RU77868U1

RU77868U1 - DEVICE FOR IGNITION OF A DIFFUSION-EXOTHERMIC COMPOSITION IN CHEMICAL AND THERMAL HARDENING OF A STEEL PRODUCT

Info

Publication number: RU77868U1
Application number: RU2008124759/22U
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Коршунов; Валентина Николаевна Саковцева; Василий Михайлович Короткий
Original assignee: Владимир Владимирович Коршунов
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2008-11-10

Abstract

Полезная модель относится к технологии термодиффузионной обработки и упрочнения изделий, изготовленных, преимущественно, из черных металлов и сплавов, более конкретно к устройствам для воспламенения диффузионно-экзотермического состава при химико-термическом упрочнении изделий сельскохозяйственной техники и может найти применение в других областях машиностроения для повышении твердости и износостойкости поверхностного слоя быстро изнашиваемых деталей различного назначения.The utility model relates to the technology of thermal diffusion processing and hardening of products made mainly of ferrous metals and alloys, more specifically to devices for igniting the diffusion-exothermic composition during chemical-thermal hardening of agricultural equipment and can be used in other areas of mechanical engineering to increase hardness and wear resistance of the surface layer of quickly wearing parts for various purposes.

Решаемой задачей полезной модели является создание удобного, надежного и безопасного в эксплуатации устройства для воспламенения диффузионно-экзотермического состава при химико-термическом упрочнении металлических изделий, в том числе, в полевых условиях и в мастерских малых предприятий.The task of the utility model to be solved is the creation of a convenient, reliable and safe in operation device for igniting the diffusion-exothermic composition during chemical-thermal hardening of metal products, including in the field and in workshops of small enterprises.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для воспламенения диффузионно-экзотермического состава при химико-термическом упрочнении стального изделия, содержащем одноразовое запальное средство, погруженное в указанный состав между защитным слоем теплоизолирующей засыпки и упрочняемой поверхностью стального изделия, согласно полезной модели, запальное средство содержит огнепроводный канал, соединенный с пеналом из сгораемого материала, заполненного порошкообразной зажигательной смесью, находящейся в контакте с зафиксированным внутри пенала открытым концом огнепроводного канала, причем указанный пенал размещен в объеме диффузионно-экзотермического состава на расстоянии 5-20 мм от упрочняемой поверхности стального изделия, а указанная зажигательная смесь имеет температуру сгорания, превышающую температуру воспламенения диффузионно-экзотермического состава и содержит гомогенную смесь порошков аммонийной соли, алюминия, магния, бихромата калия, активированного угля, железной окалины и алюминия в виде пудры при следующем соотношении ингредиентов, % масс.:This problem is solved in that in a device for igniting a diffusion-exothermic composition during chemical-thermal hardening of a steel product containing a disposable ignition means immersed in the specified composition between the protective layer of the heat-insulating backfill and the hardened surface of the steel product, according to the utility model, the ignition means contains a flame-retardant a channel connected to a canister of combustible material filled with a powdered incendiary mixture in contact with a fixed inside the canister with the open end of the flame channel, and the canister is placed in the volume of diffusion-exothermic composition at a distance of 5-20 mm from the hardened surface of the steel product, and said incendiary mixture has a combustion temperature higher than the ignition temperature of the diffusion-exothermic composition and contains a homogeneous mixture of powders ammonium salt, aluminum, magnesium, potassium dichromate, activated carbon, iron oxide and aluminum in the form of powder in the following ratio of ingredients,% mass:

аммонийная сольammonium salt 28,2-28,728.2-28.7 алюминийaluminum 14,5-14,714.5-14.7 бихромат калияpotassium dichromate 3,4-3,53.4-3.5 активированный угольActivated carbon 3,4-3,63.4-3.6 железная окалинаiron oxide 35,7-35,835.7-35.8 алюминий в виде пудрыpowder aluminum 3,5-3,63,5-3,6 магнийmagnesium остальное.rest.

