способ силицирования стальных изделий в псевдоожиженном слое

Формула изобретения

Способ силицирования стальных изделий в псевдоожиженном слое, включающий нагрев, насыщение в порошкообразной смеси, содержащей кремний, активатор и корунд, и последующее охлаждение, отличающийся тем, что силицирование проводят в порошкообразной смеси, содержащей дополнительно закись меди, а в качестве активатора фтористый алюминий, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Кремний - 0,5-30

Закись меди - 0,01-5

Фтористый алюминий - 0,01-3

Корунд - 62-99,48

а нагрев осуществляют в атмосфере аммиака, причем в процессе нагрева при температуре порошковой смеси 300-650^oС проводят выдержку в течение 3-30 мин, после чего газообразные продукты откачивают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке металлов и сплавов, и предназначается для повышения износо-, жаро- и коррозионной стойкости деталей машин, может использоваться на предприятиях металлургической, авиационной, химической, судостроительной, машиностроительной и других отраслях промышленности.

Известен способ силицирования металлических изделий, включающий предварительное насыщение кремнием кремнеземной ткани, нанесение кремнеземной ткани на поверхность изделий и отжиг в безокислительной атмосфере (см. авт. свид. СССР 1731873, С 23 С 10/44).

Недостатком известного способа является плохое качество поверхности и большая длительность процесса из-за многостадийности процесса нанесения покрытий.

Из уровня техники наиболее близким к заявленному является способ силицирования металлических изделий в порошковых смесях, содержащих кремний, медь, галоидный активатор и инертный наполнитель, включающий нагрев, выдержку и последующее охлаждение изделий (см. авт. св. СССР 969782, С 23 С 10/44).

Недостатком известного способа является плохое качество поверхности и низкая скорость насыщения за счет малой интенсивности образования активных атомов меди и затруднения доступа газовой фазы непосредственно к поверхности металла.

В основу изобретения поставлена задача улучшения качества поверхности обрабатываемых изделий при одновременной интенсификации процесса силицирования.

Поставленная задача достигается способом силицирования стальных изделий в псевдоожиженном слое, включающим нагрев, насыщение в порошкообразной смеси, содержащей кремний, активатор и корунд, и последующее охлаждение, отличающимся тем, что силицирование проводят в порошкообразной смеси, содержащей дополнительно закись меди, а в качестве активатора - фтористый алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кремний - 0,5-30

Закись меди - 0,01-5

Фтористый алюминий - 0,01-3

Корунд - 62-99,48

Нагрев осуществляют в атмосфере аммиака, причем в процессе нагрева при температуре порошковой смеси 300-650^oС проводят выдержку в течение 3-30 мин, после чего газообразные продукты откачивают.

Способ силицирования стальных изделий осуществляют следующим образом: предварительно готовят порошкообразную смесь для силицирования стальных изделий путем смешивания компонентов, мас. %: кремний 0,5-30, закись меди 0,01-5, фтористый алюминий 0,01-3, корунд 62-99,48. В реторту с указанной порошкообразной смесью загружают стальные изделия, откачивают воздух и закачивают аммиак. Осуществляют их нагрев одновременно с нагревом насыщающей порошкообразной смеси. В процессе нагрева при температуре порошкообразной смеси 300-650^oС проводят выдержку стальных изделий в течение 3-30 мин. Затем температуру повышают до 600-1000^oС и осуществляют насыщение стальных изделий, после чего их охлаждают.

Кремний вводится в состав смеси с целью получения на поверхности изделий слоя, состоящего из силицидов железа.

Присутствие в составе смеси закиси меди позволяет получать активные атомы меди за счет химических реакций между компонентами смеси. При нагреве смеси до температур насыщения на поверхности изделий образуется легкоплавкая эвтектика Cu-Si. При этом создаются условия для более благоприятного протекания процессов диффузии атомов меди и кремния в поверхность изделий.

Фтористый алюминий вводится как активирующая добавка, способствующая адсорбции и диффузии атомов кремния в стальную поверхность.

Корунд предназначен для создания псевдоожиженного слоя.

