RU2794655C1 - Method of thermal diffusion chromium plating of steels and iron-based alloys using cumulative grids - Google Patents

Method of thermal diffusion chromium plating of steels and iron-based alloys using cumulative grids Download PDF

Info

Publication number
RU2794655C1
RU2794655C1 RU2023104097A RU2023104097A RU2794655C1 RU 2794655 C1 RU2794655 C1 RU 2794655C1 RU 2023104097 A RU2023104097 A RU 2023104097A RU 2023104097 A RU2023104097 A RU 2023104097A RU 2794655 C1 RU2794655 C1 RU 2794655C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fraction
powder
cumulative
saturating
iron
Prior art date
Application number
RU2023104097A
Other languages
Russian (ru)
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 RU2794655C1 publication Critical patent/RU2794655C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to chemical-thermal treatment (CHT) by the method of thermal diffusion saturation and can be used in any mechanical engineering industry for coating products made of steels and iron-based alloys. The method of thermal diffusion chromium plating of iron-based steels and alloys using cumulative grids, in which degreased parts are loaded into a container, filled with a saturating powder mixture, the container is sealed and heated to a temperature of 900-1000°C for 24 hours, according to the invention, ceramic tubes with a diameter of 2 mm are fixed with a nichrome thread along the perimeter of the saturation sides of the surface of the part, a cumulative grid is installed on top of the tubes in the form of a rectangular plate made of nickel or molybdenum sheet, 0.3 mm thick with perforated holes of a conical shape with a diameter 0.2 mm at the top, directed by the base to the surface to be saturated and arranged with a density of 10 pieces/cm2; which, together with the part, is covered with a saturating powder mixture comprising the following components: metal powder based on chromium 32 wt.% with a fraction of not more than 150 microns, granulated ammonium chloride with 4 wt.% with a fraction of 2-3 mm, and as emitters of electrons and O2- anions, 32 wt.% of serpentine powder with a fraction of not more than 100 microns and 32 wt.% of scheelite powder with a fraction of not more than 100 microns are used.
EFFECT: increased depth of the diffusion layer by creating an additional electron emission flow with the introduction of a mixture of scheelite and serpentine powders into it and controlling this flow by using a cumulative grid.
1 cl, 6 dwg, 4 tbl

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.The invention relates to metallurgy, in particular to chemical-thermal treatment (HTO) by the method of thermal diffusion saturation, and can be used in any branch of mechanical engineering for coating products made of steels and iron-based alloys.

Известен способ хромирования, включающий нагрев, насыщение в порошкообразной смеси, содержащей хромосодержащий компонент CrCl3 (0,001-30 мас.%), медьсодержащий компонент (закись меди 0,001-2 мас.%) и корунд (68-99,998 мас.%), причем нагрев и насыщение осуществляют в атмосфере водорода, а также в процессе нагрева при температуре насыщающей смеси 350-500°С осуществляют выдержку в течение 5-25 мин [1].A known method of chromium plating, including heating, saturation in a powder mixture containing a chromium-containing component CrCl 3 (0.001-30 wt.%), a copper-containing component (copper oxide 0.001-2 wt.%) and corundum (68-99.998 wt.%), and heating and saturation is carried out in a hydrogen atmosphere, and also in the process of heating at a temperature of the saturating mixture of 350-500°C, exposure is carried out for 5-25 min [1].

Недостатком указанного способа является усложнение технологического процесса необходимостью откачки воздуха из контейнера для насыщения и закачки в него водорода.The disadvantage of this method is the complication of the technological process by the need to pump air out of the container for saturation and pump hydrogen into it.