Кроме того, пенал может быть заполнен смесью указанных порошков массой 0,7-1,5 г и дисперсностью 50-400 мкм, для алюминиевой пудры 1-6 мкм, причем пенал может быть выполнен в виде трубки из полиэтиленовой пленки, прикрепленной липкой лентой к огнепроводному каналу в виде полимерного огнепроводного шнура ОШП по ГОСТ 3470-80, а концы огнепроводного шнура могут быть срезаны под углом 45° к его оси.In addition, the pencil case can be filled with a mixture of these powders weighing 0.7-1.5 g and a particle size of 50-400 microns, for aluminum powder 1-6 microns, and the pencil case can be made in the form of a tube made of plastic film attached with an adhesive tape to a fire-conducting channel in the form of a polymeric fire-conducting cord of ОШП according to GOST 3470-80, and the ends of the fire-conducting cord can be cut at an angle of 45 ° to its axis.

Описание на 6 л, илл.1 л.Description for 6 l., Ill. 1 l.

Description

Известно устройство для воспламенения пороховых смесей и взрывчатых веществ выполненное в виде огнепроводного шнура, содержащего слабоспрессованную сердцевину из зерен дымного пороха, окруженную внутренними и наружными оплетками, покрытыми водоизолирующей мастикой (см. статью «Огнепроводный шнур», БСЭ, 3-е изд., 1970-1977 г.)A device for igniting powder mixtures and explosives is made in the form of a fire-retardant cord containing a light-pressed core of smoke powder grains surrounded by internal and external braids coated with waterproofing mastic (see the article “Fire-retardant cord”, TSB, 3rd ed., 1970 -1977)

Огнепроводный шнур обычно используют для передачи теплового импульса в виде пучка искр к капсюлю-детонатору через строго определенный промежуток времени. Диаметр стандартного шнура составляет 5-6 мм, а скорость горения - около 10 мм/сек. В настоящее время выпускаются огнепроводные шнуры различных марок, в частности, для производства сухих работ и для работ под водой. Производителем огнепроводных шнуров является завод «Сокол», 187026, Ленинградская обл., г.Никольское (www.izsokol.ru).A flame-retardant cord is usually used to transfer a heat pulse in the form of a bunch of sparks to a detonator capsule after a strictly defined period of time. The diameter of the standard cord is 5-6 mm, and the burning rate is about 10 mm / sec. Fire-resistant cords of various brands are currently being produced, in particular, for dry work and for work under water. The manufacturer of fire-resistant cords is the Sokol plant, 187026, Leningrad Region, Nikolskoye (www.izsokol.ru).

Недостатком известного устройства является сравнительно низкая температура воспламенения, не обеспечивающая зажигание ряда термореактивных смесей, в том числе, термитного состава на основе окалины железа и алюминия.A disadvantage of the known device is the relatively low ignition temperature, which does not provide ignition for a number of thermosetting mixtures, including thermite composition based on iron and aluminum oxide.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для воспламенения диффузионно-экзотермического состава при химико-термическом упрочнении стального изделия, содержащее одноразовое запальное средство, погруженное в указанный состав между защитным слоем теплоизолирующей засыпки и упрочняемой поверхностью стального изделия (см. Шидловский А.А., Основы пиротехники, 4 изд., М., 1973, стр.23 - прототип).The closest technical solution to the proposed one is a device for igniting a diffusion-exothermic composition during chemical-thermal hardening of a steel product, containing a disposable ignition agent immersed in the specified composition between the protective layer of the heat-insulating backfill and the hardened surface of the steel product (see A. Shidlovsky, Fundamentals of pyrotechnics, 4th ed., M., 1973, p. 23 - prototype).

Особенностью известного устройства для воспламенения термитного состава является выполнение запального средства в виде термитных спичек, обеспечивающих уверенное и сравнительно безопасное воспламенение термитных составов различного назначения, в том числе, при сварке рельсов, труб, электрических проводов, а также при производстве различных сплавов (феррохрома и др.). Производителем термитных спичек является ФГУП Краснозаводский химический завод «Рекорд». 141321, Московская обл., г.Краснозаводск, пл. Рдултовского, 1 (http://khz-record.ru)A feature of the known device for igniting the termite composition is the implementation of ignition means in the form of termite matches, which provide reliable and relatively safe ignition of termite compositions for various purposes, including when welding rails, pipes, electric wires, as well as in the production of various alloys (ferrochrome, etc. .). The manufacturer of termite matches is FSUE Krasnozavodsky Chemical Plant Record. 141321, Moscow region, Krasnozavodsk, pl. Rdultovsky, 1 (http://khz-record.ru)

