Способ получения комплексных диффузионных покрытий на стальных изделиях Советский патент 1989 года по МПК C23C10/22 

1

Изобретение относится к химико- термической обработке конструкционных материалов, в частности к получению жаростойких покрытий для защиты от высокотемпературного окисления углеродистых и легированных сталей и сплавов, и может найти применение в химической,авиационной промышленности, в энергетике, в прибороарматуро- строении.

Целью изобретения является повышение жаростойкости, жаропрочности и стабильности физико-механических свойств.

Способ получения комплексных покрытий заключается в следующем. Обра.ботку проводят при 1000-1200°С в течение 1-3 ч в расплаве лития содержащего в качестве насыщающих компонентов хром, алюминий, кремний, никель и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%: А1 1-2; Si 1,5-2,5; N-i 4,5-10,5; Cr 0,5 - 10,5; Ti 4,5-5,5, LI остальное до 100%. После чего производят отжиг в инертной среде в течение 20-30 мин при той же температур.

Формирование такого покрытия осуществляют следующим образом. Детали нагружают в расплав, где в условиях высокотемпературной изотермической выдержки путем диффузионного нагыще4- 00

)шД

ю

сь со

ния поверхностного слоя материала элементами Cr, Ni, Al, i, Si образуется жаростойкое покрытие. Высокая химическая активность транспортного расплава позволяет одновременно с нанесением жаростойкого покрытия обезуглероживать поверхностные слои обрабатываемого изделия.

После образования жаростойкого слоя изделия извлекают из расплава и отжигают в инертной среде, например, в том же устройстве, располагая изделия над расплавом. Все устройства для получения покрытий из расплава предполагают наличие инертной атмосферы. Во время отжига идет встречная диффузия элементов покрытия, в т.ч. карбндообразующих хрома и титана, от поверхности в глубину основного материала и углерода в обратном направлении из глубины к поверхности в результате чего, по мере образования карбидов, формируется карбидный слой на границе покрытие - сталь, который является барьером и повышает долговечность покрытия при эксплуатации.

Обработке могут подвергаться углеродистые стали с содержанием углерода более 0,3 мас.%, хромистые феррит ные и ферритно-мартенситные стали с содержанием хрома около 13 мас.%.

При этом получают двухслойное жаростойкое и жаропрочное покрытие, состоящее из тонкого барьерного слоя карбидов и жаростойкого слоя значительной толщины, покрывающего карбидный слой. Такое покрытие способно длительное время сохранять жаростойкость п жаропрочность, предохраняя от высокотемпературного окисления изделия из углеродистых и легированных сталей.

Предлагаемый способ позволяет наносить покрытие при одновременном обезуглероживании поверхностных слоев стали, Наружный жаростойкий слой покрытия формируют из твердого раствора Cr9 Ni, Ti, Al, Si на основе железа. При помощи предлагаемо- го технологического процесса под наружным слоом создают барьерный слой, состоящий из карбидов хрома и титана, который препятствует рассасыванию жаростойкого слоя, т.е. диффузионному проникновению элементов жаростойкого слоя в объем основного материала.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

В предлагаемом способе покрытие, состоящее из двух слоев - жаростойкого и барьерного, формируется последовательность в два этапа в различных условиях. Сначала наносят жаростойкое покрытие, состоящее из элементов Al, Ni, Si, Cr, Ti, которые при высоких температурах в окислительной среде образуют достаточно плотные окислы, защищающие металлы и сплавы от интенсивного окисления. Особенно эффективны пленки состава шпинелей (Ni-Cr-Al; Ni-Cr-Si-Al; Ni-Cr-Ti и др.).

Элементы Сг и Ti, входящие в состав покрытия, не только образуют защитные окисные пленки, но и являются сильными карбидообразователями и при взаимодействии с углеродом образуют устойчивые, высокостабильные при высоких температурах карбиды, слои которых могут служить барье ром для диффузии элементов. Жаростойкость Al, Ni, Si, Cr, Ti, способ ность элементов Cr и Ti к образованию карбидов обусловливает применение этих элементов в качестве покрытия.