Также известен способ поверхностного упрочнения металлических изделий в контейнере, заполненном порошком каменного угля. На поверхность изделия наносится слой жидкого или гелеобразного электропроводного адгезионного материала, а затем слой порошка материала, содержащего легирующий элемент, или наносят смесь этих компонентов. Нагрев изделия осуществляется пропусканием электрического тока с использованием в качестве электродов контейнера и изделия. В результате наблюдается образование микродуговых разрядов вокруг образца, затем там же возникает область нагрева и последующего возникновения экзотермической реакции горения угольного порошка. Общая продолжительность выдержки в процессе диффузионного насыщения составляет 3 мин. [2].Also known is a method of surface hardening of metal products in a container filled with coal powder. A layer of liquid or gel-like electrically conductive adhesive material is applied to the surface of the product, and then a layer of powder of a material containing an alloying element, or a mixture of these components is applied. The product is heated by passing an electric current using the container and the product as electrodes. As a result, the formation of microarc discharges around the sample is observed, then a heating region appears in the same place and the subsequent occurrence of an exothermic combustion reaction of coal powder. The total exposure time in the process of diffusion saturation is 3 min. [2].

Недостатком указанного способа является высокая трудоемкость процесса за счет дополнительной операции обмазывания деталей технологическими смесями.The disadvantage of this method is the high complexity of the process due to the additional operation of coating parts with technological mixtures.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является способ контактного процесса химико-термической обработки сталей и сплавов на основе железа. Указанный способ включает загрузку в контейнер обезжиренных деталей, засыпку их насыщающей порошковой смесью, герметизацию контейнера и нагрев до температуры 900-1000°С в течение 24 часов. 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, кроме того, предложено вводить в состав насыщающей смеси в качестве эмиттеров электронов порошок вольфрама чистотой 99,95%. Увеличение глубины диффузии хрома достигается за счет вклада в процесс насыщения энергии внутреннего термоэмиссионного поля [3].The closest analogue, taken as a prototype, is a method of contact process of chemical-thermal treatment of steels and alloys based on iron. This method includes loading defatted parts into a container, filling them with a saturating powder mixture, sealing the container and heating to a temperature of 900-1000°C for 24 hours. The saturating mixture has the following composition: chromium 32-37 wt.% with a fraction of not more than 150 microns, aluminum oxide 50 wt.% with a fraction of 125-140 microns, granulated ammonium chloride 3 wt.% with a fraction of 2-3 mm, in addition, it is proposed to introduce into the composition of the saturating mixture as electron emitters is tungsten powder with a purity of 99.95%. An increase in the depth of chromium diffusion is achieved due to the contribution of the energy of the internal thermionic field to the saturation process [3].

Недостатком указанного способа является высокая трудоемкость получения порошка вольфрама чистотой 99,95%.The disadvantage of this method is the high complexity of obtaining tungsten powder with a purity of 99.95%.

Технической задачей и результатом предлагаемого способа является увеличение глубины упрочняющего диффузионного слоя хрома за счет применения кумулятивной решетки для создания кумулятивных электронно-анионных эмиссионных потоков, создаваемых аморфными твердыми электролитами в составе насыщающей порошковой смеси: порошков серпентина (фракция не более 100 мкм) и шеелита (фракция не более 100 мкм) и управления этими потоками.The technical task and the result of the proposed method is to increase the depth of the strengthening diffusion layer of chromium through the use of a cumulative grating to create cumulative electron-anion emission fluxes created by amorphous solid electrolytes in the saturating powder mixture: serpentine powders (fraction not more than 100 μm) and scheelite (fraction no more than 100 µm) and control of these flows.