К недостаткам известного устройства следует отнести необходимость прямого доступа оператора с термитными спичками к открытой поверхности термитного состава, в то время как при химико-термическом упрочнении металлических изделий они находятся в полузакрытой емкости под слоем песчаной засыпки. По этой причине затруднено надежное и безопасное воспламенение диффузионно-экзотермического состава между защитным слоем теплоизолирующей засыпки и упрочняемой поверхностью упрочняемого изделия. Кроме того, отдельные виды диффузионно-экзотермического состава имеют более высокую температуру воспламенения, чем у стандартных видов термитных спичек.The disadvantages of the known device include the need for direct access of the operator with termite matches to the open surface of the termite composition, while during the chemical-thermal hardening of metal products they are in a half-closed container under a layer of sand backfill. For this reason, it is difficult reliable and safe ignition of the diffusion-exothermic composition between the protective layer of the insulating backfill and the hardened surface of the hardened product. In addition, certain types of diffusion-exothermic composition have a higher flash point than standard types of termite matches.

Такое выполнение устройства в процессе химико-термического упрочнения стального изделия позволяет решить указанную задачу за счет организации дистанционного воспламенения диффузионно-экзотермического состава, окружающего изделие под слоем песчаной засыпки. При этом становится возможным воспользоваться низкотемпературными средствами воспламенения свободного конца огнепроводного канала и последующего воспламенения рабочего диффузионно-экзотермического состава при помощи запального средства описанной конструкции с указанными активными ингредиентами.This embodiment of the device during the chemical-thermal hardening of the steel product allows us to solve this problem by organizing remote ignition of the diffusion-exothermic composition surrounding the product under a layer of sand filling. In this case, it becomes possible to use low-temperature means of ignition of the free end of the fire channel and subsequent ignition of the working diffusion-exothermic composition using ignition means of the described construction with the indicated active ingredients.

Предложенное решение обеспечивает, при сравнительно малых затратах, взрывобезопасность указанной гомогенной смеси порошков, надежное и безопасное воспламенение диффузионно-экзотермического состава для внедрения легирующих элементов в рабочую поверхность упрочняемого металлического изделия. Устройство способствует решению этих задач в стационарных условиях заводов-изготовителей техники, в мастерских сельхозпредприятий и в полевых условиях.The proposed solution provides, at relatively low cost, the explosion safety of the indicated homogeneous mixture of powders, reliable and safe ignition of the diffusion-exothermic composition for the introduction of alloying elements into the working surface of the hardened metal product. The device helps to solve these problems in stationary conditions of equipment manufacturing plants, in workshops of agricultural enterprises and in the field.

Указанный пенал, заполненный зажигательной смесью порошков, должен быть размещен в объеме диффузионно-экзотермического состава на расстоянии не менее 5 мм от упрочняемой поверхности стального изделия по причине значительного оттока тепла и не более 20 мм из-за увеличения затрат на избыточное количество диффузионно-экзотермического состава. Температура воспламенения указанной зажигательной смеси должна превышать температуру локального воспламенения диффузионно-экзотермического состава на десятки градусов и более.The specified case, filled with an incendiary mixture of powders, must be placed in the volume of the diffusion-exothermic composition at a distance of not less than 5 mm from the hardened surface of the steel product due to significant heat outflow and not more than 20 mm due to increased costs for the excess amount of the diffusion-exothermic composition . The ignition temperature of the specified incendiary mixture must exceed the temperature of local ignition of the diffusion-exothermic composition by tens of degrees or more.

В результате экспериментальных исследований, проведенных в ГОСНИТИ, был выбран указанный состав ингредиентов гомогенной смеси порошков зажигательного состава, который является оптимальным для решения поставленных задач для диффузионно-экзотермического упрочнения быстро изнашиваемых изделий сельскохозяйственной техники.As a result of experimental studies conducted at GOSNITI, the specified composition of the ingredients of a homogeneous mixture of powders of an incendiary composition was selected, which is optimal for solving the tasks for diffusion-exothermic hardening of quickly worn agricultural products.

