СПОСОБ ПОКРЫТИЯ СТАЛЬНОЙ ПОЛОСЫ АЛЮМИНИЕМ Российский патент 1997 года по МПК C23C24/06 

Изобретение относится к металлургии, в частности к закрытию стальных полос цветными металлами.

Известен способ алитирования стальных деталей, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия детали подвергают обработке с целью получения чистой металлической поверхности, свободной от окалины и окислов железа; на обработанные таким образом детали наносят пастообразный состав, содержащий порошок алюминия (> 10 мкм) и пастообразный носитель на основе органического полимера; затем деталь подвергают термообработке при температуре 600-700^oC с целью создания на детали покрытия, детали с покрытием подвергают отжигу при температуре 1000-1100^oC [1] Недостатками данного способа являются:
1. Трудоемкость нанесения тонких и равномерных пастообразных слоев.

2. Необходимость двойной термообработки.

Также известен способ покрытия стальных полос алюминием, заключающийся в очистке обеих поверхностей полосы, покрытии их водной суспензией алюминиевого порошка, сушке покрытия, прокатке охлаждающими валками алюминиевого порошка на полосе с обжатием, обеспечивающим теоретическую плотность алюминия и кратковременной (1-5 сек) термообработке при температуре 450-700^oC [2] Недостатком этого способа является то, что он не обеспечивает равной плотности покрытия по ширине полосы, ликвидации локальных отслоений металла покрытия от стальной основы и как следствие химической однородности покрытия из-за интенсивного окисления стали на вспученных участках.

Задачей данного изобретения является получение качественного покрытия, обеспечивающего равную его плотность по ширине полосы, отсутствие локальных отслоений, а также однородность химического состава.

Поставленная задача достигается тем, что в способе покрытия стальной полосы алюминием, включающем зачистку полосы от жировых и оксидных пленок, нанесение на чистые поверхности суспензий алюминиевого порошка, сушку ее при температуре 100-120^oC, прокатку с обжатием, которое необходимо для достижения заданной плотности покрытия, и термообработку, согласно изобретению, прокатку ведут в термостатированном режиме при температуре 70-80^oC с натяжением, величину которого определяют по формуле:
(t_р-250)(K₁-K₂)(E₁₀₀-mt_р)≅ σ₁≅ 0,95σ_02М (1)
где t_p температура интенсивной реакции диффузионного взаимодействия стали и алюминия ≈350-400^oC;
K₁ коэффициент линейного расширения алюминия;
K₂ коэффициент линейного расширения стали;
E₁₀₀ модуль Юнга стали на выходе из валков;
m коэффициент влияния температуры на модуль Юнга;
σ_02М предел текучести стали при максимальной температуре нагрева полосы в процессе;
σ₁ удельное переднее натяжение.

Указанные признаки: термостатирование процесса прокатки и обеспечение переднего натяжения данной величины являются необходимыми в образовании качественного покрытия, т.е. в получении однородного химического состава без локальных отслоений, трещин и разрывов и равной плотности по ширине полосы.

Суть данных признаков заключается в следующем:
термостатирование режима прокатки при температуре 70-80^oC обеспечивает выравнивание калибровки валков, а следовательно, равномерность обжатия порошка покрытия, т. е. его одинаковой плотности по ширине полосы, а также снижает величину разности линейного термического расширения стальной основы и алюминиевого покрытия;
натяжение, определенное по указанной зависимости, обеспечивает компенсацию разности длин покрытия и стальной основы, возникающей в результате разностей коэффициентов линейного термического расширения стали и алюминия и обеспечивает отсутствие вспучивания алюминиевого покрытия.

Процесс получения покрытия по предложенному способу (как и по прототипу) производится в линии прокатного стана, причем все операции (нанесение суспензии, сушка, прокатка и термообработка) производятся между разматывателем и моталкой. При прокатке порошок покрытия спрессовывается и плотно накатывается на стальную основу. Поэтому чем выше температура прокатки, тем меньше сказывается разность длин (покрытия и основы) от коэффициентов термического расширения. Однако при температуре, превышающей верхний предел режима прокатки, начинает подгорать технологическая смазка, что нарушает химсостав покрытия, а также повышает пожарную опасность процесса. В связи с этим наиболее целесообразная температура процесса прокатки 70-80^oC.

