RU2778388C1 - Способ контактного процесса химико-термической обработки сталей и сплавов на основе железа - Google Patents

Способ контактного процесса химико-термической обработки сталей и сплавов на основе железа Download PDF

Info

Publication number
RU2778388C1
RU2778388C1 RU2022113061A RU2022113061A RU2778388C1 RU 2778388 C1 RU2778388 C1 RU 2778388C1 RU 2022113061 A RU2022113061 A RU 2022113061A RU 2022113061 A RU2022113061 A RU 2022113061A RU 2778388 C1 RU2778388 C1 RU 2778388C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fraction
chromium
microns
iron
saturating
Prior art date
Application number
RU2022113061A
Other languages
English (en)
Inventor
Наталия Александровна Шабурова
Игорь Юльевич Пашкеев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)"
Application granted granted Critical
Publication of RU2778388C1 publication Critical patent/RU2778388C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, и может быть использовано в любой отрасли машиностроения для нанесения покрытий на изделия из сталей и сплавов на основе железа. Способ термодиффузионного хромирования деталей из сталей или сплавов на основе железа включает загрузку в контейнер обезжиренных деталей, засыпку их насыщающей порошковой смесью, герметизацию контейнера и нагрев до температуры 900-1000°С. Насыщающая смесь имеет следующий состав: хром 32-37 мас.% фракцией не более 150 мкм, оксид алюминия 50 мас.% фракцией 125-140 мкм, хлористый аммоний гранулированный 3 мас.% фракцией 2-3 мм и в качестве эмиттеров электронов порошок вольфрама чистотой 99,95% в количестве 10-15 мас.% фракцией менее 100 мкм. Обеспечивается увеличение глубины диффузионного хромированного слоя за счет интенсификации процесса хромирования. 4 ил., 1 пр.