Узкий диапазон содержания каждого из ингредиентов в зажигательной смеси, найденный опытным путем, определил главные характеристики указанной смеси, способствующие решению поставленной задачи. При этом общая масса указанных порошков сравнительно мала, а их дисперсность находится в технологически удобном диапазоне 50-400 мкм, кроме дисперсности алюминиевой пудры (1-6 мкм). Применение для пенала трубки из полиэтиленовой пленки, скрепленной с огнепроводным шнуром, концы которого срезаны под углом 45°, обеспечивает большую площадь контакта зажигательной смеси и компонентов огнепроводного шнура и, следовательно, быстрое развитие процесса воспламенения сначала зажигательной смеси, а затем основного диффузионно-экзотермического состава.A narrow range of contents of each of the ingredients in the incendiary mixture, found empirically, determined the main characteristics of this mixture, contributing to the solution of the problem. Moreover, the total mass of these powders is relatively small, and their dispersion is in the technologically convenient range of 50-400 microns, except for the dispersion of aluminum powder (1-6 microns). The use of a tube made of a polyethylene film fastened with a fire-retardant cord, the ends of which are cut at an angle of 45 °, provides a large contact area of the ignition mixture and components of the fire-retardant cord and, therefore, the rapid development of the ignition process of the ignition mixture first and then the main diffusion-exothermic composition .

На фиг.1 схематически показано предложенное устройство.Figure 1 schematically shows the proposed device.

Устройство содержит одноразовое запальное средство, включающее огнепроводный канал 1, соединенный с пеналом 2 из сгораемого материала, заполненного порошкообразной зажигательной смесью 3. Последняя находится в контакте с зафиксированным внутри пенала открытым концом огнепроводного канала 1. Указанный пенал 2 размещен внутри вспомогательной оболочки 4, заполненной диффузионно-экзотермическим составом 5 на расстоянии около 12 мм от упрочняемой поверхности стального изделия в виде лемеха 6. Изделие вместе с составом 5 находится под защитным слоем теплоизолирующей засыпки 7.The device contains a disposable ignition means, including a flame channel 1 connected to a pencil case 2 made of combustible material filled with a powdered incendiary mixture 3. The latter is in contact with the open end of the flame channel, which is fixed inside the pencil case. The specified pencil case 2 is placed inside the auxiliary shell 4 filled with diffusion -exothermic composition 5 at a distance of about 12 mm from the hardened surface of the steel product in the form of ploughshare 6. The product, together with composition 5, is under protective a layer of heat-insulating backfill 7.

Устройство функционирует следующим образом.The device operates as follows.

Вокруг стального изделия в виде лемеха 6 одним из известных способов (засыпкой или нанесением пасты) размещают диффузионно-экзотермический состав 5, ограниченный вспомогательной оболочкой 4. Внутри последней вертикально расположен пенал 2 из сгораемого материала, заполненный порошкообразной зажигательной смесью 3. После этого лемех 6, состав 5, пенал 2 и часть огнепроводного канала 1 засыпают защитным слоем теплоизолирующей засыпки 7 в виде песка. С помощью низкотемпературного источника тепла (не показан) поджигают свободный конец огнепроводного канала 1.Around the steel product in the form of a ploughshare 6, one of the known methods (backfilling or applying a paste) is used to place a diffusion-exothermic composition 5 limited by an auxiliary sheath 4. A pencil case 2 made of combustible material filled with a powdery incendiary mixture 3 is vertically located inside the latter. After this, the ploughshare 6, composition 5, a pencil case 2 and part of the fire channel 1 is covered with a protective layer of heat-insulating backfill 7 in the form of sand. Using a low-temperature heat source (not shown), ignite the free end of the flame channel 1.

Через 7-12 сек искровой агент подходит к зажигательной смеси 3 в пенале 2, обеспечивая сначала ее скоростное воспламенение, а затем и воспламенение диффузионно-экзотермического состава 5 с легирующими добавками, например, углеродом для цементации, или углеродом и азотом для нитроцементации.After 7-12 seconds, the spark agent approaches the incendiary mixture 3 in the canister 2, providing first its high-speed ignition, and then igniting the diffusion-exothermic composition 5 with alloying additives, for example, carbon for cementation, or carbon and nitrogen for nitrocarburizing.