Техническая задача достигается за счет того, что способ термодиффузионного хромирования сталей и сплавов на основе железа с применением кумулятивных решеток, характеризуется тем, что осуществляют загрузку в контейнер обезжиренных деталей, засыпают их насыщающей порошковой смесью, контейнер герметизируют и проводят нагрев до температуры 900-1000°С в течение 24 часов, согласно изобретения, по периметру сторон насыщения поверхности детали закрепляют нихромовой нитью керамические трубки диаметром 2 мм, сверху трубок устанавливают кумулятивную решетку в виде прямоугольной пластины из листа никеля или молибдена, толщиной 0,3 мм с перфорированными отверстиями конической формы диаметром 0,2 мм при вершине, направленными основанием к насыщаемой поверхности и расположенными с плотностью 10 шт./см2; которую вместе с деталью засыпают насыщающей порошковой смесью, содержащей следующие компоненты: металлический порошок на основе хрома 32 мас.% фракцией не более 150 мкм, хлористый аммоний гранулированный 4 мас.% фракцией 2-3 мм, а в качестве эмиттеров электронов и анионов О2- используют 32 мас.% порошка серпентина фракцией не более 100 мкм и 32 мас.% порошка шеелита фракцией не более 100 мкм.The technical problem is achieved due to the fact that the method of thermal diffusion chromium plating of iron-based steels and alloys using cumulative gratings is characterized by the fact that fat-free parts are loaded into the container, filled with a saturating powder mixture, the container is sealed and heated to a temperature of 900-1000 ° With within 24 hours, according to the invention, along the perimeter of the sides of saturation of the surface of the part, ceramic tubes with a diameter of 2 mm are fixed with a nichrome thread, on top of the tubes establish a cumulative grating in the form of a rectangular plate made of nickel or molybdenum sheet, 0.3 mm thick, with perforated conical holes 0.2 mm in diameter at the top, directed by the base to the saturating surface and located with a density of 10 pieces/cm2; which, together with the part, is covered with a saturating powder mixture containing the following components: metal powder based on chromium 32 wt.% with a fraction of not more than 150 microns, granulated ammonium chloride 4 wt.% with a fraction of 2-3 mm, and as emitters of electrons and anions O2- 32 wt.% of serpentine powder with a fraction of not more than 100 μm and 32 wt.% of scheelite powder with a fraction of not more than 100 μm are used.

Сущность изобретения поясняется изображениями на фигурах 1-6 и таблицами 1-4 (см. в графической части), на которых показано:The essence of the invention is illustrated by the images in figures 1-6 and tables 1-4 (see in the graphic part), which show:

- Фиг 1. Результаты измерений силы тока между двумя железными электродами в насыщающей порошковой смеси для хромирования, содержащей в качестве эмиттеров электронов и анионов О2- порошок серпентина (фракция не более 100 мкм) и порошок шеелита (фракция не более 100 мкм) при нагреве контейнера от 500 до 1000°С;- Fig 1. The results of measurements of the current strength between two iron electrodes in a saturating powder mixture for chromium plating, containing as emitters of electrons and anions O 2 - serpentine powder (fraction not more than 100 microns) and scheelite powder (fraction not more than 100 microns) during heating container from 500 to 1000°C;

- Фиг 2. Схема расположения кумулятивной решетки: а) общая схема установки кумулятивной решетки у детали и вид конусного перфорированного отверстия в разрезе; б) расположение перфорированных отверстий на кумулятивной решетке; в) разрез А-А; где обозначены: 1 - насыщаемая деталь размером 24×10×10; 2 - керамическая трубка диаметром 2 мм; 3 - решетка (из никеля или молибдена) размером 30×15×0,3 мм; 4 - нихромовая нить для крепления керамической трубки на поверхности детали; 5 - отверстия кумулятивной решетки.- Fig 2. Layout of the cumulative grating: a) the general layout of the installation of the cumulative grating at the part and the view of the conical perforated hole in the section; b) the location of the perforated holes on the cumulative grid; c) section A-A; where are indicated: 1 - saturable part with a size of 24×10×10; 2 - ceramic tube with a diameter of 2 mm; 3 - grating (made of nickel or molybdenum) 30×15×0.3 mm in size; 4 - nichrome thread for attaching a ceramic tube to the surface of the part; 5 - holes of the cumulative grid.

- Таблица 1. Значения глубины диффузионного слоя хрома;- Table 1. Values of the depth of the diffusion layer of chromium;

- Фиг. 3. Участок точечного химического анализа поверхности детали после хромирования с добавлением в насыщающую порошковую смесь эмиттеров электронов и анионов О2- - смеси порошков шеелита (CaWO4) и серпентина (Mg3Si2O7) с применением кумулятивной решетки из никеля;- Fig. Fig. 3. Area for point chemical analysis of the part surface after chromium plating with the addition of a mixture of scheelite (CaWO 4 ) and serpentine (Mg 3 Si 2 O 7 ) powders to the saturating powder mixture of emitters of electrons and anions O 2- using a cumulative nickel grid;

