Защита металлоизделий из различных сталей и сплавов при нагреве от окисления и обезуглероживания
Термическая обработка, имеющая целью изменить структуру и свойства металла в требуемом направлении, широкоприменяется в машиностроении. Большинство изделий проката железоуглеродистых сплавов подвергается длительному отжигув муфельных, шахтных, колпаковых, проходных печах с газовым или электрическим нагревом. Однако наряду с требуемыми изменениями свойств железоуглеродистых сплавов при высоких температурах происходят инежелательные превращения, связанные с взаимодействием металла с кислородом. При этом происходит образование окалины,обезуглероживание поверхностного слоя металла и потеря легирующих элементов поверхности металла в случае легированныхсталей.
Такие отрицательные процессы вызывают необходимость принятия защитных мер, предотвращающих или снижающих высокотемпературное взаимодействие железоуглеродистых сплавов с кислородом. К таким мерам относится создание защитной газовой атмосферы в печном пространстве и проведение термической обработки в атмосфере защитного генеративного газа (Nx-газа) или в атмосфере смеси генеративного и природного газа.Другие известные меры и методы защиты от окисления и обезуглероживания проката чёрных металлов и сплавов следующие:
— проведение процесса термической обработки в вакууме или в инертной атмосфере, проведение термообработки в герметических ёмкостях, в засыпке инертным наполнителем или реагентами, создающими восстановительную атмосферу,нанесение на поверхность изделий паст, эмалей, Защитная паста от образования окалины и окисления.
Защита от окисления и обезуглероживания осуществляется при протекании двух параллельных процессов:
1. На поверхности термообрабатываемых изделий формируется барьерный слой, состоящий из оксидов и оксикарбидов, получаемых осаждением из газовой фазы при разложении летучих координационных соединений типа Me (R)n при температурах термической обработки, в процессе самой обработки, где R представляет собой органическую часть молекулы соединения.
2. Газообразные продукты термодиструкции летучих координационных соединений, взаимодействуя с кислородом окислительной атмосферы печи, связывают его, создавая в печном пространстве восстановительную атмосферу, сильно обеднённую кислородом.Сущность процесса:
Комплекс «Барьер» помещается в печь в виде порошка и при температуре 180-200 °С возгоняется, переходя в газовую фазу заполняет объем печи. Далее происходит термодиструкция (разложение) комплекса с образованием твердой фазы оксид/карбида металла, паров воды и углекислого газа.
Твердая фаза в виде технологического (неконструкционного) покрытия садится на нагретую поверхность деталей и нагревателей, осуществляя их защиту от высокотемпературной коррозии, обезуглероживания и потери легирующих элементов.
Защитное покрытие формируют в печах резистивного нагрева шахтного или камерного типа с воздушной атмосферой непосредственно во время термической обработки без изменения принятых режимов термообработки.
Следует отметить, что защитное барьерное покрытие имеет очень слабую адгезию к поверхности металла и легко удаляется. По этой причине это покрытие является технологическим, а не конструкционным и не оказывает влияния прочностные характеристики металла, такие как предел прочности, модуль упругости, относительное удлинение и предел текучести. Толщина барьерного слоя находится в пределах от 1000А до 1мкм.
Кроме того, на поверхности металла резко замедляется процесс потери углерода, присутствующего в сталях в качестве основного легирующего структурообразующего элемента. Это влечёт за собой замедление диффузии углерода из глубинных зон металла, то есть резко замедляет обезуглероживание. Снижение обезуглероживания способствует повышению твёрдости при закалке сталей с применением указанной защитной технологии.
Поверхность легированных сталей не обедняется легирующими элементами, такими как молибден, вольфрам, титан, марганец.
Особенно эффективным предлагаемый метод является в случае защиты от окисления и обезуглероживания любых пружин, резьб, внутренних полостей пресс-форм, трущихся поверхностей, валов, шпинделей, проволоки и т.д.