Первоначально зажигание термита пытались производить, подогревая тигель снаружи; при этом все количество взятого термита воспламенялось сразу. Горение в тигле протекало весьма бурно, расплавленная масса разбрызгивалась, что представляло значительную опасность для рабочих. При таких условиях применение термитной реакции для промышленных целей не могло иметь места. Для облегчения воспламенения термитных паст, стабилизации процесса горения и увеличения теплового эффекта в зажигательную смесь были введены указанные выше ингредиенты.Initially, they tried to ignite the termite by heating the crucible from the outside; in this case, the entire amount of taken termite ignited immediately. The combustion in the crucible proceeded very rapidly, the molten mass was sprayed, which represented a significant danger to the workers. Under such conditions, the use of a thermite reaction for industrial purposes could not take place. To facilitate ignition of termite pastes, stabilize the combustion process and increase the thermal effect, the above ingredients were introduced into the incendiary mixture.

Воспламенение наиболее эффективной для термодиффузионного упрочнения железоалюминиевой термитной смеси нельзя осуществить ни при помощи спичек, ни от обычных воспламеняющих составов. Для воспламенения порошкообразного или пастообразного диффузионно-экзотермического состава в ГОСНИТИ было предложено настоящее устройство с предложенным составом ингредиентов. В качестве горючего в состав зажигательной смеси включены магниевый порошок и тонкоизмельченная алюминиевая пудра, обеспечивающие необходимые скорость воспламенения и нагрева диффузионно-экзотермического состава, оказывающих существенное влияние на характер диффузионного слоя на поверхности упрочняемой детали.Ignition of the most effective for thermal diffusion hardening of the iron-aluminum thermite mixture cannot be carried out either with the help of matches, or with conventional flammable compositions. To ignite a powdery or paste-like diffusion-exothermic composition, a real device with the proposed composition of ingredients was proposed at GOSNITI. Magnesium powder and finely ground aluminum powder are included as fuel in the composition of the incendiary mixture, providing the necessary rate of ignition and heating of the diffusion-exothermic composition, which significantly affect the nature of the diffusion layer on the surface of the hardened part.

Опыты по влиянию различных ингредиентов на процесс воспламенения термитного состава показали, что единственно приемлемым по плавному характеру горения может быть состав зажигательной смеси, включающий аммонийную соль, бихромат калия и активированный уголь, остальные варианты композиций имеют взрывной характер горения с разбрасыванием продуктов реакции, поэтому применение их не целесообразно. Характер горения зажигательной смеси на основе окалины и порошков алюминия или магния вполне удовлетворителен. Поэтому их можно использовать также в качестве компонентов диффузионно-экзотермического состава для химико-термической обработки различных изделий из стали.Experiments on the influence of various ingredients on the ignition of the termite composition showed that the only acceptable composition for the smooth combustion could be the composition of the incendiary mixture, including ammonium salt, potassium dichromate and activated carbon, the rest of the compositions have explosive combustion with a spread of reaction products, therefore, their use not appropriate. The character of combustion of the incendiary mixture based on scale and aluminum or magnesium powders is quite satisfactory. Therefore, they can also be used as components of a diffusion-exothermic composition for chemical-thermal treatment of various steel products.

В качестве восстановителей в предложенном устройстве также использовались порошки алюминия и магния. Опыты, проведенные в ГОСНИТИ, показали, что единственно приемлемый по плавному характеру горения может быть указанный состав зажигательной смеси, остальные варианты композиций имеют непредсказуемый характер горения.As reducing agents in the proposed device also used powders of aluminum and magnesium. The experiments carried out at GOSNITI showed that the only composition of the incendiary mixture that can be the only acceptable for the smooth nature of the combustion, the other versions of the compositions have an unpredictable nature of combustion.

