1 и 2 соответственно. The variant of changing one parameter, namely the sound field pressure level, is illustrated by examples 1 and 2 in combination with graphs 1 and 2, respectively.

П р и м е р 1. Проводили обработку по известному способу (прототипу) газовую нитроцементацию в насыщающей среде, содержащей 30% аммиака и 70% природного газа, при температуре 850-860^оС образцов из стали 20Х. Уровень звукового давления менялся от 120 дБ до 0, частота звукового поля составляла 1000 Гц. На фиг. 1 Тв продолжительность звукового воздействия, равная 4 мин, Т_п продолжительность паузы между звуковыми воздействиями, равная 4 мин.PRI me R 1. Conducted processing by a known method (prototype) gas nitrocarburizing in a saturating medium containing 30% ammonia and 70% natural gas, at a temperature of 850-860 ^about With samples of steel 20X. The sound pressure level varied from 120 dB to 0, the frequency of the sound field was 1000 Hz. In FIG. 1 TV the duration of sound exposure, equal to 4 minutes, T _{p the} duration of the pause between sound effects, equal to 4 minutes.

В результате обработки известным способом получены следующие данные: Глубина диффузион- ного слоя на поверх- ности детали, мм 0,35-0,4 Микротвердость слоя, МПа 9500-10000 Расход насыщающей среды, м³/ч на 1 куб.м рабочей зоны 10
П р и м е р 2. Проводили обработку по предлагаемому способу газовую нитроцементацию в насыщающей среде, содержащей 30% аммиака и 70% природного газа, при температуре 850-860^оС образцов из стали 20Х. Поскольку уровни звукового давления для дополнительной активации процессов адсорбции и взаимодействия элементов в слое близки между собой и равны 70 дБ, а уровни звукового давления для дополнительной активации диффузии, насыщающей среды и поверхности изделия также близки между собой и равны 120 дБ, обработка проводилась лишь на двух указанных уровнях звукового давления при частоте 1000 Гц. На фиг. 2 Т_в1 продолжительность мощного звукового воздействия 120 дБ, дополнительно активирующего все основные процессы, кроме адсорбции и взаимодействия элементов в слое, составляющая 1 мин, Т_в2 продолжительность дополнительной активации всех основных процессов, включая адсорбцию и взаимодействие элементов в слое, составляющая 3 мин. Таким образом, продолжительность однократной дополнительной активации всех основных процессов в рабочей зоне равна сумме Т_в1 и Т_в2 и составляет 4 мин. Общая продолжительность обработки в обоих примерах одинакова.As a result of processing in a known manner, the following data were obtained: Depth of the diffusion layer on the surface of the part, mm 0.35-0.4 Microhardness of the layer, MPa 9500-10000 Consumption of saturating medium, m ³ / h per 1 cubic meter of working area 10
PRI me R 2. Conducted processing according to the proposed method, gas nitrocarburizing in a saturating medium containing 30% ammonia and 70% natural gas, at a temperature of 850-860 ^about With samples of steel 20X. Since the sound pressure levels for additional activation of the processes of adsorption and interaction of elements in the layer are close to each other and equal to 70 dB, and the sound pressure levels for additional activation of diffusion, saturating medium and the surface of the product are also close to each other and equal to 120 dB, the processing was carried out only on two indicated sound pressure levels at a frequency of 1000 Hz. In FIG. 2 T _{B1 the} duration of powerful sound exposure is 120 dB, additionally activating all the basic processes, except for the adsorption and interaction of elements in the layer, 1 minute, T _{B2 the} duration of the additional activation of all the main processes, including the adsorption and interaction of elements in the layer, 3 minutes. Thus, the duration of a single additional activation of all the main processes in the working area is equal to the sum of T _B1 and T _B2 and is 4 minutes. The total processing time in both examples is the same.

