Устройство для воспламенения диффузионно-экзотермического состава при химико-термическом упрочнении стального изделия

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.

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.

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.:

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.

Описание на 6 л, илл.1 л.

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.

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.)

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).

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.

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).

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)

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.

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.

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.:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

На фиг.1 схематически показано предложенное устройство.

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.

Устройство функционирует следующим образом.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.).

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 смеси

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.

1. 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, отличающееся тем, что 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, мас.%:

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пенал заполнен смесью указанных порошков массой 0,7-1,5 г и дисперсностью 50-400 мкм, для алюминиевой пудры 1-6 мкм, причем пенал 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 срезаны под углом 45° к его оси.