RU2061088C1

RU2061088C1 - Method of chemicothermal treatment of parts from plain electrical sheet steel and furnace for its implementation

Info

Publication number: RU2061088C1
Application number: RU94029704A
Authority: RU
Inventors: Борис Михайлович Гусев
Original assignee: Борис Михайлович Гусев
Priority date: 1994-08-05
Filing date: 1994-08-05
Publication date: 1996-05-27
Also published as: RU94029704A

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: invention deals with surface hardening of parts working, for example, as magnetic circuits. Part is heated in working chambers of electric furnace. Air is evacuated from working chambers up to 1-10 Pa in advance. Part is refined with hydrogen when heated to 900-950 C for the course of 1-1.5 h by cyclic feed of hydrogen atmosphere. Then calorizing by short-term action of folatile composition of aluminium is conducted. Holding is carried out by several cycles, each including vacuum treatment and feed of ammonia. Cooling of part is performed in electric furnace to 500-550 C with rate of 15 deg/min followed by further intensive cooling in hydrogen atmosphere to 100-150 C. Subsequent forced cooling is conducted in air. Electric furnace has two working chambers with independent systems of their heating and vacuum treatment, means for generation of magnetic field directed along axis of working chambers. One of working chambers has device for generation of lateral magnetic field. Devices for cooling of internal space are positioned inside working chambers. Parts loading/unloading mechanisms include fans. Loading carriages carry face covers of working chambers. Vacuum treatment systems includes ammonia dissociation gears. EFFECT: enhanced efficiency of electrochemical treatment. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии, к химико-термической обработке, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей пар трения, работающих в агрессивных средах, в качестве магнитопроводов. The invention relates to metallurgy, to chemical-thermal treatment, and can be used in mechanical engineering for surface hardening of parts of friction pairs working in aggressive environments, as magnetic circuits.

В настоящее время процесс химико-термической обработки достаточно глубоко исследован и реализован в конструкциях многих печей. Общей характерной особенностью технологического процесса является его значительная трудоемкость и продолжительность. At present, the process of chemical-thermal treatment is rather deeply studied and implemented in the designs of many furnaces. A common characteristic feature of the technological process is its considerable complexity and duration.

Известен способ химико-термической обработки деталей из коррозионно-стойких сталей [1]
Известный способ включает нагрев деталей до 500-600^оС, депассивацию поверхности и выдержку в частично диссоциированном аммиаке. Депассивацию поверхности проводят в течение 1-2 ч в смеси полностью диссоциированного предварительно осушенного до точки росы (-60)-(-65)^оС аммиака и очищенного от СО до содержания 0,01-0,0001% углеводородного газа, а выдержку ведут в атмосфере частично диссоциированного аммиака, при этом через каждые 6-8 ч выдержки в атмосферу вводят очищенный от СО до содержания 0,001-0,0001% и осушенный до точки росы углеводородный газ в течение 1-2 ч.A known method of chemical-thermal treatment of parts from corrosion-resistant steels [1]
The known method includes heating parts to 500-600 ^about With, surface depassivation and exposure to partially dissociated ammonia. Depassivation of the surface is carried out for 1-2 hours in a mixture of completely dissociated pre-dried to the dew point (-60) - (-65) ^о С ammonia and purified from CO to the content of 0.01-0.0001% hydrocarbon gas, and the exposure is carried out in an atmosphere of partially dissociated ammonia, and after every 6-8 hours of exposure, a hydrocarbon gas purified from CO to the content of 0.001-0.0001% and dried to the dew point is introduced into the atmosphere for 1-2 hours

Недостатком известного способа является длительность процесса, при котором на поверхности детали образуется пористая ε-фаза с пониженными коррозионной стойкостью и усталостной прочностью. Способ не позволяет получить качественные изделия из нелегированных сталей. A disadvantage of the known method is the duration of the process, in which a porous ε-phase with reduced corrosion resistance and fatigue strength is formed on the surface of the part. The method does not allow to obtain high-quality products from unalloyed steels.