Следующий за прокаткой процесс нагрева полосы ведет к появлению разности длин покрытия и стальной основы, но до 250^oC, т.е. температуры начала диффузионного взаимодействия основы и покрытия, эта разность длин не сказывается, т.к. относительное перемещение покрытия и основы достаточно свободно. При появлении первых точек диффузионного охватывания перемещение становится невозможным, поэтому при отсутствии или недостаточном натяжении при температуре >250^oC появляются локальные отслоения покрытия, что приводит к интенсивному окислению стали в этих местах. Образовавшиеся плотные оксиды (Fe₃O₄ и FeO) препятствуют дальнейшему диффузионному взаимодействию, изменяют химсостав переходного слоя и нарушают сплошность покрытия, а при деформации изгиба оно отваливается.

Для ликвидации этого необходимо компенсировать разницу термических удлинений стальной основы и алюминия покрытия упругим растяжением полосы до момента интенсивной реакции между покрытием и основой (t=350^oC), когда практически весь контактный слой прореагирует. Это достигается натяжением, величина которого должна быть достаточной, чтобы обеспечить такую степень упругого растяжения полосы. Эта величина определяется из выражения (1). Напряжение, возникающее в стальной полосе от действия силы натяжения, не может превышать предел текучести обрабатываемой полосы при температуре максимального нагрева в процессе термообработки (700-725^oC), поскольку в противном случае большая пластическая деформация полосы приводит к нарушению сплошности слоя покрытия (появлению микротрещин на покрытии).

Выражением (1) первый сомножитель (t_p-250) определяет величину температуры, создающую некомпенсированную разность длин, возникающую из-за различия термического удлинения стали и алюминия, второй - (K₁-K₂) дает величину разности коэффициентов термического расширения стальной основы и алюминия, третий (E₁₀₀-mt_p) определяет Модуль Юнга при температуре интенсивного протекания диффузионного взаимодействия. 0,95 σ_02М определяет максимально допустимую величину удельного натяжения.

Испытания проводили на образцах стали 30 г с пределом текучести при t= 20^oC 40 кг/мм² и 30 кг/мм² при t=700^oC, модулем Юнга E при температуре 100^oC 19500 кг/мм², коэффициент пропорциональности модуля Юнга от температуры m=13 кг/мм^2 oC. В паре сталь 30 г и алюминиевый порошок t_p (температура интенсивной реакции диффузионного взаимодействия)=350^oC. Размеры образцов O ширина b= 100 мм, толщина H_o=1,2 мм. Полосу защищали механическим путем с помощью специального зачистного устройства, представляющего собой систему вращающихся абразивных барабанов. Затем покрывали способом пульверизации суспензией алюминиевого порошка с дисперсностью 4-8 мкм. Подогревали полосу в индукторе до t-120^oC и производили ее сушку. Полосу с нанесенным таким образом порошком прокатывали с обжатием 10-40% после чего нагревали со скоростью 20-400 град/сек в индукторе. Прокатку производили при различных величинах натяжения, а стабилизацию температуры осуществляли медными роликами, контактирующими с валками по всей длине образующей. Результаты экспериментальной проверки приведены в таблице.

Из данных экспериментальной проверки видно, что только при выполнении заявляемых признаков покрытие является качественным по плотности, однородности химического состава и по адгезионным характеристикам. Невыполнение заявляемых признаков приводит к получению бракованного покрытия.

Способ покрытия стальной полосы алюминием включает зачистку поверхности полосы, нанесение суспензии алюминиевого порошка, сушку, прокатку с обжатием и термообработку. Прокатку проводят в термостатированном режиме при температуре 70-80^oC с натяжением, величину которого определяют из предложенной зависимости. 1 табл.

Способ покрытия стальной полосы алюминием, включающий зачистку ее поверхности, аэрозольное нанесение суспензии алюминиевого порошка, сушку, прокатку с обжатием, обеспечивающим заданную плотность покрытия, и термообработку, отличающийся тем, что прокатку ведут в термостатированном режиме при температуре 70 80^oС с натяжением, величину которого определяют по формуле

где t_p температура интенсивной реакции диффузионного взаимодействия стали и алюминия, (~350-400^°C);
К₁ коэффициент линейного расширения алюминия;
K₂ коэффициент линейного расширения стали;
E₁₀₀ модуль Юнга стали на выходе валков, кг/мм²;
m коэффициент влияния температуры на модуль Юнга стали, кг/мм²/^oС;
σ_02M предел текучести стали при максимальной температуре нагрева полосы при термообработке покрытия, кг/мм²;
σ₁ удельное переднее натяжение, кг/мм².