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке (ХТО) методом термодиффузионного насыщения, и может быть использовано в любой отрасли машиностроения для нанесения покрытий на изделия из сталей и сплавов на основе железа.
Известен способ хромирования, включающий нагрев и насыщение изделия в порошковой среде, содержащей компоненты: феррохром – 50-70 мас. %, хлористый аммоний 5-8 мас.%, колчеданный огарок 25-45 мас. % [1].
Недостатком указанного способа является значительная длительность процесса хромирования и низкое качество поверхности обрабатываемых изделий из-за образования окисной пленки, что затрудняет доступ газовой фазы к поверхности изделий.
Наиболее близким аналогом является способ хромирования железоуглеродистых сплавов, в котором предложено вводить в состав насыщающей смеси в качестве наполнителя окись алюминия и вольфрамовый концентрат марки ППВЗ-3 в количестве 10-30 мас.%, обеспечивающий активизацию процесса. Вольфрамовый концентрат ППВЗ-3 содержит 18 химических элементов периодической системы и имеет сложный химический состав, мас.%: WO3 27,7; Sn 20,69; Cu 0,3; As 0,53; Pb 0,42; S 1,24; Bi 0,031; Zn 0,16; Mn 0,8; Co 0,008; Cr 0,001; Ag 0,003; Al 1,0; Mg 0,6; Sb 0,8; Ba 0,03; Ca 1,0 [2].
Недостатком указанного способа, а именно, состава смеси насыщающей среды, является сложный для воспроизведения состав концентрата ППВЗ-3 и низкие температуры насыщения (850-950°С), не обеспечивающие достаточной диффузионной подвижности атомов хрома в α- и γ-железе.
В основу изобретения поставлена задача увеличения глубины диффузионного упрочняющего слоя за счет интенсификации процесса хромирования.
Поставленная задача достигается тем, что способ контактного процесса химико-термической обработки сталей и сплавов на основе железа методом термодиффузионного насыщения включает загрузку в контейнер обезжиренных деталей, засыпку их насыщающей порошковой смесью содержащей хром, хлористый аммоний и окись алюминия, герметизацию контейнера и нагрев, согласно изобретению, нагрев осуществляют до температуры 900-1000 °С, насыщающая смесь состоит из компонентов следующего состава, мас.%: хром 32-37%, фракция не более 150 мкм; оксид алюминия 50%, фракция 125-140 мкм; хлористый аммоний гранулированный 3%, фракция 2-3 мм; в качестве эмиттеров электронов смесь включает порошок вольфрама чистотой 99,95%, в количестве 10-15%, фракция менее 100 мкм.
Сущность изобретения поясняется изображениями фигур 1-4 и таблицами 1-2, на которых показано:
- фиг.1. Участок точечного химического анализа поверхности образца после хромирования без добавления W – эмиттера электронов;
- Таблица 1. Результаты точечного микрорентгеноспектрального химического анализа (в точках, указанных на фиг.1 образца после хромирования без добавления эмиттеров электронов, мас. %;
- фиг.2. Участок точечного химического анализа поверхности образца после хромирования с добавлением эмиттера W – эмиттера электронов;
- Таблица 2. Результаты точечного микрорентгеноспектрального химического анализа (в точках, указанных на фиг.1 образца после хромирования с добавлением эмиттеров электронов, мас. %;
- фиг.3. Расположение частиц вольфрама у поверхности образца и результаты их точечного микрорентгеноспектрального химического анализа;
- Таблица 3. Результаты микрорентгеноспектрального химического анализа, в точках, указанных на рис. 3;
- фиг.4. а - график распределения хрома в поверхностных слоях хромированных образцов, б - увеличенный фрагмент графика а.
Способ осуществляют следующим образом.
Последовательность операций предлагаемого способа включает: загрузку в контейнер обезжиренных деталей, засыпку их насыщающей смесью, герметизацию контейнера и нагрев контейнера до температуры 900-1000°С. Нижняя температурная граница нагрева обусловлена необходимостью обеспечения достаточной диффузионной подвижности атомов хрома в α- и γ-железе и тем, что в сталях и сплавах на основе железа при температурах выше 900°С формируется однофазная аустенитная структуру, имеющую при этих температурах наибольшую растворимость хрома. Верхняя граница нагрева обусловлена тем, что при нагреве выше 1000°С происходит перегрев металла, сопровождающийся нежелательным ростом аустенитного зерна.
Предлагаемый способ отличается от прототипа температурой нагрева насыщающей смеси и ее составом.
По своему составу насыщающая смесь, также как в прототипе, включает хром, хлористый аммоний, окись алюминия, но существенным отличительным признаком является наличие металлического порошка W, 99,95% чистоты, фракцией не более 100 мкм.
Насыщающая смесь, в отличие от прототипа, имеет следующий состав, мас. %: металлический порошок на основе хрома (32-37 мас. %, фракция не более 150 мкм); порошок оксида алюминия (50 мас. %, фракция 125-140 мкм); хлористый аммоний гранулированный (3 мас. %) фракцией 2-3 мм; эмиттер электронов (порошок W, 99,95% чистоты, фракцией не более 100 мкм) – в количестве 10-15 мас. %.
Отличительным признаком способа является также нагрев до 900-1000°С При температуре ХТО 900-1000°С происходят хорошо изученные процессы испарения хлоридов или других галогенидов насыщающих элементов, осаждение на поверхность деталей атомарных металлов и диффузия их в поверхностный слой деталей, формирование структуры и нужных физико-механических свойств. Толщина диффузионного слоя определяется временем выдержки. К этому описанию относятся все известные процессы контактной химико-термической металлизации поверхности сталей и сплавов на основе железа, независимо от насыщающего металла [3]. Движущей силой такого процесса насыщения поверхности является диффузионная, описанная хорошо известными двумя законами Фика [3-7].
В теории переноса в твердых телах сформулированы два основополагающих постулата из которых следует [3-5]:
1. Частицы каждого сорта (катионы, анионы, электроны) движутся независимо от того, движутся или находятся в покое частицы других сортов.
2. Имеются две движущиеся силы для заряженных частиц каждого сорта: диффузионная, обусловленная градиентом их химического потенциала, и электрическая, обусловленная электрическим полем, причем действие каждой из этих движущих сил не зависит от действия другой движущей силы.