Известна печь для химико-термической обработки коррозионно-стойких сталей, содержащая корпус, в котором установлена нагревательная камера, соединенная с магистралями подачи газа. Спираль электронагревателя печи расположена снаружи. Средства генерирования продольного магнитного поля в виде соляноида расположены над охлаждающим защитным кожухом. Печь имеет механизмы загрузки-выгрузки деталей и систему управления работой механизмов. Known furnace for chemical-thermal treatment of corrosion-resistant steels, containing a housing in which a heating chamber is installed, connected to the gas supply lines. The spiral of the furnace electric heater is located outside. Means for generating a longitudinal magnetic field in the form of a solyanoid are located above the cooling protective casing. The furnace has mechanisms for loading and unloading parts and a control system for the operation of mechanisms.

Недостатком известной печи является ее инерционность при ведении процесса азотирования. Конструкция печи не позволяет изменять в течение непродолжительного времени атмосферу в камере, кроме того известная печь не позволяет полностью исключить выброс продуктов азотирования в окружающую среду, аммиак попадает в сливную канализацию, разрушая приборы и узлы, прокладки в системе вакуумирования рабочей камеры печи. A disadvantage of the known furnace is its inertia in the process of nitriding. The design of the furnace does not allow changing the atmosphere in the chamber for a short time, in addition, the well-known furnace does not completely eliminate the release of nitriding products into the environment, ammonia enters the drainage system, destroying devices and components, gaskets in the vacuum system of the working chamber of the furnace.

Целью изобретения является увеличение производительности процесса. The aim of the invention is to increase the productivity of the process.

Заявленный способ характеризуется тем, что химико-термическая обработка деталей из нелегированных электротехнических сталей проводится в вакууме с изменением среды в процессе воздействия на их поверхность. Перед нагревом рабочую камеру печи вакуумируют до 1-10 Па, после детали рафинируют, для чего их нагревают до 900-950^оС и подают водородную среду в течение 1-1,5 ч. Данная операция позволяет обеспечить подготовку поверхности к последующим воздействиям газонасыщающих сред. Поскольку нелегированные стали имеют значительные примеси снижающие их качество и определяющие низкие прочностные характеристики, водород, проникая в межкристаллическое пространство, выводит нежелательные элементы (Р, S, C, V и пр.) в виде летучих соединений из металла. Температура 900-950^оС является наиболее оптимальной для выхода этих элементов. Что же касается продолжительности данной операции, то она определяется видом обрабатываемых деталей, имеющих разнообразную форму и толщину стенок. За время, равное 1,5 ч, возможно рафинирование по всей толщине детали, имеющей наиболее употребляемую форму (втулка). За 1 ч рафинируется слои поверхности, минимально необходимый для последующего воздействия насыщающими средами. Рафинирование ведут несколькими приемами: напускание водородной среды до образования в камере давления до 10²-10³ Па и отвода ее с вакуумированием до 1-10 Па. Каждый цикл длится 10-15 мин. Циклическое воздействие улучшает процесс рафинирования, активизирует его. Далее детали с подготовленной рафинированной поверхностью подвергают кратковременному алитированию. В рабочую камеру подают летучее соединение алюминия до создания давления в камере 10²-10⁴ Па. В течение 5-10 мин подачу осуществляют по меньшей мере двукратно, каждый раз с отводом летучего соединения алюминия и восстановлением первоначальной глубины вакуумирования. Эта операция направлена на формирование электротехнических свойств стали. Магнитная насыщаемость деталей, используемых для магнитопроводов, повышается на порядок, т.е. для их изготовления достаточно использовать магниты меньшей индуктивности, чем при традиционном способе производства.The claimed method is characterized in that the chemical-thermal treatment of parts from unalloyed electrical steel is carried out in vacuum with a change in the environment in the process of exposure to their surface. Before heating the oven chamber evacuated to 1.10 Pa, after refined items for which they were heated to 900-950 ^{° C} and fed hydrogen environment within 1-1.5 hours. This operation enables preparation of the surface to subsequent media influences gazonasyschayuschih . Since unalloyed steels have significant impurities that reduce their quality and determine low strength characteristics, hydrogen, penetrating into the intercrystalline space, removes undesirable elements (P, S, C, V, etc.) in the form of volatile compounds from the metal. The temperature of 900-950 ^about With is the most optimal for the output of these elements. As for the duration of this operation, it is determined by the type of workpiece having a various shape and wall thickness. For a time equal to 1.5 hours, it is possible to refine over the entire thickness of the part having the most used shape (sleeve). In 1 h, the surface layers are refined, minimally necessary for subsequent exposure to saturating media. Refining is carried out in several ways: filling the hydrogen medium up to the pressure in the chamber up to 10 ² -10 ³ Pa and removing it with evacuation to 1-10 Pa. Each cycle lasts 10-15 minutes. Cyclic exposure improves the refining process, activates it. Next, parts with a prepared refined surface are subjected to short-term alimentation. A volatile aluminum compound is fed into the working chamber until a pressure in the chamber of 10 ² -10 ⁴ Pa is created. Within 5-10 minutes, the supply is carried out at least twice, each time with the removal of the volatile aluminum compound and the restoration of the original vacuum depth. This operation is aimed at the formation of electrical properties of steel. The magnetic saturation of parts used for magnetic cores increases by an order of magnitude, i.e. for their manufacture, it is sufficient to use magnets of lower inductance than with the traditional method of production.

