СПОСОБ ТЕРМОДИФФУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Российский патент 2004 года по МПК C23C10/34 C23C10/56 C23C12/02 

Изобретение относится к химико-термической обработке, в частности к процессу термодиффузионной обработки изделий из металлов и их сплавов. Может быть использовано в машиностроении, химической, авиационной, газовой промышленности, автомобилестроении, для повышения коррозионной устойчивости выхлопных систем двигателей внутреннего сгорания, теплообменников, турбинных лопаток, в условиях агрессивных сред с циклическим нагревом при больших перепадах температур (от -40 до 1100^oС), коррозионной стойкости крепежного материала, повышение эксплуатационных характеристик механизмов.

Известен способ низкотемпературного термодиффузионного алитирования стальных деталей в порошковой смеси, содержащей алюминиевый порошок и хлорид алюминия (АlСl₃) [1]. Способ включает загрузку в контейнер смеси из алюминиевого порошка и хлорида алюминия, обжиг, выгрузку, загрузку в контейнер обожженной смеси вместе с деталями, установку контейнера в печь, нагрев и алитирование при 500^oС, 2,5 час. Перед загрузкой контейнера проводят раздельное размещение алюминиевого порошка и хлорида алюминия, после установки контейнера в печь, перед нагревом, его герметизируют и продувают аргоном.

Недостатком известного способа является его сложность, так как приходится два раза разогревать контейнер с промежуточным охлаждением (сначала для обжига алитирующей смеси, затем для алитирования), что увеличивает время процесса. Кроме того, хлорид алюминия очень гигроскопичен и при работе на воздухе по подготовке алитирующей смеси он мгновенно впитывает влагу и превращается в жидкую массу, при этом выделяются пары хлористого водорода, влияющие на здоровье работающих.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является "Способ термодиффузионного цинкования" [2].

Известный способ включает следующие операции:
1. Обрабатываемые изделия (стальные детали) очищают и загружают в реактор одновременно с насыщающей смесью.

2. Реактор герметизируют, продувают и заполняют азотом, помещают в печь, разогревают и вращают.

3. Термодиффузионную обработку ведут при температуре 390-430^oС.

4. Насыщающая смесь содержит инертный носитель и насыщающий элемент.

5. Крупность порошка насыщающего металла (Zn) 4-60 мкм.

6. Насыщающий порошок загружают в количестве 0,1-0,2 кг на 1 м² покрываемой поверхности стальных деталей.

7. После окончания процесса реактор охлаждают.

8. Из реактора выгружают насыщающую смесь и обработанные изделия.

Недостатком этого способа является его нестабильность, а именно зависимость процесса термодиффузионной обработки от влажности окружающей атмосферы, повышенные энерго- и трудозатраты.

Задачей предлагаемого изобретения является создание универсального способа термодиффузионной обработки путем расширения его возможности, повышения технологичности с одновременным уменьшением трудозатрат и расхода электроэнергии.

Для решения поставленной задачи термодиффузионную обработку проводят в следующей последовательности:
1. Реактор разогревают до температуры процесса (400-800^oС).

2. Предварительно очищенные изделия загружают в уже разогретый реактор.

3. Реактор герметизируют, во время прогрева изделий создают в нем вакуум и заполняют инертным газом.

4. Реактор с прогретыми изделиями заполняют насыщающей смесью из дополнительного контейнера, герметично состыкованного с реактором.

5. Насыщающая смесь содержит инертный наполнитель и насыщающий элемент.

6. Крупность порошка насыщающего элемента (Zn) 5-20 мкм; (Аl) 40-100 мкм; (В-аморфный) 5-10 мкм; (Ni) 50-100 мкм; (Сr) 5-10 мкм.

7. Насыщающий порошок загружают в количестве 0,1-0,22 кг на 1м² покрываемой поверхности стальных деталей.

8. Крупность инертного наполнителя 80-200 мкм.

9. Термодиффузионную обработку ведут при перемешивании до окончания процесса 1-4 ч, в зависимости от материала подложки и толщины покрытия.

10. Для перемешивания реактор вращают со скоростью 5-8 об/мин.

11. После окончания насыщения при температуре процесса насыщающую смесь отделяют от обработанных изделий в дополнительный контейнер, где смесь остается прогретой и используется для следующих партий изделий.

12. Выгружают из реактора обработанные изделия при температуре процесса и затем их охлаждают.

13. В горячий реактор загружают следующую партию изделий и ведут термодиффузионную обработку по той же схеме.

Дополнительный контейнер заполнен нейтральным газом, снабжен загрузочным устройством для насыщающей смеси и клапаном для засыпки ее в реактор.