Правильность этих постулатов подтверждена всеми результатами термодинамики необратимых процессов в совокупности. В соответствии с этими постулатами поток заряженных частиц сорта k ( J k ) можно записать следующим образом:
Figure 00000001
, где
Figure 00000002
и
Figure 00000003
– вклад в общий поток диффузионных и электрических сил, соответственно.
Таким образом, задача сводится к тому, что для ускорения диффузионного процесса насыщения необходимо добавить работу электрического поля.
При внесении в насыщающую смесь дополнительных источников электронов (эмиттеров электронов – например порошка W) в добавление к концентрационному полю формируется электрическое поле, которое возникает в процессе нагревания смеси. Нагревание эмиттеров электронов до температуры выше нижнего порога начала эмиссии (450°С-500°С) и далее до температур насыщения 900-1000°С определяет появление термоэлектронов в рабочем пространстве. Железо и сплавы на основе железа в нагретом состоянии являются положительным электродом [8]. Следовательно, появление термоэлектронов формирует электрическое поле, направленное к положительному электроду, которым являются обрабатываемые детали.
Результаты измерения электрической цепи: Fe|40% Cr+10%W+50%Al2O3|Fe при нагреве до 1000°С, при этом авторами заявки определены ток и напряжение:
I=0,5 мА; Е=14,0 мВ.
Зафиксированный ток свидетельствует о появлении направленного потока электронов от эмиттеров (добавка порошка W) к поверхности насыщаемого изделия. Этот направленный поток является дополнительным (кроме диффузионного потока) транспортером атомарного хрома к поверхности насыщаемого изделия и интенсификатором процесса диффузии хрома.
Для проверки заявленного способа термодиффузионного хромирования по сравнению со способом, взятым за прототип, были проведены лабораторные испытания.
Пример выполнения способа.
Образцы стали 35Х2Н3 одинаковых размеров подвергали хромированию в течение 24 часов при температуре 1000°С в однотипных контейнерах, отличающихся только составом насыщающей смеси. С учетом установленного оптимального содержания компонентов смеси для эксперимента были выбраны следующие составы. В одном случае: металлический порошок на основе хрома (37 мас. %, фракция не более 150 мкм); порошок оксида алюминия (50 мас. %, фракция 125-140 мкм); хлористый гранулированный аммоний (3 мас. %) фракцией 2-3 мм; во-втором - металлический порошок на основе хрома (35 мас. %, фракция не более 150 мкм); порошок оксида алюминия (50 мас. %, фракция 125-140 мкм); хлористый аммоний (3 мас. %) гранулированный, фракция 2-3 мм; порошок W 10 мас. %, 99,95% чистоты и фракцией не более 100 мкм. Установлено, что в процесс насыщения поверхности деталей в контейнерах с присадкой эмиттера (в виде 10 мас. % порошка W) глубина диффузионного слоя увеличивается в 1,7-2,0 раза по сравнению с образцом, насыщаемым без добавки эмиттера. Сравнение толщины слоя с прототипом затруднено, ввиду несовпадения температур и длительностей насыщения, а также отсутствия пояснений авторов прототипа относительно методики подсчета толщины диффузионного слоя. В данной заявке учитывался только фактический слой диффузии в образце без учета внешнего слоя, образовавшегося при насыщении.
Кроме того, положительный эффект дополнительного действия электрического поля, проявляющийся в увеличении глубины диффузионного слоя, который возникает в процессе нагрева, можно определить из сравнения таблиц 1,2 результатов точечного химического анализа состава образцов, насыщаемых без эмиттеров и образцов с организованным введением эмиттеров электронов. Концентрационные графики распределения элементов в процентах по глубине диффузионного слоя представлены в табл. 1,2, 3 и на фиг. 1, 2, 3, 4.
Глубину диффузионного слоя определяли на электронном микроскопе JEOL JSM-6460 LV на шлифах, изготовленных поперёк насыщаемой поверхности. На фиг. 1, 2 представлены фотографии образцов, насыщенных чистым хромом и с добавкой эмиттера электронов (добавка порошка W в количестве 10% от массы насыщающей смеси), соответственно. Результаты точечного микрорентгеноспектрального анализа точек, указанных на фиг. 1 и 2, приведены в табл. 1 и 2. Каждому номеру спектра на фиг. 1, 2 соответствует состав спектра с тем же номером в соответствующей таблице. Поверхности образца соответствует т. 8 на фиг. 1 и т. 5 на фиг. 2.
Вольфрам при температурах 900-1000°С практически не диффундирует вглубь образца, а остается на поверхности, являясь эмиттером электронов. На фиг. 3 показаны вкрапления частиц вольфрама по контуру образца, показывающие истинные размеры образца, которые необходимо брать для сравнения глубины насыщения в различных вариантах ХТО: с участием электрического поля и без. В таблице 3 приведены результаты точечного микрорентгеноспектрального анализа частиц вольфрама.
На фиг. 4 а, б показано сравнение глубины диффузионного слоя от поверхности образца, насыщаемого с добавление вольфрама без. Глубиной диффузионного слоя считается расстояние от внешней поверхности образца до точки на графике концентрационной кривой хрома, в которой содержание хрома соответствует исходному для стали 35Х2Н3. Из сравнения размеров двух слоев следует, что в случае насыщения с присадкой эмиттера (т.е. участием электрического поля) глубина диффузионного слоя в 1,7-2 раза больше, чем в случае насыщения без участия электрического поля.
Источники информации
1. Смесь для хромирования стальных изделий. Авт.св. СССР 840190, С23 С9/04, 1981.
2. Состав для диффузионного упрочнения железоуглеродистых сплавов, патент RU2048605.
3. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. – М.: Машиностроение, 1965. – 491 с.
4. Хауффе, К. Реакции в твердых телах и на их поверхностях. Пер. с нем. – М.: Изд-во Иностранная литература. Ч1. 1962, 415 с., Ч2, 1963. 275 с.
5.Даркен Л.С., Гурри Р.В. Физическая химия металлов: пер. с англ. – М.: Металлургиздат, 1960. – 582 с.
6.Чеботин В.Н. Физическая химия твердого тела. – М.: Хмия, 1982. – 320 с.
7. Уманский Я.С., Финкельштейн Б.Н., Блантер М.Е. и др. Физические основы металловедения. – М.: Металлургиздат, 1955. – 721 с.
8. Сплавы для термопар / И. Л. Рогельберг, В. М. М. Бейлип: Металлургия, 1983, 360 с.