Последующая операция направлена на создание активного восприятия насыщающих сред, формирующих свойства поверхности стали. Данная операция включает охлаждение до температуры на 70-170^оС ниже точки Кюри и воздействие магнитных полей. Магнитные поля направляют во взаимно перпендикулярном направлении. Одно поле образуют соленоидом, и оно является переменным. Второе поле образуют постоянным магнитом. Его направление должно совпадать с направлением рабочего магнитного потока в деталях при их эксплуатации. Следовательно детали в камере печи располагают с учетом этого обстоятельства.The subsequent operation is aimed at creating an active perception of saturating media that form the properties of the steel surface. This operation involves cooling to a temperature 70-170 ^{° C} below the Curie point and the effects of magnetic fields. Magnetic fields are directed in a mutually perpendicular direction. One field is formed by a solenoid, and it is variable. The second field is formed by a permanent magnet. Its direction should coincide with the direction of the working magnetic flux in the parts during their operation. Therefore, the parts in the chamber of the furnace are positioned taking this circumstance into account.

Изотермическую выдержку проводят в течение 0,5-1 ч с последующим контролируемым охлажданием. Выдержку проводят несколькими циклами (по меньшей мере двумя). Каждый цикл включает восстановление первоначальной глубины вакуумирования до 1-10 Па, подачу аммиаксодержщей среды в виде газа NH₄, что приводит к уменьшению глубины вакуумирования в камере до 3 ^.10⁴ 4^. 10⁴ Па, затем откачку газа с восстановлением вакуумирования до 1-10 Па.Isothermal exposure is carried out for 0.5-1 hours, followed by controlled cooling. Exposure is carried out in several cycles (at least two). Each cycle includes the restoration of the initial vacuum depth to 1-10 Pa, the supply of ammonia-containing medium in the form of NH ₄ gas, which leads to a decrease in the vacuum depth in the chamber to 3 ^. 10 ⁴ 4 ^. 10 ⁴ Pa, then gas evacuation with restoration of evacuation to 1-10 Pa.

Охлаждение деталей ведут в несколько этапов. Сначала в вакууме в объеме рабочей камеры их охлаждают до 500-550^оС со скоростью 15 ^о/мин. Скорость охлаждения незначительна и охлаждение идет плавно, формируя соответствующий фазовый состав поверхностного слоя. Далее в печь подают охлажденный водород и ведут интенсивное охлаждение в его среде до 100-150^оС. После чего детали выгружают и интенсивно (с помощью вентилятора) охлаждают на воздухе, что позволяет образовать на их поверхности твердую пленку FeO.Parts are cooled in several stages. First, in a vacuum in the volume of the working chamber they are cooled to 500-550 ^about With a speed of 15 ^about / min The cooling rate is negligible and cooling proceeds smoothly, forming the corresponding phase composition of the surface layer. Further, the cooled hydrogen is fed furnace and lead it into intensive cooling medium to 100-150 ° ^C. Then the discharged parts and intensively (by the fan) cooled in air, which allows to form on the surface of a solid film FeO.