На первом этапе, когда происходит образование жаростойкого покрытия, появление карбидов нежелательно, поэтому следует проводить обезуглероживание поверхностного слоя. Это достигается применением в качестве транспортного расплава лития - сильнейшего карбидообразователя, который обезуглероживает все стали и-сплавы, особенно содержащие углерод в количестве более 0,2 мас.%.

1

После образования жаростойкого

покрытия формируют барьерный карбидный слой. Для этого изделия извлекают из расплава лития и отжигают в инертной среде, располагая их над расплавом. При этом встречная диффузия в твердой фазе Сг и Ti с одной стороны и углерода с другой приводит к образованию карбидов и формированию карбидного слоя.

Выбор температуры обусловливается реализацией физико-химических процессов, ответственных за формирование покрытия, - растворение и перенос материала покрытия транспортном расплаве, процесс диффузии элементов покрытия в твердой фазе мате Юиала основы. Элементы Al, Si, Ni.

Ti, Cr при температуре выше ODOdC незначительно растворимы в литки. Поэтому целесообразной в данном .случае является температура 1050- 1100 С. Диффузия в твердой фазе при химико-термической обработке обеспечивается при 0,6-0,7 т.пл. основного металла, т.е. железа. Поэтому при выбранной температуре 1050-ПОО°С и в твердой фазе диффузионный процесс проходит достаточно интенсивно. При насыщении стали элементами, которые формируют покрытие, одновременно происходит растворение угле- рода из стали в расплав. Диффузия углерода в твердой стали, а значит и растворение углерода в расплаве, намного превосходит диффузию элементов покрытия и при выбранной темпе- ратуре процесс образования обезугле- роженного слоя опережае Формирование жаростойкого слоя. Его формирование происходит в обеуглероженном объеме поверхностных слоев стали и покрытие состоит из твердого раствора элементов Al, Si, Ni, Cr, Ti на основе железа, т.е. карбидные слои не образуются. Они создаются при последующей термообработке в инерт- ной среде.

Важное значение для качества покрытия имеет толщина каждого слоя. Толщина жаростойкого слоя должна обеспечивать образование плотной окисной пленки для длительного сохранения защитных свойств. При выборе толщины барьерного слоя следует учитывать многие факторы определенное сочетание которых должно обеспечить равнопрочность системы основйой металл - берьерный слой - жаростойкое покрытие при работе в широком диапазоне температур. Установлено, что барьерный слой должен иметь минимальную толщину, обеспечивающую барьерный эффект. Испытания обработанных образцов показывают, что защитные свойства покрытия сохраняются длительное время без разрушения компонентов системы основной металл - барьерный слой - жаростойко покрытие в сложных температурно-вре- менных режимах при соотношении толщин жаростойкого слоя твердораствор- ного состава и барьерного слоя карбидного состава соответственно 10:1.

Для формирования покрытия с таким соотношением толщин жаростойкого и

5 5 0

о 5

0

5

барьерного слоев в распааве лития при проведении процесса в железной ампуле количество компонентов должно быть следугадим, мас.%: А1 1,5; Si 2; Ni 10; Cr 10; Ti 10, литий остальное. Карбидообразующие Сг и Ti взять в количестве, необходимом для создания минимальной толщины карбидного слоя, достаточной для выполнения функций барьера. Требования к точности дозировки невысоки ввиду того, что количество всех компонентов введено с избытком по отношению к растворимости в литии, достаточно обеспечить 0,5% по каждому компоненту ванны. Соотношение компонентов в составе ванны подбирают с учетом их диффузионной подвижности в железе (обезугле- роженной стали) так, чтобы алюминия, кремния и титана было меньше чем хрома и никеля. Объясняется это тем, что подвижность алюминия, кремния и титана в железе выше, чем хрома и никеля. Подбор компонентов по диффузионной подвижности в железе позволяет устранить возможность образования в металле соединений.

При нанесении жаростойкого покрытия в течение 1-3 ч компоненты А1, Si, N, Cr, Ti успевают растзориться в литии, приблизиться к поверхности изделия, адсорбироваться и про- диффундировать в основной металл с одновременным обезуглероживанием поверхностного слоя литием.