Claims (1)

  1. Способ термодиффузионного хромирования деталей из сталей или сплавов на основе железа, включающий использование насыщающей порошковой смеси, содержащей хром, хлористый аммоний и оксид алюминия, герметизацию контейнера и нагрев, отличающийся тем, что сначала проводят загрузку в контейнер обезжиренных деталей, засыпают их указанной насыщающей порошковой смесью, дополнительно содержащей в качестве эмиттеров электронов порошок вольфрама чистотой 99,95%, и в которой используют хлористый аммоний в виде хлористого аммония гранулированного, и проводят указанный нагрев до температуры 900-1000°С, при этом указанная насыщающая порошковая смесь состоит из следующих компонентов: хром 32-37 мас.% фракцией не более 150 мкм, оксид алюминия 50 мас.% фракцией 125-140 мкм, хлористый аммоний гранулированный 3 мас.% фракцией 2-3 мм и порошок вольфрама чистотой 99,95% в количестве 10-15 мас.% фракцией менее 100 мкм.
RU2022113061A 2022-05-16 Способ контактного процесса химико-термической обработки сталей и сплавов на основе железа RU2778388C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2778388C1 true RU2778388C1 (ru) 2022-08-18

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2792514C1 (ru) * 2022-09-23 2023-03-22 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" Способ термодиффузионного хромирования деталей из стали или сплавов на основе железа с добавкой эмиттера в насыщающую порошковую смесь

