Способ химико-термической обработки металлов и сплавов Советский патент 1982 года по МПК C23C9/10 

Изобретение относится к химикотермической обработке метал/юв и сплавов и может найти применение в энергетической, авиационной, электротехнической, химической проуышленности и приборостроении для получения эачштных покрытий.

Известен способ нанесения диффузионного покрытия 1 .

Недостатком этого способа является то, что он не позволяет проводить диффузионное насыщение металлов и сплавов в тех случаях, когда растворимость основного металла в транспортном расплаве больше или соизмерима с растворимостью диффузантов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ диффузионного насыщения; заключающийся в том, что, с целью получения диффузионных покрытий, например, платины на железе или меди, процесс ведут в ампуле, отклоненной от вертикального .положения и вращающейся вокруг своей оси для перемещения транспортного расплава натрия. В ампулу вместе с покрываемой деталью загружают навеску платины (0,3 мас.%). После герметизации в атмосфере аргона диффузионное насыщение меди проводят 56 ч в печи при 430-470°С и 630-670°С при диффузионном насыщении железа

2 . .

Недостатком способа является отсутствие возможности получать на деталях покрытия с высокой концентрацией наносимого элемента, вплоть

10 до 1,00 %i..

Известные способы позволяют фррмировать покрытий с содержанием диффузанта в защитном слое не более 80-85%. В ряде случаев это не удов15летворяет техническим и эксплуатационным требованиям, предъявляемым к покрываемым деталям. Слой же чистого металла на поверхности детали при нанесении покрытий из жидкометалли20ческого раствора может быть получен только при диффузионном насыщении при пониженных температурах (350400 С), так как в интервале повышенных температур (850-1000®С), обес25печивающих достаточную растворимость диффузанта в транспортном расплаве, скорость диффузии наносимого элемента в материале изделий высока и наблюдается рассасывание покрытия.

30 Диффузант не успевает накапливаться

На поверхности, что необходимо для достижения высокой и тем Солее 100%ноП его концентрации в защитном покрытии . Однако снижение температуры диффузионного насыщения по известному способу приводит к резкому уменьшению растворимости диффузанта в транспортном расплаве, в результате чего скорость нанесения покрытия существенно уменьшается. То же можно сказать и о толщине диффузионного слоя. Следовательно, необходимо стремиться к созданию таких условий нанесения покрытий, когда, независимо от температуры нагрева в зоне детали, температура в зоне расположения диффузанта была достаточно высокой. Одновременно температура нагрева покрываемой детали не должна превышать температуру,при которой с достаточной скоростью протекают процессы адгезии и диффузионного, обмена. Известные способы не поз-воляют совместить эти условия, так как нанесение покрытий ведут в изотермическом режиме, т.е. температура нагрева диффузанта и покрываемой детали одинакова. В этом случае по причине перегрева может иметь место коробление детали и изменение ее геометрических размеров, перераспределение легирующих компонентов сплава, рост зерен и,следовательно, существенное изменение физико-механических свойств материала изделия.

Цель изобретения - улучшение качества покрытий за счет получения высокой концентрации наносимого элемента в покрытии вплоть до слоя чистого диффузанта.

При этом сохраняются в неизменности геометрические размеры детали и физико-механические характеристики основного металла в процессе диффузионного насыщения и происходит деформирование покрытий в тех случаях, когда растворимость основного металла в транспортном расплаве соизмерима с растворимостью диффузанта.

Указанная цель достигается тем, что деталь вместе с навеской диффузанта нагревается в ампуле с расплавом легкоплавкого металла заданное время, однако диффузионное насыщение, ведут в ампуле, создавая градиент температур по высоте ампулы, помещая нижнюю часть пулы, в которой находится диффузант, в печь

Покрываемую деталь перемещают в верхней (низкотемпературной) зоне ампулы с транспортным расплавом при помощи подвижной подвески и выдерживают в течение времени, необходимого для получения заданной толщины диффузионного покрытия. Благодаря перепаду температур в ампуле создается конвективный поток транспортного расплава, чем и обусловлено перемешивание расплава с одновременным переносом в холодную зону ампулы к детали растворенного в расплаве диффузанта. Так как диффузант находится в процессе нанесения покрытия в нижней горячей5 зоне ампулы, то обеспечивается хорошая его растворимость в транспортном расплаве. Перемещение покрываемой детали в транспортном расплаве от зоны высоких температур в более холодную зону с необходимыми выдержками поочередно создает условия сначала для обеспечения надежной адгезии покрытия с изделием (за счет интенсивных диффузионных процессов и образования переходного слоя с невысокой концендграцией диффузанта), а затем для получения высокой (вплоть до 100 мас.% концентрации наносимого элемента на поверхности (за счет замедления диффузии наносимого компонента в основной металл и накопления его в поверхностном слое покрытия).