При химико-термической обработке деталей их размещают последовательно в двух камерах, имеющих различные средства создания магнитного поля. В первой камере имеется переменное магнитное поле, во второй и переменное, и постоянное, а их направления взаимно перпендикулярны. During chemical-thermal treatment of parts, they are placed sequentially in two chambers having various means of creating a magnetic field. In the first chamber there is an alternating magnetic field, in the second, both alternating and constant, and their directions are mutually perpendicular.

Последовательная обработка в двух камерах обеспечивает формирование химического состава диффузионного слоя в первой камере и формирование фазового состава слоя во второй камере. Sequential processing in two chambers ensures the formation of the chemical composition of the diffusion layer in the first chamber and the formation of the phase composition of the layer in the second chamber.

На фиг. 1-3 даны схемы печи, варианты. In FIG. 1-3 are given furnace diagrams, options.

Печь содержит по меньшей мере один модуль, включающий две камеры 1, установленные в общем корпусе 2. Каждая камера имеет автономную систему ее вакуумирования, подачи газа. Средство нагрева обеих камер выполнено в виде электроспирали 3, расположенной снаружи камер. Камеры выполнены из материала, имеющего пассивные каталитические свойства по отношению к газово-насыщающим средам. Такими материалами являются, например, керамика, кварцевое стекло. Каждая камера имеет средство генерирования магнитного поля, выполненное в виде подключенного к источнику переменного тока соляноида 4 с концентраторами магнитного поля на его торцах. Одна из камер имеет также источник генерирования поперечного магнитного поля в виде постоянных электромагнитов 5, установленных вдоль камеры с возможностью их попеременного включения. The furnace contains at least one module, including two chambers 1 installed in a common housing 2. Each chamber has an autonomous system for its evacuation, gas supply. The heating means of both chambers is made in the form of an electric coil 3 located outside the chambers. The chambers are made of a material having passive catalytic properties with respect to gas saturating media. Such materials are, for example, ceramics, quartz glass. Each camera has a means of generating a magnetic field, made in the form of a solanoid 4 connected to an alternating current source with magnetic field concentrators at its ends. One of the chambers also has a transverse magnetic field generating source in the form of permanent electromagnets 5 mounted along the chamber with the possibility of their alternating switching on.

Соляноид 4 образует магнитное поле, направленное вдоль оси камеры, а концентраторы магнитного поля замыкают силовые линии по торцам, что приводит к ориентированному перемещению активной составляющей (ионов) газовой среды в данном направлении с перемещением в центр камеры. Постоянное магнитное поле накладывает на имеющееся поле дополнительное возмущение в перпендикулярном направлении и образует волновое перемещение активно-составляющей газовой среды. При попеременном включении постоянных электромагнитов 5 образуется волновое перемещение ионов вдоль оси камеры, что способствует их большей активности и равномерности воздействия. Solyanoid 4 forms a magnetic field directed along the axis of the chamber, and magnetic field concentrators close the lines of force at the ends, which leads to an oriented movement of the active component (ions) of the gas medium in this direction with movement to the center of the chamber. A constant magnetic field imposes an additional perturbation in the perpendicular direction on the existing field and forms a wave displacement of the active component of the gaseous medium. When alternating inclusion of permanent electromagnets 5, a wave movement of ions along the axis of the chamber is formed, which contributes to their greater activity and uniformity of exposure.

Каждая камера имеет индивидуальные механизмы ее загрузки-выгрузки. Тележки 6 этого механизма установлены на направляющих с возможностью перемещения внутрь камеры. На тележках установлены торцовые стенки 7 камер. Механизмы расположены друг над другом и имеют общее пространство для перемещения деталей из одной камеры в другую. Механизмы загрузки-выгрузки снабжены вентилятором для принудительного охлаждения деталей. Each camera has individual mechanisms for its loading and unloading. Carts 6 of this mechanism are mounted on rails with the ability to move inside the camera. The end walls of 7 chambers are installed on the carts. The mechanisms are located one above the other and have a common space for moving parts from one chamber to another. The loading and unloading mechanisms are equipped with a fan for forced cooling of parts.