В результате обработки изделия получены следующие данные: Глубина диффузион- ного слоя на поверх- ности изделия, мм 0,4-0,45 Микротвердость слоя, МПа 9500-10000 Расход насыщающей среды м³/ч на 1 куб.м рабочей зоны 5,6
Предлагаемый способ звуковой интенсификации оказывает следующее влияние на основные процессы в рабочей зоне. Насыщающая среда постоянно дополнительно активируется, однако мощное звуковое давление, более 100 дБ, занимает не более 30% от общего времени интенсификации, что в сравнении с известным способом дает снижение расхода насыщающей среды не менее чем на 25% Позволяет в отличие от способа-прототипа значительно интенсифицировать процесс адсорбции активных элементов из насыщающей среды на поверхность изделия, улучшить условия массопереноса этих элементов через пограничный слой. Под воздействием мощного звукового поля, более 100 дБ, возрастают активность поверхности изделия и скорость диффузии, которые несколько снижаются при переходе звукового давления на величины менее 100 дБ, однако их значения все же достаточны для сохранения эффекта интенсификации на высоком уровне, что, в конечном итоге, дает увеличение глубины диффузионного слоя на 20% по сравнению с обработкой по известному способу. Под воздействием звукового поля с величиной звукового давления менее 100 дБ появляется эффект интенсификации взаимодействия элементов в слое (образование карбидов, нитридов).As a result of processing the product, the following data were obtained: Depth of the diffusion layer on the surface of the product, mm 0.4-0.45 Microhardness of the layer, MPa 9500-10000 Consumption of saturating medium m ³ / h per 1 cubic meter of working area 5, 6
The proposed method of sound intensification has the following effect on the main processes in the working area. The saturating medium is constantly additionally activated, however, powerful sound pressure, more than 100 dB, takes up no more than 30% of the total intensification time, which, in comparison with the known method, reduces the saturating medium consumption by at least 25%. It allows, in contrast to the prototype method, significantly to intensify the process of adsorption of active elements from the saturating medium to the surface of the product, to improve the conditions of mass transfer of these elements through the boundary layer. Under the influence of a powerful sound field, more than 100 dB, the activity of the surface of the product and the diffusion rate increase, which slightly decrease when the sound pressure switches to values less than 100 dB, however, their values are still sufficient to maintain the intensification effect at a high level, which ultimately , gives an increase in the depth of the diffusion layer by 20% compared with processing by a known method. Under the influence of a sound field with a sound pressure value of less than 100 dB, an effect of intensification of the interaction of elements in the layer appears (the formation of carbides, nitrides).

Вариант предлагаемого способа химико-термической обработки с изменением двух параметров звукового поля реализуется аналогично описанному в примере 2. Условия обработки, указанные в примере 2, дополняются изменением частоты звукового поля, а именно обработку под мощным звуковым давлением 120 дБ в течение 1 мин ведут при частоте звукового поля 1000 Гц, а при обработке под давлением 70 дБ в течение 3 мин снижают частоту звукового поля до 20 Гц (инфразвуковые частоты). Такой вариант реализации предлагаемого способа позволяет дополнительно увеличить глубину диффузионного слоя и снизить расходы насыщающей среды не менее чем на 30%
Промышленная реализация предлагаемого способа химико-термической обработки не требует разработки и создания специальных печей. Достаточным является разработка и изготовление простых технологических блоков, легко встраиваемых в существующее оборудование.A variant of the proposed method of chemical-thermal treatment with a change in two parameters of the sound field is implemented similarly to that described in example 2. The processing conditions specified in example 2 are supplemented by a change in the frequency of the sound field, namely, processing under a powerful sound pressure of 120 dB for 1 min is carried out at a frequency the sound field of 1000 Hz, and when processed under pressure of 70 dB for 3 minutes, the frequency of the sound field is reduced to 20 Hz (infrasound frequencies). This embodiment of the proposed method allows to further increase the depth of the diffusion layer and reduce the cost of the saturating medium by at least 30%
Industrial implementation of the proposed method of chemical-thermal treatment does not require the development and creation of special furnaces. It is sufficient to develop and manufacture simple technological units that are easily integrated into existing equipment.

Claims

METHOD FOR CHEMICAL AND THERMAL PROCESSING OF PRODUCTS, including heating the product to a temperature of diffusion saturation, holding it at this temperature while supplying a saturating medium and under the influence of a sound field with a sound pressure level of up to 170 dB, characterized in that the sound field acts continuously, and the frequency and ( or) the sound pressure level is periodically changed at minimum values of sound pressure of 60 dB, frequency of 10 Hz and exposure duration of 0.1 min.