Пример 1. Нанесение серебряного покрытия на медную пластинку.

В ампулу из стали 12Х18Н10Т длиной 800 м с внутренним диаметром 25 мм помещают серебро в виде порошка или гранул в количестве 0,3 мае .% (от веса расплава+ вес изделия) и заполняют по известной методике l транспортный расплав (60 -об.% Na + + 40 об.%РЬ) на высоту 600 мм. В верхней части ампула снабжена гермовводом с фторопластовым уплотнением (типа гладкого стержня из того же материала, что и покрываемая деталь) и штуцером для вакуумирования ампулы и напуска в нее инертного газа (аргона). На стержень (подвижная подвеска) закрепляется покрываемый образец ( мм) так, чтобы он первоначально находился над уровнем расплава. Ампула устанавливается в вертикальную муфельную печь, причем опускают нижний конец в печь только на 200 мм. На среднюю часть ампулы надевают автономный нагреватель из нихромовой спирали в керамических бусах высотой 200 мм для обеспечения возможности дополнительного изменения температурного градиента по высоте ампулы.

После в.акуумирования к заполнения внутренней полости ампулы аргоном посредством варьирования температур нагрева печи и автономного нагревателя по высоте ампулы создают рабочи режим насыщения с гргщиентом температур между нижней частью ампулы - горячая зона () и ее верхней частью - холодная зона () . После стабилизации температуры в течение 20 мин покрываемую медную пластину с помощью подвижной подвески погружают втранспортный расплав в.

зону ампулы с температурой 430-450 С необходимой для выполнения условий диффузионного взаимодействия меди с серебромi После выдержки в течение 3 ч пластину перемещают вверх в температурную зону и выдерживают 2 ч. Наконец, покрываемую пластину перемещают еще выше и выдерживают при в течение 5 ч, после чего пластину поднимают выше уровня транспортного расплава и выключают нагрев . После полного охлаждения ампулы пластину извлекают через отверстие вакуумного ввода, остатки расплава с поверхности покрытой пластины удаляют выщелачиванием в проточной.воде (10 мин). Металлофизические исследования показали, что покрытие представляет собой, слой твердого раствора серебра и меди переходного состава до чистого серебра на поверхности. Общая толщина покрытия составляет 345 мкм. Слой чистого серебра на поверхности пластины составляет 28+2 мкм.

Пример 2. На хромоникелевую нержавеющую сталь (типа 12Х18Н10Т) или никелевый сплав (типа ЭИ437Б) наносят вольфрамовое покрытие.

Подготовка оснастки та.же, что и в примере 1.

В качестве транспортного расплава .применяют смесь 50 об.% свинца и 50 об.% натрия и добавляют в качестве диффузанта 0,3 мас.% порошка вольфрама. Плавный температурный градиент по высоте ампулы создают в пределах: горячая зона , холодная зона . Температура горячей зоны выбрана из условий растворимости вольфрама в легкоплавком транспортном металле. Диффузионное насыщение .проводят в зоне с температурой 3 ч, с температурой 2 ч. Для получения слоя чистого Вольфрама на поверхности детали последнюю выдерживают в течение 3 ч в холодной зоне (400°С).

Общая толщина покрытия, полученного по этому режиму, составила 180 мкм. Слой чистого вольфрама на поверхности 11+2 мкм.

.Предлагаемый способ позволит зна0чительно улучшить как технологию, так и качество защитных и защитнодекоративных покрытий на металлах, а такжеповысить эксплуатационные характеристики конструкционных материалов, работающих в условиях воздействия коррозионно-активных сред при повышенных температурах.

Формула изобретения

Способ химико-термической обработки металлов и сплавов, включгцощий нагрев деталей, помеченных в ампулу с расплавом легкоплавкого металла и диффузантом, и последующую выдержку при температуренагрева, отличающий ся тем, что, с целью улучшения качества покрытий за счет получения высокой концентрации наносимого элемента, при нагреве по высоте ампулы создают градиент температур, причем часть ампулы с диффузантом нагревают до температуры растворения диффузанта, а часть ампулы с деталью - до температуры диффузионного насыщения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР . № 510532, кл. С 23 С 9/10, 1978,

2.Авторское свидетельство СССР № 582329, кл. С 23 С 9/10, 1978.