Система вакуумирования (фиг. 3) печи включает магистрали 8 отвода воздуха от каждой камеры, насос 9 и устройство 10 диссоциации аммиака в системе. Это устройство установлено внутри рабочей камеры и выполнено в виде корпуса, внутри которого размещен нагревательный элемент с развитой поверхностью нагрева. Материл, из которого выполнена его электроспираль, при нагреве активно насыщается аммиаком из атмосферы камеры, а после удаления аммиака из камеры нагретая электроспираль, расщепляя аммиак, выделяет азот и водород, выходящие в атмосферу камеры и далее в атмосферу, не отравляя среды. Нагревательный элемент выполнен из жаропрочного сплава с малой теплоемкостью, сплав выполнен на основе железа. Устройство диссоциации аммиака включается при необходимости создания в карьере водородной среды (охлаждение в среде водорода). The vacuum system (Fig. 3) of the furnace includes lines 8 for venting air from each chamber, a pump 9 and an ammonia dissociation device 10 in the system. This device is installed inside the working chamber and is made in the form of a housing, inside of which a heating element with a developed heating surface is placed. The material from which its electric coil is made, is actively saturated with ammonia from the chamber atmosphere during heating, and after the ammonia is removed from the chamber, the heated electric coil, breaking down ammonia, releases nitrogen and hydrogen, leaving the chamber atmosphere and further into the atmosphere, without poisoning the medium. The heating element is made of a heat-resistant alloy with low heat capacity, the alloy is made on the basis of iron. The ammonia dissociation device is switched on if it is necessary to create a hydrogen medium in the quarry (cooling in a hydrogen medium).

Каждая камера снабжена средством охлаждения ее внутренней полости. Средство имеет теплообменник 11, установленный внутри камеры с ее торца, связанного патрубками с системой вакуумирования и подачи газа вне зоны размещения электроспирали нагрева камеры. Средство также включает перфорированную трубку 12, расположенную в объеме камеры по всей ее длине и соединенную замкнутым контуром циркуляции охладителя с вентилятором 13, расположенным снаружи камеры. Each chamber is equipped with a means of cooling its internal cavity. The tool has a heat exchanger 11 installed inside the chamber from its end, connected by nozzles to a vacuum and gas supply system outside the zone of placement of the electric spiral heating chamber. The tool also includes a perforated tube 12 located in the chamber along its entire length and connected by a closed circuit of the cooler with a fan 13 located outside the chamber.

Печь снабжена электронной системой управления работой всех механизмов и магистралей. Система управления включает датчики, управляющие клапаны 14, командоаппараты 15. The furnace is equipped with an electronic control system for the operation of all mechanisms and highways. The control system includes sensors, control valves 14, command devices 15.

Защитный кожух 16 каждой камеры выполнен охлаждаемым. The protective casing 16 of each chamber is made cooled.

Печь работает следующим образом. The furnace operates as follows.

Детали 17загружаются на поддон тележки 6 и вводятся в камеру 1 печи. Включают систему вакуумирования и при достижении определенной глубины включают электроспираль 3. Подачу водородной смеси осуществляют устройством 10. Подачу летучего соединения алюминия и газонасыщающей среды ведут через соответствующие патрубки системы подачи газа. Вместо алюминия может быть использован кремний. Его летучее соединение достигает аналогичный эффект при подготовке обрабатываемых деталей. Details 17 are loaded onto the pallet of the cart 6 and introduced into the chamber 1 of the furnace. Turn on the vacuum system and, upon reaching a certain depth, turn on the electric coil 3. The hydrogen mixture is supplied by device 10. The volatile aluminum and gas saturating medium are supplied through the corresponding nozzles of the gas supply system. Instead of aluminum, silicon can be used. Its volatile compound achieves a similar effect in the preparation of workpieces.

Охлаждение деталей в камере печи проводят при включении вентилятора 13, теплообменника 11, через перфорированную трубку 12 и замкнутый контур подачи охлаждающего газа. Замкнутая циркуляция позволяет подавать холодный газ по всему объему камеры и отводить его, охлаждая, в теплообменнике до минимальной температуры. The parts are cooled in the furnace chamber when the fan 13, the heat exchanger 11 are turned on, through the perforated tube 12 and the closed cooling gas supply circuit. Closed circulation allows you to supply cold gas throughout the chamber and to discharge it, cooling, in the heat exchanger to a minimum temperature.