При отжиге в инертной среде за 20-30 мин элементы покрытия и основного металла успевают перераспределиться и, в соответствии с разной скоростью диффузии углерода и карбн- дообразующих хрома и титана, за это время у поверхности формируется барьерный слой, состоящий из карбидов.

Пример. В ампулу, изготовленную из железа, помещают порошки компонентов, обеспечивающих формирование жаростойкого покрытия и барьерного слоя, в следующем количестве, мас.%: А1 1,5; Si 2; Ni 10; Cr 10; Ti 5, и ампулу заполняют литием до 100%. ,

Изделия из стали 45 также помещают в ампулу, которую нлгррвают и вы-, держивают при 1050-1100°с в течение 1-3 ч. Этот диапазон обеспечивает образование жаростойко о слоя покрытия толщиной 50-J50 мкм, что при наличии бартерного карбидного слоя достаточно для литьевого сохранения защитных свойств покрытия.

Обработку проводят в ванне, содержащей Ni, Cr, Al, Si и Ti,

После выдержки в ванне изделия извлекают и выдерживают над расплавом при той же температуре 1000- 1100°С в течение 20-30 мин. В это время в результате диффузии углерода к жаростойкому слою и встречной диффузии карбидообразующих элементов

Сг и Ti происходит образование карбидного слоя, состоящего из карбида сложного состава (Cr, Ti)Cy В силу того, что сродство титана и углерода выше, чем у хрома к углероду, и диффузионная подвижность Ti в твердой фазе железа больше, чем у Сг, происходит образование карбида, состоящего, в основном, из титана. Толщина карбидного слоя, образовавшегося при этой выдержке, составляет 5-15 мкм.

Предлагаемые параметры по составу ванны, температуры и времени обработки выбирают оптимальными, исходя из параметров жаростойкости и жаропрочисстн полученных по результатам экспериментов. Данные по обработке приведены в табл.1 и 2.

Обработанные предлагаемым способом образцы имеют в 3 раза выше показатель долговечности при жаростойкости в окислительной среде и в 1,5 раза больше по жаропрочности по сравнению с образцами, обработанными по известному режиму.

Формула изобретения

Способ получения комплексных диффузионных покрытий на стальных из- делиях включающий обработку изделий при 1000-1200°С в расплаве лития, содержащего в качестве насыщающих компонентов хром и алюминий, отличающийся тем, что, с целью повышения жаростойкости, жаропрочности и стабильности физико-механических свойств, в расплав дополнительно вводят кремний, никель и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

0

5

0

Алюминий

Хром

Кремний

Никель

Титан

Литий

1-2

9,5-10,5 1,5-2,5 9,5-10,5 4,5-5,5 Остальное

при этом обработку осуществляют 1- Зч, затем проводят отжиг в инертной атмосфере 20-30 мин при той же температуре.

Изобретение относится к химико-термической обработке конструкционных материалов для получения жаростойких покрытий на изделиях, эксплуатируемых в окислительной среде при высоких температурах. Цель изобретения - повышение жаропрочности, жаростойкости и стабильности физико-механических свойств. Для этого в раствор лития вводят, мас.% : алюминий 1-2, кремний 1,5-2,5, никель 9,5-10,5, хром 9,5-10,5, титан 4,5-5,5, туда же загружают изделия, нагревают до 1000-1100°С, выдерживают при этой температуре в течение 1-3 ч, после чего изделия извлекают из расплава и, располагая их в инертной среде, можно в том же устройстве над расплавом, отжигают при той же температуре в течение 20-30 мин. Полученное таким образом покрытие содержит барьерный слой, препятствующий диффузионному перераспределению элементов покрытия в основной металл изделия, толщиной до 50 мкм. 3 табл.

а б л и ц а. 1

200

540

480

1360

1900

1895

1900

1900

1960

3

5

8

15

15

1

П

14

- 1481263

10

Продолжение табл.1

Сталь 45

Продолжение табл.2

Предлагаемый способ

Сталь

Сталь

Предлагаемый способ

Продолжение табл.3

17 18

18 18 17 18 18

у

8503380

8503375

8503355

8503340

850 3340

850435