Системы производства и распределения контролируемых

и защитных атмосфер.

Системы производства контролируемых и защитных атмосфер

Общие сведения

Контролируемые атмосферы получаются в специальных генераторах при сжигании углеводородного топлива с коэффициентом расхода воздуха <1. Свойства таких атмосфер может изменяться (контролироваться) в процессе их приготовления. Наиболее широкое применение эти атмосферы получили в машиностроении и металлургии в технологиях термической обработки стальных и чугунных изделий (готовый прокат, заготовки, стальные и чугунные отливки). Современная технология термической обработки металла в массовом производстве немыслима без специальных технологических атмосфер, которыми заполняют рабочее пространство термических печей.

Состав газа выбирают таким, чтобы обеспечить защиту металла от окисления, обезуглероживания или создать условия для направленного химико-термического воздействия на его поверхностные слои с целью получения определенной концентрации углерода или других элементов. При этом применение контролируемых атмосфер повышает качество изделий, улучшает их механические свойства, снижает трудоемкость дальнейших операций механической обработки резаньем.

Основными видами термической обработки поковок является нормализация, закалка, отпуск и отжиг. При нормализации поковку нагревают до температуры на 50-60 К превышающей верхнюю критическую точку t _AC3 и после непродолжительной выдержки выгружают из печи и охлаждают на воздухе.

Закалку и высокий отпуск применяют для среднеуглеродистых (0,4-0,6 % С) и легированных сталей с целью получения заданной микроструктуры и твердости.

Отжиг, которому подвергают поковки из легированных сталей, позволяет не только уменьшить неоднородность структуры, но и снять напряжения, снизить твердость перед последующей обработкой резаньем.

Указанные операции выполняют в различного рода термических печах. При производстве поковок точными методами, когда величина припуска составляет 0,5-1 мм, применение технологических атмосфер для термообработки поковок обязательно. Кроме того они предотвращают угар (окисление) и обезуглероживание металла, устраняют потребность в очистных операциях.

Термическая обработка отливок из серого чугуна применяется главным образом для улучшения его технологических и эксплуатационных свойств (обрабатываемости, износостойкости и т. П.) как дополнительная операция для исправления отливок, полученных с отклонениями от требуемого качества.

Так же как и для поковок, при термической обработки отливок применяют отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. Отжиг обуславливает изменение величин зерен и получение равновесных структур распада аустенита.

Различают полный и диффузный отжиг. Полный отжиг применяется с целью снижения твердости, что способствует улучшению механической обработки резаньем и снятию внутренних напряжений. Это достигается переходом от крупнозернистой структуры металла с грубыми включениями феррита к мелкозернистой с равномерно распределенными зернами феррита. Диффузный отжиг применяется преимущественно для крупных отливок из легированной стали с целью выравнивания химической неоднородности зерен твердого раствора. Нормализация отличается от полного отжига характером охлаждения и применяется для устранения структурной неоднородности.

Закалка представляет собой процесс получения структур аустенита, троостита, применяется для отливок из стали с целью повышения твердости и требуемых физико-механических свойств и заключается в нагреве отливок до закалочной температуры, выдержке при ней и последующем охлаждением с большой скоростью. Отпуск следует после закалки отливок из стали для получения более равномерных структур. Осуществляется он путем нагрева до температур ниже интервала превращений, выдержки и последующего охлаждения.

Перечисленные операции выполняются в камерных и проходных печах, рабочее пространство которых заполняется технологической атмосферой с заданными свойствами.

Самым распространенным способом упрочнения изделий из стали является химико-термическая обработка (ХТО) – цементация и нитроцементация. При выполнении этих технологических процессов существенное значение имеет регулирование насыщения, обеспечивающее требуемые характеристики изделия: структуру, распределение концентрации углерода по глубине, глубину насыщенного слоя и др. Как чрезмерное, так и недостаточное насыщение поверхностного слоя вредно. В соответствии с современными требованиями к качеству деталей необходимо получать не только нужную концентрацию углерода, но и оптимальное распределение его по глубине слоя.

В практике цементации и нитроцементации широко используют понятие углеродного потенциала технологической атмосферы и определяется как выраженная в процентах концентрация углерода в гомогенном аустените, находящимся в равновесии с окружающей средой.

Основной насыщающей добавкой (карбюризатором) при цементации в контролируемой атмосфере обычно служит метан, который преобладает в составе природных газов. С печными газами метан реагирует следующим образом:

Разработаны методы регулирования состава контролируемой газовой атмосферы, в основу которых положено непрерывное косвенное регулирование по содержанию в печной атмосфере ии периодическая тарировка приборов (контроль углеродного потенциала) по соответствующему содержанию углерода в стальной фольге.