Скорость охлаждения камеры регулируется управляющими клапанами 14 и выбирается в зависимости от вида проводимой операции (интенсивное охлаждение со скоростью 15 ^о/мин, охлаждение после алитирования).The cooling rate is regulated by control valve chamber 14 and is selected depending on the kind of an operation (intensive cooling at a rate ^of 15 / min, cooling after aluminizing).

После проведения всех видов обработки внутри камеры детали тележкой 6 извлекаются из нее, включается вентилятор, расположенный в зоне механизма загрузки-выгрузки, и проводится интенсивное охлаждение на воздухе. After all types of processing have been carried out inside the chamber, the parts are removed from the truck by the trolley 6, the fan is turned on, located in the zone of the loading and unloading mechanism, and intensive air cooling is carried out.

Предлагаемый способ химико-термической обработки деталей и печь, реализующая этот способ, позволяют получить из недорогих сталей, имеющих низкие свойства, качественные изделия с повышенными магнитными свойствами. The proposed method of chemical-thermal treatment of parts and a furnace that implements this method, allow to obtain high-quality products with high magnetic properties from inexpensive steels having low properties.

Claims

1. The method of chemical-thermal treatment of parts from unalloyed electrical steels, including their heating in the working chamber of the furnace, holding at 500 600 ^o With an atmosphere of saturated gas followed by cooling, characterized in that before heating the working chamber of the furnace is vacuumized to 1 10 Pa, then the parts are refined by supplying hydrogen when they are heated to 900 950 ^o C and holding for 1 1.5 hours, while the supply of hydrogen medium is carried out cyclically with alternating pressure of 10 ² - 10 ³ PA and evacuation to 1 10 PA for 5 10 min, after which at least vukratno for 10 15 min fed saturating medium comprising volatile compound of aluminum or silicon, to pressurize the chamber 10, ^{February 10} ⁴ Pa, followed by reduction of the depth of vacuum and holding for 10 15 minutes, more detail is cooled to a temperature 70 170 ^o C. below the Curie point at a rate of 15 ^o C / min when exposed perpendicularly directed magnetic fields, one permanent, the other variable, with a constant magnetic field coincides with the direction of working magnetic flux in the details of their operation, for it is carried out isothermal exposure for 0.5 h 1 at least two cycles, each of which comprises reducing the initial depth evacuation, feeding an ammonia environment to create an atmosphere in the furnace chamber, the vacuum depth not exceeding 3 April ¹⁰ • 4 • 10 ⁴ Pa, and restoration of the original vacuum depth, subsequent cooling to 500 550 ^o C at a speed of 16 ^o C / min and further intensive cooling in a hydrogen medium to 100 150 ^o C are carried out in the furnace chamber, and intensive forced cooling in air.

2. A furnace for chemical-thermal treatment of parts from unalloyed electrothermal steels, comprising a housing with a heating chamber located therein with a gas supply system, means for heating and cooling the protective casing, generating a magnetic field, a mechanism for loading and unloading parts, a control system for operating actuators, characterized in that it is equipped with an additional heating chamber with a gas supply and magnetic field generation system and a device for generating a transverse magnetic Ole in the form of permanent magnets mounted along the chamber with the possibility of alternating switching on, with each heating chamber made of a material having passive catalytic properties with respect to saturating media, with a vacuum system and means of intensive cooling of its internal cavity, the loading and unloading mechanism in the form of a trolley movable along the axis of the chambers and supporting the chamber wall, and includes a fan for forced cooling of the parts, the intensive cooling means is made in a perforated tube placed inside the chamber outside the heater zone of the heat exchanger and closed with a common coolant supply circuit, installed inside the chamber along its entire length, and the vacuum system is made with an ammonia dissociation device installed on the inlet pipe of the heat exchanger in the form of a metal electric heater with a developed heating surface and a small heat capacity, and the heating element of the heater is made of a heat-resistant alloy based on iron.