Для более эффективного использования тепла реакции в зажигательных смесях на основе указанных компонентов была выяснена целесообразность введения в состав инертных добавок, замедляющих скорость реакции и повышающих теплопередачу от продуктов реакции к образцу.For a more efficient use of the reaction heat in incendiary mixtures based on these components, the expediency of introducing inert additives to the composition, slowing down the reaction rate and increasing heat transfer from the reaction products to the sample, was clarified.

Проблема упрочнения быстро изнашиваемых деталей техники была и остается до настоящего времени достаточно сложной из-за отсутствия мобильных, доступных и простых в использовании технических средств и соответствующей технологии производства работ. Особенно высока потребность в упрочнении и восстановлении быстро изнашиваемых рабочих органов почвообрабатывающих машин (диски борон, стрельчатые лапы культиваторов, сошники, лемеха плугов и др.).The problem of hardening rapidly wearing parts of equipment has been and remains to date quite complicated due to the lack of mobile, affordable and easy to use technical means and the corresponding technology for the production of work. Particularly high is the need for hardening and restoration of quickly wearing working bodies of tillage machines (harrow disks, lancet paws of cultivators, coulters, plowshare plows, etc.).

Диффузионно-экзотермический способ упрочнения изделий отвечает требованиям мобильности, простоты реализации и доступности, имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами упрочнения и восстановления. Он отличается малыми трудозатратами и энергоемкостью, не требует применения электроэнергии, углеводородного топлива дорогостоящего оборудования. Количественное соотношение компонентов термитной и зажигательной смеси определяется соответствующими стехиометрическим соотношениями, обеспечивая процесс высокотемпературной реакции горения термитной смеси, в результате которого происходит термодиффузионное насыщение поверхности деталей легирующими элементами, содержащимися в термитной смесиThe diffusion-exothermic method of hardening products meets the requirements of mobility, ease of implementation and accessibility, has a number of advantages compared to other methods of hardening and restoration. It is characterized by low labor costs and energy intensity, does not require the use of electricity, hydrocarbon fuel, expensive equipment. The quantitative ratio of the components of the thermite and incendiary mixture is determined by the corresponding stoichiometric ratios, providing the process of high-temperature combustion reaction of the thermite mixture, as a result of which the surface diffusion is saturated with alloying elements contained in the thermite mixture

Вопросы более широкого использования диффузионно-экзотермических реакций для осуществления химико-термической обработки и упрочнения деталей в настоящее время изучаются в ГОСНИТИ с участием Института прикладной химии и других специализированных организаций.Issues of wider use of diffusion-exothermic reactions for the implementation of chemical-thermal treatment and hardening of parts are currently being studied at GOSNITI with the participation of the Institute of Applied Chemistry and other specialized organizations.

Claims

1. A device for igniting a diffusion-exothermic composition during chemical-thermal hardening of a steel product, containing a disposable ignition means immersed in the composition between the protective layer of the heat-insulating backfill and the hardenable surface of the steel product, characterized in that the ignition means contains a fire channel connected to the canister from combustible material filled with a powdery incendiary mixture in contact with the open end of the flame fixed inside the canister a water channel, and the specified case is placed in the volume of the diffusion-exothermic composition at a distance of 5-20 mm from the hardened surface of the steel product, and the specified incendiary mixture has a combustion temperature exceeding the ignition temperature of the diffusion-exothermic composition and contains a homogeneous mixture of powders of ammonium salt, aluminum, magnesium, potassium dichromate, activated carbon, iron oxide and aluminum in the form of powder in the following ratio of ingredients, wt.%:

ammonium salt 28.2-28.7 aluminum 14.5-14.7 potassium dichromate 3.4-3.5 Activated carbon 3.4-3.6 iron oxide 35.7-35.8 powder aluminum 3,5-3,6 magnesium rest

2. The device according to claim 1, characterized in that the pencil case is filled with a mixture of these powders weighing 0.7-1.5 g and a particle size of 50-400 microns, for aluminum powder 1-6 microns, and the pencil case is made in the form of a tube of plastic film attached by an adhesive tape to the fire-conducting channel in the form of a polymeric fire-conducting cord of ОШП according to GOST 3470-80, and the ends of the fire-conducting cord are cut off at an angle of 45 ° to its axis.