При загрузке следующих партий деталей по мере необходимости добавляют дополнительные порции порошка насыщающего элемента, необходимого для получения заданной толщины покрытия из расчета 0,1- 0,2 кг на 1 м² покрываемой поверхности, при этом количество инертного наполнителя остается постоянным. Таким образом, насыщающая смесь постоянно находится в замкнутом технологическом процессе и регенерируется путем добавления в смесь свежих порций порошков насыщаемого элемента (или их смеси), необходимого для создания диффузионного слоя определенной толщины.

Смесь для насыщения может состоять, например, из алюминиевого порошка ПА-4 дисперсностью 40-100 мкм или высокодисперсного порошка цинка (ПЦВД) дисперсностью 5-20 мкм, в количестве 0,1-0,2 кг/м² покрываемой поверхности, (это дает возможность полного разового использования насыщающих порошков алюминия или цинка для получения необходимой толщины покрытия 10-70 мкм) и инертного наполнителя, например, оксида алюминия, крупностью 80-200 мкм. Такая дисперсность порошков алюминия, цинка и наполнителя является оптимальной для получения качественного покрытия, при этом нет спекания насыщающей смеси и ее налипания на изделия из-за непрерывного перемещения смеси при вращении реактора.

При такой схеме процесса термодиффузионной обработки отходы возникают только в виде небольшого количества пыли на покрытых деталях.

Непрерывное перемешивание порошковой смеси позволяет получать однородное по толщине покрытие на резьбе, в глухих отверстиях, на внутренней поверхности труб, на длинномерных деталях.

При крупности порошка, например, более 100 мкм, для алюминия, и более 20 мкм, для цинка уменьшается толщина покрытия из-за уменьшения поверхности соприкосновения порошка с деталями.

Общее количество инертного наполнителя 40-80% к весу деталей и зависит от их габаритов. Если наполнителя в контейнере меньше 40%, то на деталях могут появляться участки без покрытия и забоины на резьбе, особенно на тяжелых изделиях, так как ухудшается работа наполнителя при касании деталей во время вращения реактора. Увеличивать количество наполнителя более 80% к весу деталей нецелесообразно из-за уменьшения полезного объема реактора.

При температуре термодиффузионной обработки, например, для покрытия алюминием ниже 450^oС насыщение практически не идет, а при температуре выше 550^oС начинается укрупнение, скатывание и спекание алюминиевого порошка.

При температуре процесса 350-600^oС поверхность реактора мало окисляется, за счет чего увеличивается срок его службы при циклическом нагревании и охлаждении. Реактор можно изготавливать из малолегированных теплостойких сталей.

Предлагаемый способ термодиффузионной обработки демонстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Предварительно обезжиренные от консервирующей смазки и протравленные от ржавчины в 15%-ной соляной кислоте, 2 образца трубы со сварным швом из стали 08Ю весом 0,6 кг, диаметром 45 мм и длиной 200 мм, толщиной стенки 1,5 мм, общей площадью поверхности 0,12 м², загрузили в разогретый реактор до температуры 600^oС, загерметизировали, откачали воздух и заполнили реактор аргоном. В реактор из дополнительного контейнера добавили 0,48 кг оксида алюминия - 80% к весу труб и 0,026 кг порошка алюминия из расчета 0,2 кг/м² расхода на образование покрытия. Включили вращение реактора со скоростью 5 об/мин. Время алитирования 2 час при температуре 600^oС. После окончания алитирования алитирующую смесь отсеяли в герметичный, дополнительный контейнер, реактор разгерметизировали, образцы вынули на воздух и охладили.

Толщина покрытия, проверенная металлографическим способом и магнитным толщиномером, составляет 70 мкм, и одинаковая как на наружной поверхности труб, так и на внутренней. Алитированный слой состоит из фаз Fe₂Al₅ и FеАl₃.

Последующие примеры, характеризующие предлагаемый способ термодиффузионной обработки, занесены в таблицу.

В первых трех примерах покрытие матовое, с густым серым цветом с синеватым отливом. Хорошее прокрытие сварных швов с несколько отличающейся толщиной диффузионного слоя.

Образцы из сталей 08Ю, Ст10, Ст20 с диффузионным алюминиевым покрытием прошли испытание на циклическую жаростойкость в течение 3 суток (нагрев при температурах 620 или 900^oС в течение 2 часов, охлаждение до комнатной температуры). При 620^oС изменения по цвету и привесу практически нет. При 900^oС образцы стали светлее, привес за 72 ч составляет 0,0025 г/см². Оксидная пленка состоит из фаз FeAl₂O₄.

В процессе испытания на жаростойкость алитированного сплава ЖС6К при температуре 1100^oС в течение 400 ч алюминиевый слой рассасывается до общей толщины покрытия 60 мкм. Оксидная пленка α-Аl₂О₃ составляет 20 мкм, вблизи основы образуется фаза Ni₃Al.