- Таблица 2. Результаты точечного микрорентгеноспектрального химического анализа (в точках, указанных на фиг.3 после хромирования с добавлением в насыщающую порошковую смесь эмиттеров электронов и анионов О2- - смеси порошков шеелита (CaWO4) и серпентина (Mg3Si2O7) с применением кумулятивной решетки из никеля;- Table 2. The results of point X-ray microchemical analysis (at the points indicated in figure 3 after chromium plating with the addition of a saturating powder mixture of emitters of electrons and anions O 2- - a mixture of powders of scheelite (CaWO 4 ) and serpentine (Mg 3 Si 2 O 7 ) using a cumulative nickel grating;

- Фиг. 4. Участок точечного химического анализа поверхности детали после хромирования с добавлением в насыщающую порошковую смесь эмиттера электронов и анионов О2- - смеси порошков шеелита (CaWO4) и серпентина (Mg3Si2O7) с применением кумулятивной решетки из молибдена;- Fig. Fig. 4. Area for point chemical analysis of the part surface after chromium plating with the addition of a mixture of scheelite (CaWO 4 ) and serpentine (Mg 3 Si 2 O 7 ) powders to the saturating powder mixture of the emitter of electrons and anions O 2- using a molybdenum cumulative lattice;

- Таблица 3. Результаты точечного микрорентгеноспектрального химического анализа (в точках, указанных на фиг.4 после хромирования с добавлением в насыщающую порошковую смесь эмиттеров электронов и анионов О2- - смеси порошков шеелита (CaWO4) и серпентина (Mg3Si2O7) с применением кумулятивной решетки из молибдена;- Table 3. The results of a point micro-X-ray spectral chemical analysis (at the points indicated in figure 4 after chromium plating with the addition of a saturating powder mixture of emitters of electrons and anions O 2- - a mixture of powders of scheelite (CaWO 4 ) and serpentine (Mg 3 Si 2 O 7 ) using a cumulative lattice of molybdenum;

- Фиг. 5. Участок точечного химического анализа поверхности детали после хромирования с добавлением в насыщающую порошковую смесь порошка вольфрама в качестве эмиттера электронов;- Fig. 5. Area for point chemical analysis of the part surface after chromium plating with the addition of tungsten powder as an electron emitter to the saturating powder mixture;

- Таблица 4. Результаты точечного микрорентгеноспектрального химического анализа (в точках, указанных на фиг.5 детали после хромирования с добавлением в насыщающую порошковую смесь порошка вольфрама в качестве эмиттера электронов;- Table 4. The results of a point micro-X-ray spectral chemical analysis (at the points indicated in figure 5 parts after chromium plating with the addition of tungsten powder as an electron emitter to the saturating powder mixture;

- Фиг. 6. Схема, поясняющая работу перфорированного отверстия кумулятивной решетки.- Fig. 6. Scheme explaining the operation of the perforated hole of the cumulative grid.

Способ осуществляют следующим образом.The method is carried out as follows.

Последовательность операций предлагаемого способа включает: загрузку в контейнер обезжиренных деталей с установленной у их поверхности(ей) кумулятивных(ой) решеток(ки); засыпку их насыщающей порошковой смесью, герметизацию контейнера и нагрев контейнера до температуры 900-1000°С в течение 24 часов. 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, имеющая 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.The sequence of operations of the proposed method includes: loading degreased parts into a container with a cumulative grid(s) installed near their surface(s); filling them with a saturating powder mixture, sealing the container and heating the container to a temperature of 900-1000°C for 24 hours. The lower temperature limit of heating is due to the need to ensure sufficient diffusion mobility of chromium atoms in α- and γ-iron and the fact that in iron-based steels and alloys at temperatures above 900°C a single-phase austenitic structure is formed, which at these temperatures has the highest chromium solubility. The upper limit of heating is due to the fact that when heated above 1000°C, the metal overheats, accompanied by an undesirable growth of austenite grains.

