способ легирования порошковых материалов

Формула изобретения

Способ легирования порошковых материалов на основе железа или железоуглеродистых соединений, включающий формование заготовки и обработку ее в расплаве солей, отличающийся тем, что обработку в расплаве солей осуществляют путем электролиза, при этом разогрев солей до состояния расплава осуществляют в процессе электролиза за счет пропускания электрического тока, в качестве основного компонента расплава используют хлорид марганца, а электролиз проводят при температуре 850-1520°С и плотностях тока 0,5-20 А/см².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к изготовлению изделий с высокими механическими свойствами и повышенной износостойкостью.

Известен способ поверхностного легирования изделий из металлов и сплавов. Способ заключается в том, что поверхность металлических изделий нагревают лазером до температуры выше линии солидуса и вводят в расплав легирующие элементы с одновременным воздействием ультразвуковыми колебаниями с амплитудой 7-10 мкм (патент РФ №2007499 1994 г)

В качестве прототипа принят способ изготовления спеченных изделий на основе железа, включающий приготовление шихты, прессование и спекание с целью повышения механических свойств. Спеченные заготовки подвергают нагреву со скоростью не менее 150°С/с в соляных ваннах до 950-1100°С с выдержкой при этой температуре 10-30 мин, после чего охлаждают на воздухе (а.с. СССР № 1770089, опубл. 23.10.1992).

Недостатками данного способа является то, что предварительный нагрев солей в печи до состояния расплава повышает расход энергии, использование расплава солей на основе хрома повышает стоимость изделия, а низкая плотность тока и температура процесса снижают производительность труда.

Задачей изобретения является повышение производительности труда, снижение расхода энергии, снижение стоимости, повышение износостойкости изделий из порошковых материалов.

Задача достигается тем, что сформованную заготовку, являющуюся электродом, и электрод (или электроды) помещают в смесь кристаллических солей, основным компонентом которых является МnСl₂, к электродам подают постоянное напряжение, причем заготовка является катодом, а разогрев солей до состояния расплава осуществляют под действием электрического тока.

Существенным отличием от прототипа является то, что разогрев солей до состояния расплава осуществляют в процессе электролиза за счет пропускания электрического тока, а в качестве основного компонента расплава солей используют хлорид марганца, причем процесс ведут при температуре 850-1520°С и плотностях тока 0,5-20 А/см².

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом: для получения расплава солей (например, МnСl₂+ВаС1₂+NaCl) между положительным электродом и специальным запальным электродом, соединенным с основным отрицательным электродом, зажигается дуга. В течение нескольких секунд вокруг дуги образуется ванна из расплавленных солей. Далее электрод-запальник отодвигается от электрода в сторону заготовки на расстояние 10-20 мм, дуга гаснет, через расплав идет электрический ток. Электрод постепенно приближают к заготовке, при этом за ним образуется дорожка из соляного расплава. После прочерчивания запальным электродом дорожек между всеми электродами (например, между двумя) сам запальник удаляется из расплава. При соединении расплава солей электрода и заготовки начинается процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев заготовки марганцем (при этом NaCl является наполнителем, а ВаСl₂ является стабилизатором). Процесс происходит при температуре 850-152°С, плотности тока 0,5-20 А/см². Нагрев заготовки происходит за счет теплопередачи от расплава солей. Достижение и поддержка и рабочей температуры происходит за счет выделения тепла в процессе электролиза.

Были проведены опыты по легированию стали марганцем, получены следующие результаты: время насыщения марганцем 10-100 мин. Процесс может быть оптимизирован по различным показателям: повышение температуры приводит к значительному ускорению скорости диффузии и соответственно увеличению глубины полученного слоя; повышение плотности тока приводит к увеличению содержания марганца в поверхностных слоях; наилучшая износостойкость достигается при содержании марганца на поверхности 12-14%; наибольшее массовое содержание марганца в материале достигается при самых высоких плотностях тока и перегрева материала до присутствия жидкой фазы; наименьшее время для получения содержания марганца 12-14% достигается при температуре >1200°С и плотностях тока <5 А/см²; оптимизация с точки зрения срока службы печи-ванны предусматривает сравнительно небольшие температуры и плотности тока.

В результате проведенного опыта были получены следующие результаты: при температуре 1150°С, продолжительности процесса 45 мин и плотности тока 5 А/см², получен образец, который был исследован на процентное содержание элементов в глубину образца. Полученные данные сведены в таблицу, и по данным этой таблицы построен график (см. чертеж), где дано процентное содержание элементов от поверхности в глубину образца: жирная линия - содержание железа, тонкая линия - содержание марганца. Данные результаты оптимальны с точки зрения высокого содержания марганца при достаточно высоком сроке службы печи (при температуре больше 1200°С срок службы печей-ванн или тиглей сильно сокращается).

Технико-экономический эффект:

1. Понижение расхода энергии за счет отсутствия предварительного нагрева смеси солей.

2. Использование расплава солей на основе марганца понижает стоимость изделия по сравнению с дорогими хромистыми солями.

3. Повышение плотности тока и температуры процесса значительно повышает производительность труда.

4. Повышение износостойкости порошковых материалов.