Один из важнейших факторов увеличения скорости процесса является перемешивание, которое сопровождается микроударами твердого инертного наполнителя о поверхность подложки и активацией в ней диффузионного переноса.

Степень механического воздействия должна быть оптимизирована с целью максимального ускорения процесса диффузионного насыщения подложки без ее разрушения (размола).

Экономическая эффективность процесса термодиффузионной обработки заключается в том, что содержание насыщаемых порошков в смесях соответствует получению необходимой толщины покрытия, а количество добавляемого свежего порошка насыщающего металла для следующей партии деталей равно расходу его на заданную толщину покрытия. Расход инертного наполнителя в процессе эксплуатации минимальный. Уменьшается расход электроэнергии за счет загрузки деталей в разогретый реактор без промежуточного охлаждения, снижаются трудозатраты по подготовке насыщающей смеси.

В виду замкнутой схемы проведения процесса промышленные отходы практически отсутствуют.

Насыщающие смеси не содержат разлагающихся при температурах процесса химических веществ, в воздух окружающей среды вредные вещества не выделяются.

Алюминиевое покрытие по жаростойкости не уступает другим способам термодиффузионного алитирования деталей из стали и сплавов и выдерживает многократное закручивание и раскручивание крепежных изделий.

Цинковое покрытие по антикоррозионным свойствам не уступает другим способам термодиффузионного цинкования стальных деталей.

Способ термодиффузионной обработки по предлагаемой схеме позволяет проводить термодиффузионное насыщение различными элементами или их смесями в одной и той же установке.

Источники информации
1. Авт. св. СССР, кл. С 23 с 9/02, 840189. Способ низкотемпературного алитирования. Иванов Е.Г., Выгрянов В.А. Заявл. 28.06.79. Опубл. 30.06.81.

2. Патент RU, кл. С 23 с 10/36, 2147046. Способ термодиффузионного цинкования. Чернов Я.Б., Анфиногенов А.И., Чернов В.П. Заявл. 17.08.98. Опубл. 27.03.2000. Бюл. 9.

Изобретение относится к термодиффузионной обработке изделий из металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроении, химической, авиационной, газовой промышленности и автомобилестроении. Данный способ включает загрузку насыщающей смеси, содержащей инертный наполнитель и насыщающий элемент, и изделий в реактор, его герметизацию, заполнение инертным газом, нагрев и ведение термодиффузионной обработки при постоянном перемешивании, причем изделия загружают в реактор, разогретый до температуры термодиффузионной обработки, в реакторе во время прогрева изделий создают вакуум, инертную атмосферу и заполняют его насыщающей смесью из герметично состыкованного с ним дополнительного контейнера, после окончания термодиффузионной обработки насыщающую смесь отделяют от обработанных изделий при температуре термодиффузионной обработки в дополнительный контейнер, затем из разгерметизированного реактора выгружают изделия и охлаждают их. Техническим результатом изобретения является создание универсального способа термодиффузионной обработки, обладающего повышенной технологичностью, а также позволяющего снизить трудозатраты и расход электроэнергии. 7 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ термодиффузионной обработки металлов и сплавов, включающий загрузку насыщающей смеси, содержащей инертный наполнитель и насыщающий элемент, и изделий в реактор, его герметизацию, заполнение инертным газом, нагрев и ведение термодиффузионной обработки при постоянном перемешивании, отличающийся тем, что изделия загружают в реактор, разогретый до температуры термодиффузионной обработки, в реакторе во время прогрева изделий создают вакуум, инертную атмосферу и заполняют его насыщающей смесью из герметично состыкованного с ним дополнительного контейнера, после окончания термодиффузионной обработки насыщающую смесь отделяют от обработанных изделий при температуре термодиффузионной обработки в дополнительный контейнер, затем из разгерметизированного реактора выгружают изделия и охлаждают их.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве насыщающего элемента берут алюминиевый порошок дисперсностью 40-100 мкм и/или цинковый порошок дисперсностью 5-20 мкм, хромовый порошок дисперсностью 5-10 мкм и/или никелевый порошок дисперсностью 50-100 мкм, аморфный бор дисперсностью 2-5 мкм.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертного наполнителя берут оксид алюминия или карбид кремния дисперсностью 80-200 мкм.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что термодиффузионную обработку ведут при температуре 400-800°С в течение 1-4 ч.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после окончания процесса термодиффузионной обработки насыщающую смесь отделяют путем отсева от обработанных изделий в дополнительный контейнер.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при повторном проведении термодиффузионной обработки в отработанную насыщающую смесь добавляют только порошок насыщающего элемента.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что при повторном проведении термодиффузионной обработки используют уже разогретый реактор.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что порошок насыщающего элемента берут в количестве 0,1-0,2 кг/м² покрываемой поверхности.