способ химико-термической обработки изделий

Формула изобретения

СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ, включающий нагрев изделия до температуры диффузионного насыщения, выдержку при этой температуре с одновременной подачей насыщающей среды и под воздействием звукового поля с уровнем звукового давления до 170 дБ, отличающийся тем, что звуковым полем воздействуют непрерывно, а частоту и (или) уровень звукового давления периодически меняют при минимальных значениях звукового давления 60 дБ, частоты 10 Гц и продолжительности воздействия 0,1 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химико-термической обработке изделий и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где требуется получение в короткий срок высококачественных диффузионных слоев.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

Вариант изменения одного параметра, а именно уровня давления звукового поля, иллюстрируется примерами 1 и 2 в сочетании с графиками на 1 и 2 соответственно.

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.

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.

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).

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.