Обработанная поверхность готова для нанесения гальванических и химических покрытий, а также для горячего цинкования и алитирования без дополнительной подготовки.
При закалке в масле на поверхности обработанных деталей образуется черная пленка (аналогично защитным покрытиям при химическом оксидировании) с повышенной коррозионной стойкостью в воздушной атмосфере.
Предлагаемый метод может быть использован в проходных и факельных печах открытого типа при загрузке деталей в герметичных коробах. Термическая обработка, имеющая целью изменить структуру и свойства металла в требуемом направлении, широкоприменяется в машиностроении. Большинство изделий проката железоуглеродистых сплавов подвергается длительному отжигув муфельных, шахтных, колпаковых, проходных печах с газовым или электрическим нагревом. Однако наряду с требуемыми изменениями свойств железоуглеродистых сплавов при высоких температурах происходят инежелательные превращения, связанные с взаимодействием металла с кислородом. При этом происходит образование окалины,обезуглероживание поверхностного слоя металла и потеря легирующих элементов поверхности металла в случае легированныхсталей. Такие отрицательные процессы вызывают необходимость принятия защитных мер, предотвращающих или снижающихвысокотемпературное взаимодействие железоуглеродистых сплавов с кислородом. К таким мерам относится создание защитнойгазовой атмосферы в печном пространстве и проведение термической обработки в атмосфере защитного генеративного газа (Nx-газа) или в атмосфере смеси генеративного и природного газа.Другие известные меры и методы защиты от окисления и обезуглероживания проката чёрных металлов исплавов следующие:
— проведение процесса термической обработки в вакууме или в инертной атмосфере, проведение термообработки вгерметических ёмкостях, в засыпке инертным наполнителем или реагентами, создающими восстановительную атмосферу,нанесение на поверхность изделий паст, эмалей, защитных гальванических покрытий.Разработанный процесс обеспечивает:
— предотвращение окалины;
— резкое снижение глубины окисленного приповерхностного слоя;
— резкое снижение толщины обезуглероженного слоя;
— снижение потери легирующих компонентов сплавов (W,Mo,V,Ti,Cr и др.);
— сохранение геометрии и размерной точности изделий;
— экономию природного газа до 40%.
— экономию электрической энергии (за счёт увеличения температурного режима и уменьшения времени отжига).
Процесс позволяет устранить:— очистные операции после термообработки (дробеструйная и абразивная обработка, галтовка, травление);
— применение безокислительного нагрева (вакуум, инертная атмосфера, соляные ванны);
— брак изделий, вызванный недостаточной чистотой поверхности в труднодоступных внутренних полостях, карманах.
Процесс является экологически чистым:
Для реализации разработанного процесса не требуется специального оборудования и приборов. Режимы термической обработки не изменяются. Продукты разложения, формируемые в ходе термообработки не содержат газообразных токсичных веществ и соединений, включённых в список вредных веществ. Поэтому не требуется дополнительных систем вентиляции или установки специальных вытяжных устройств.
Процесс является дешевым. Увеличение затрат на термообработку не превышает 0,8-1,5% от стоимости материала изделия.
Таким образом, преимущества разработанного процесса следующие:
— Снижение трудоёмкости термообработки и значительная экономия энергоносителей за счёт исключения защитной атмосферы, инертной атмосферы и вакуума
— Возможность замены термообработки в соляных ваннах нагревом в обычных печах с воздушной атмосферой
— Снижение брака при последующих очистных операций (травление, дробеструйная обработка, галтовка)
— Снижение брака при последующей механической обработке
— Повышение твёрдости поверхностного слоя вследствие устранения или резкого обезуглероживания поверхностного слоя металла.
— Экономия металла, снижение припусков на механическую обработку
— Возможность нанесения гальванических покрытий (оксидирование, оксифосфатирование, кадмирование).
Процесс перспективен для внедрения на металлургических предприятиях и во всех отраслях машиностроения, включая авиастроение, автомобилестроение и заготовительное ковочно-прокатное производство.