Применение псевдоожиженного слоя позволяет сократить время насыщения и время нагрева насыщающей смеси, а также обеспечивает равномерный нагрев обрабатываемых материалов. При силицировании стальных образцов в псевдоожиженном слое частицы насыщающей смеси контактируют с поверхностью металла во много раз интенсивнее, чем при обычном способе силицирования. В результате этого происходит очищение поверхности металла от окисной пленки и тем самым облегчается доступ газовой фазы непосредственно к поверхности материала. Процессы силицирования в псевдоожиженном слое протекают в основном за счет газофазного процесса, что обеспечивает высокую скорость насыщения. Активность насыщающей среды в псевдоожиженном слое намного выше, чем при обычном порошковом силицировании, вследствие перечисленных особенностей псевдоожиженного материала. Атомы активного кремния адсорбируются на поверхности образца значительно быстрее, чем происходит их диффузия вглубь металла. В связи с этим концентрация активных атомов кремния на поверхности насыщаемого материала быстро возрастает до концентрации силицидов железа и они образуются за меньший промежуток времени, чем при обычном порошковом силицировании.

Химические реакции между компонентами смеси и аммиаком создают условия для увеличения активности смеси и улучшения качества силицированной поверхности.

После восстановления закиси меди присутствие аммиака в среде нецелесообразно, так как при дальнейшем нагреве это приводит к ухудшению качества силицированной поверхности стальных изделий. Поэтому после выдержки 3-30 мин производят откачку газообразных продуктов из реторты, При времени выдержки 3-30 мин в интервале температур 300-650^oС на поверхности стальных изделий образуется качественный слой меди.

При температурах выдержки ниже 300^oС снижается стабильность протекания процессов восстановления и адсорбции меди на поверхности изделий, что приводит к образованию пористого покрытия при дальнейшем нагреве до температур насыщения. При температурах выдержки выше 650^oС на поверхности изделий образуется пористое покрытие.

При времени выдержки менее 3 мин в интервале температур 300-650^oС процесс восстановления меди проходит не полностью, что приводит к образованию пористого покрытия при дальнейшем нагреве до температур силицирования. Выдержка более 30 мин нецелесообразна, так как за время 3-30 мин процесс восстановления меди проходит полностью и на поверхности изделий образуется плотный слой меди.

Уменьшение содержания кремния менее 0,5 мас.% приводит к нестабильности протекания процесса насыщения поверхности изделий кремнием, тем самым уменьшает толщину силицированного слоя. Увеличение содержания кремния более 30 мас.% нецелесообразно в целях экономии материалов.

Уменьшение содержания закиси меди менее 0,01 мас.% снижает стабильность протекания процессов адсорбции и диффузии атомов меди в стальную поверхность, тем самым снижает скорость формирования силицированных слоев. Увеличение содержания закиси меди более 5 мас.% ухудшает технические свойства диффузионного слоя, снижая поверхностную твердость, а также ухудшает качество силицированной поверхности стальных изделий, образуя пористый слой меди на поверхности.

Уменьшение содержания в смеси фтористого алюминия менее 0,01 мас.% приводит к нестабильности протекания процессов освобождения активных атомов кремния, адсорбции и диффузии их в стальную поверхность. Увеличение его содержания более 3 мас.% нецелесообразно в целях экономии материала.

Для обоснования преимуществ заявляемого способа по сравнению со способом, взятым за прототип, были проведены лабораторные испытания.

Образцы стали 45 диаметром 5 мм и длиной 50 мм подвергали силицированию заявляемым и известным способом при соответствующих сопоставительных режимах с целью определения насыщающей способности состава. Составы смесей, режимы осуществления способа и результаты металлографических исследований приведены в таблице.

Из приведенных данных следует, что заявляемый способ силицирования стальных изделий в псевдоожиженном слое, по сравнению с прототипом, позволяет улучшить качество обработанной поверхности изделий, увеличить в 1,2-1,5 раза толщину покрытия при одновременной интенсификации процесса за счет сокращения в 2-4 раза времени обработки изделий в насыщающей смеси.