Как показывает термодинамический анализ, скорость протекания реакций (1) и (2) при температурах 900-1000 ^оC значительно меньше, чем скорость протекания реакции

Поэтому, если равновесие по реакции (3) достигается практически мгновенно, то по реакциям (1) и (2) такое равновесие при отсутствии катализатора вообще не устанавливается. Следовательно, по содержанию метана нельзя судить о парциальных давлениях других газовых компонентов печи, и в качестве количественной меры при регулировании принимается содержание CO₂ и H₂O.

Оптимальным можно считать следующий порядок процесса насыщения. В период ... садки карбюризатор в печь не подается, т.к. в интервалах низких температур углеродный потенциал среды повышен и тонкий поверхностный слой может излишне насытиться углеродом с выделением сажи и образованием цементного слоя Fe₃C. На этой стадии необходимо контролировать содержание CO₂ и CH₄ в рабочем пространстве печи. Следующий период – первая стадия цементации (нитроцементации), характеризуется интенсивным насыщением С, происходит при подаче в печь CH₄. Не допускается образование F₃C (цемента) на поверхности и выделения сажи из газовой фазы. Для предотвращения этих явлений требуется регулирование состава печной атмосферы по содержанию CO₂ или H₂O и периодический контроль концентрации СH₄. В следующем периоде – вторая стадия цементации (нитроцементации) – углеродный потенциал снижается до заданного значения. Происходит диффузное выравнивание концентрации по сечению и формируется поверхностная концентрация, что требует непрерывного контроля и регулирования атмосферы в рабочей камере печи. После окончания цементации наступает период подстуживания от температуры насыщения до температуры закалки или медленное охлаждение до необходимой технологической температуры.

Основные типы конструируемых атмосфер.

Контролируемые атмосферы по их действию на стали можно условно разделить на следующие виды: инертные атмосферы для защиты от окисления и обезуглероживания, науглероживающее-восстановительные атмосферы для защиты от окисления, обезуглероживания, для активного науглероживания или обезуглероживания, а также насыщения азотом, алюминием, хромом, бором и т. д.

По классификации А. А. Шмыкова контролируемые атмосферы подразделяются на следующие типы:

1. Водород – водяной пар – азот (H₂ – H₂O – N₂).

2. Водород – метан – водяной пар – азот (H₂-CH₄-H₂O-N₂).

3. Водород – водяной пар – оксид углерода – азот (H₂-H₂O-CO-N₂)

IV. Оксид углерода–диоксид углерода– водород – водяной пар (CO-CO₂-H₂-H₂O).

V.Оксид углерода– диоксид углерода – водород – водяной пар (CO-CO2-H₂-H₂O).

VI.Оксид углерода – диоксид углерода – водород – водяной пар – метан – азот (CO-CO₂-H₂-H₂O- CH₄-N₂)

Из атмосфер, применяемых при цементации и нитроцементации наибольшее распространение получил эндотермический газ (эндогаз). Название этого газа указывает, что процесс его приготовления протекает с поглощением теплоты и заключается во взаимодействии углеводородов (чаще всего метана) с воздухом при температуре 900-950 ^oC и коэффициенте расхода воздуха ~ 0,25 в присутствии катализатора. Этот газ токсичен и взрывоопасен. Близок по свойствам к эндогазу богатый эктогаз, очищенный от воды иCO₂ методом каталитической конверсии с метаном. Реакция конверсии осуществляется при температуре 900 ^oC в присутствии катализатора. Полученная атмосфера содержит меньше водорода, но больше азота по сравнению с эндогазом, и поэтому менее взрывоопасна и сравнительно дешева. В последние годы находит применение при цементации и нитроцементации.

Для отжига, нормализации и закалки малоуглеродистых сталей и ряда цветных металлов, отпуска среднеуглеродистых сталей и многих углеродистых, спекания металлокерамических деталей, пайки медью и т.п. применяются экзотермические атмосферы, обозначаются индексом ПС. Атмосферы ПС получаются посредством сжигания углеводородного сырья с коэффициентом = 0,5-0,98 и представляют собой дымовые газы, подвергаемые дальнейшей обработке (осушке и очистке отCO₂) Реакция горения идет с выделением теплоты, поэтому ее называют экзотермической. Бедные экзотермические атмосферы полученные при = 0,9 , не взрывоопасны, что делает их весьма перспективными.

Атмосферы из диссоциированного аммиака применяются для отжига и пайки высокохромистых сталей, безокислительного нагрева деталей под закалку, отжига ленты из углеродистой стали и т.п. Диссоциацию аммиака осуществляют в генераторах при температуре 700^oC.

Генераторы для приготовления контролируемых атмосфер.

В комплексный процесс ХТО входит ряд технологических переходов: нагрев и выдержка при определенной температуре, диффузионные процессы, охлаждение со скоростью, предусмотренной закалкой, повторный нагрев и выдержка (например, при отпуске), а также мойка и сушка изделий. В современном производстве указанные операции осуществляются в сложных автоматизированных и механизированных агрегатах. Технологические зоны таких агрегатов заполнены атмосферой, взаиможействующей с поверхностью обрабатываемых изделий.