состав ванны для цианирования металлов и сплавов в жидких средах

Формула изобретения

Состав ванны для цианирования металлов или сплавов в жидких средах для насыщения азотом и углеродом, содержащий карбамид и углекислый натрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хлористый натрий и едкий натр при следующем соотношении компонентов, мас.%:

карбамид (NH2)2СО	40 45
углекислый натрий Na 2CO3	35 40
хлористый натрий NaCl	8 10
едкий натр NaOH	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к химико-термической обработке металлов и сплавов, и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов, работающих в условиях высоких контактных нагрузок и трения при недостатке смазки.

Известен способ Тенифер-процесс (Tenifer-Tufftride). Согласно этому способу цианирование производилось в цианистых средах такого состава: 40% NaCN+40% KCN+20% Na₂CO₃ (Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986. - С.300-301) /1/. Недостатками этого состава является высокая стоимость компонентов, высокая токсичность, что вызывает значительные проблемы, связанные с охраной окружающей среды (нейтрализация газов, сточных вод, отходов производства и т.п.) /1/.

Известен также состав ванны для низкотемпературного цианирования - «мягкого азотирования». Расплав карбамида с углекислыми солями калия или натрия (карбонатами) обеспечивает эффект упрочнения поверхностей стальных деталей (NH₂)₂CO - 55%; Na₂CO₃ - 45% (карбамидо-карбонатный)) (Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. - М., 1985. - С.183-186) /2/.

Недостатки указанного состава:

- технологические трудности, т.к. при очень низкой температуре плавления карбамида (133°C) и высокой температуре плавления углекислого натрия (854°C) и особенно углекислого калия (896°C) реакция карбамида с углекислыми солями (карбонатами) происходит очень бурно, с выделением большого количества газов и разбрызгиванием расплава;

- трудность регулирования состава диффузионного слоя, а также контроля состава расплава;

- трудности при освежении состава путем введения в него дополнительных порций карбамида;

- высокая токсичность солей в расплаве и сложности при обезвреживании цианистых отходов.

В качестве наиболее близкого аналога может быть выбран состав ванны для цианирования деталей машин и инструмента, включающий приготовление расплава карбамида с углекислыми солями калия или натрия, содержащий: (NH₂)₂CO - 55%; Na₂CO₃ - 45% /2/.

Технической задачей изобретения является повышение технологичности приготовления состава ванны и обеспечение экологической безопасности и, как следствие, повышение эксплуатационной стойкости деталей машин и инструментов.

Технический результат достигается тем, что в известный состав ванны для цианирования металлов и сплавов в жидких средах для насыщения азотом и углеродом, включающий карбамид и углекислый натрий, согласно изобретению, дополнительно вводят хлористый натрий и едкий натр при следующем соотношении компонентов (мас.%): карбамид (NH₂)₂CO - 40 45; углекислый натрий Na₂CO₃ - 35 40; хлористый натрий NaCl - 8 10; едкий натр NaOH - остальное.

Основной недостаток двухкомпонентной карбамидо-карбонатной ванны - значительные трудности, возникающие при ее приготовлении, так как температура плавления карбамида (133°C) очень низка по сравнению с температурой плавления углекислого натрия (854°) и особенно углекислого калия (896°C). При нагревании твердой смеси (порошков) названных веществ вначале плавится карбамид и начинает реагировать с частицами углекислого натрия, плавающими в жидкости. При этом выделяется большое количество газов. Реакция карбамида с углекислым натрием происходит очень бурно, с выделением большого количества газов и разбрызгиванием расплава.

В результате этого на поверхности ванны образуется большое количество пены, которая выносит из ванны жидкость и твердые частицы. При быстром нагреве смеси наблюдается интенсивное выплескивание расплава из тигля. Большое количество аммиака, выделяющегося при сплавлении компонентов карбамидо-карбонатной ванны, значительно загрязняет атмосферу в зоне работы печи.

Для уменьшения потери компонентов в процессе приготовления ванны на основе карбамида-углекислого натрия в ее состав дополнительно вводят хлористый натрий в количестве 8 10%. Хлористый натрий при данном соотношении значительно снижает температуру плавления солевой смеси и тем самым уменьшает разницу в температурах плавления карбамида и углекислого натрия.

Экспериментальные исследования показали, что при введении в ванну хлористого натрия ее выкипание при сплавлении компонентов прекратилось. Кроме недостатков известных ванн на основе карбамида, связанных с выкипанием и большим выносом солей, они представляют экологическую опасность, так как в процессе работы выделяют очень токсичное газообразное вещество - цианистый водород. Цианистый водород образуется в результате реакции цианистого натрия, находящегося в расплаве с парами воды и углекислым газом, образующимися при разложении карбамида.

Едкий натр, введенный в состав ванны, связывает цианистый водород в нелетучее вещество - цианистый натрий, тем самым делает карбамидсодержащую ванну экологически безопасной в плане выделения вредных веществ в атмосферу. Кроме того, введение в состав ванны едкого натра способствует обогащению расплава цианистым натрием, участвующим в насыщении стали азотом.

Технологический процесс состоит в следующем. Подобранный состав компонентов - карбамид (NH₂)₂CO - 40 45%, углекислый натрий Na₂CO₃ - 35 40%, хлористый натрий NaCl - 8 10% и едкий натр NaOH - остальное расплавляли в специальном тигле, затем производили стабилизацию (старение) состава ванны в течение 2-3 часов, после чего в тигель с расплавом помещали исследуемые образцы.

Как показали эксперименты, активность предлагаемого состава ванны не уступает активности состава на основе карбамида (карбамидо-карбонатный), а также состава ванны, используемого для цианирования стальных изделий по методу Tenifer-Tufftride (табл.1).

Таблица 1
Результаты цианирования стали 20 в соляных ваннах различных составов (570°C)
№ п/п	Состав, % масс	Глубина диффузионного слоя		Примечание
		Общая	Зоны карбонитридов
1	NaCN - 40; KCN - 40; N2CO3 - 20 (Tenifer-Tufftride)	780	12	Состав стабильный
2	(NH2)2CO - 55; Na2CO3 - 45 (карбамидо-карбонатная)	810	18	Повышенная летучесть (выкипание)
3	(NH2)2CO - 40 45; Na2CO3 - 35 40; NaCl - 8 10; NaOH - остальное	790	16	Состав стабильный