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU133728A1 (ru) * 1960-01-08 1960-07-01 Г.Н. Дубинин Применение способа диффузионного хромировани дл повышени износостойкости дереворежущего инструмента
DE3565999T (ru) * 1984-05-17 1988-12-08
SU1650774A1 (ru) * 1988-11-24 1991-05-23 Предприятие П/Я В-2725 Состав дл диффузионного хромировани стальных изделий
RU2048605C1 (ru) * 1992-12-09 1995-11-20 Институт машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения РАН Состав для диффузионного упрочнения железоуглеродистых сплавов
RU2184797C1 (ru) * 2001-03-07 2002-07-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" Способ получения покрытий на жаростойких сплавах

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU133728A1 (ru) * 1960-01-08 1960-07-01 Г.Н. Дубинин Применение способа диффузионного хромировани дл повышени износостойкости дереворежущего инструмента
DE3565999T (ru) * 1984-05-17 1988-12-08
SU1650774A1 (ru) * 1988-11-24 1991-05-23 Предприятие П/Я В-2725 Состав дл диффузионного хромировани стальных изделий
RU2048605C1 (ru) * 1992-12-09 1995-11-20 Институт машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения РАН Состав для диффузионного упрочнения железоуглеродистых сплавов
RU2184797C1 (ru) * 2001-03-07 2002-07-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" Способ получения покрытий на жаростойких сплавах

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2792514C1 (ru) * 2022-09-23 2023-03-22 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" Способ термодиффузионного хромирования деталей из стали или сплавов на основе железа с добавкой эмиттера в насыщающую порошковую смесь
RU2794655C1 (ru) * 2023-02-22 2023-04-24 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" Способ термодиффузионного хромирования сталей и сплавов на основе железа с применением кумулятивных решеток

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Erhart et al. Equilibrium segregation of phosphorus at grain boundaries of Fe–P, Fe–C–P, Fe–Cr–P, and Fe–Cr–C–P alloys
Dumoulin et al. Role of molybdenum in phosphorus-induced temper embrittlement
Svensson et al. Fe-Cr-C hardfacing alloys for high-temperature applications
Lee et al. A transformation kinetic model and its application to Cu Zn Al shape memory alloys—I. Isothermal conditions
US3061462A (en) Metallic diffusion processes
Krastev Improvement of corrosion resistance of steels by surface modification
Bartkowska et al. Microstructure, microhardness, phase analysis and chemical composition of laser remelted FeB-Fe2B surface layers produced on Vanadis-6 steel
Seah Surface science in metallurgy
RU2778388C1 (ru) Способ контактного процесса химико-термической обработки сталей и сплавов на основе железа
US1254263A (en) Rust-proofing iron and steel surfaces.
Abdenour et al. Influence of the carburization time on the structural and mechanical properties of XC20 steel
Steiner et al. Continuous and discontinuous precipitation in Fe-1 at.% Cr-1 at.% Mo alloy upon nitriding; crystal structure and composition of ternary nitrides
RU2792514C1 (ru) Способ термодиффузионного хромирования деталей из стали или сплавов на основе железа с добавкой эмиттера в насыщающую порошковую смесь
Kim et al. Effect of aging treatment on impact toughness and corrosion resistance of super duplex stainless steel
Sireli et al. Surface modification of chromium-silicon martensitic steel by forming hard borides
US3298858A (en) Method of treating surfaces of iron and steel
Bahadur Structural studies of calorized coatings on mild steel
RU2794655C1 (ru) Способ термодиффузионного хромирования сталей и сплавов на основе железа с применением кумулятивных решеток
US1848437A (en) Metal alloy
Vintaikin et al. Features of surface phase formation during case-hardening of iron-and titanium-based alloys
Sályi et al. Development of Nitrided Selective Wave Soldering Tool with Enhanced Lifetime for the Automotive Industry
Ezaki et al. Prediction of the Occurence of the [sgrave] phase in Fe [sbnd] Cr [sbnd] Ni alloys
US1793309A (en) Process of case hardening
US2046629A (en) Process of cementation
Maslyuk et al. Wear-resistant and corrosion-resistant carbide-steel-type materials having different matrices