Предлагаемый способ отличается от прототипа:The proposed method differs from the prototype:

- применением дополнительной технологической оснастки - кумулятивной решетки из никеля или молибдена;- the use of additional technological equipment - a cumulative grid made of nickel or molybdenum;

- составом насыщающей порошковой смеси: по своему составу насыщающая смесь, также как в прототипе, включает хром, хлористый аммоний, но существенным отличительным признаком является наличие смеси порошков серпентина и шеелита фракцией не более 100 мкм в количестве 32 мас.% каждого от общей массы насыщающей порошковой смеси, являющихся источником электронов и анионов кислорода.- the composition of the saturating powder mixture: in its composition, the saturating mixture, as well as in the prototype, includes chromium, ammonium chloride, but an essential distinguishing feature is the presence of a mixture of serpentine and scheelite powders with a fraction of not more than 100 microns in an amount of 32 wt.% each of the total mass of the saturating powder mixture, which are a source of electrons and oxygen anions.

Кумулятивные решетки 3 (фиг.2) из никеля или молибдена имеют вид прямоугольной пластины, изготавливаются из листов промышленного производства толщиной 0,3 мм путем пробивания отверстий 5 конической формы керном с углом при вершине 60° до образования у вершины отверстий диаметром 0,2 мм. Экспериментально доказано, что плотность расположения отверстий 5 на решетке должна быть не менее 10 шт./см2. Для поддержания постоянного расстояния между кумулятивной решеткой 3 и насыщаемой поверхностью детали 1, к детали 1 нихромовой нитью закрепляются по периметру сторон насыщения поверхности детали керамические трубки 2 диаметром 2 мм (фиг. 2а, б). Затем сверху на деталь с закрепленными трубками устанавливают кумулятивные решетки и засыпают насыщающей порошковой смесью поверх решеток.Cumulative gratings 3 (figure 2) made of nickel or molybdenum have the form of a rectangular plate, are made from sheets of industrial production with a thickness of 0.3 mm by punching holes 5 of a conical shape with a core with an angle at the top of 60 ° until holes with a diameter of 0.2 mm are formed at the top . It has been experimentally proven that the density of holes 5 on the grating should be at least 10 pieces/cm 2 . To maintain a constant distance between the cumulative grating 3 and the saturating surface of the part 1, ceramic tubes 2 with a diameter of 2 mm are fixed to the part 1 with a nichrome thread along the perimeter of the sides of the saturation of the surface of the part (Fig. 2a, b) . Then, cumulative gratings are installed on top of the part with fixed tubes and covered with a saturating powder mixture over the gratings.

Насыщающая порошковая смесь, в отличие от прототипа, имеет следующий состав: 32 мас.% металлического порошка электролитического рафинированного хрома (фракция не более 140 мкм); эмиттеров электронов и анионов кислорода: 32 мас.% порошка серпентина (фракция не более 100 мкм) и 32 мас.% порошка шеелита (фракция не более 100 мкм), и 4 мас.% хлористого аммония (фракция 2-3 мм).Saturating the powder mixture, unlike the prototype, has the following composition: 32 wt.% metal powder electrolytic refined chromium (fraction not more than 140 microns); emitters of electrons and oxygen anions: 32 wt.% serpentine powder (fraction not more than 100 microns) and 32 wt.% powder scheelite (fraction not more than 100 microns), and 4 wt.% ammonium chloride (fraction 2-3 mm).

Порошок шеелита (оксид CaWO4) является общедоступным, может быть получен как из природного минерала шеелита (состав минерала: 19,48 мас.% - CaO; 80,52 мас.% - WO3, дополнительно может содержать до 10 мас.% примеси MoO3), залежи которого находятся в том числе и в России (Средний Урал, Чукотка, Восточное Забайкалье, Северный Кавказ), так и из продуктов переработки отходов машиностроительного и электротехнического производства.Scheelite powder (oxide CaWO 4 ) is publicly available, can be obtained both from the natural mineral scheelite (mineral composition: 19.48 wt.% - CaO; 80.52 wt.% - WO 3 , additionally may contain up to 10 wt.% impurities MoO 3 ), the deposits of which are also found in Russia (Middle Urals, Chukotka, Eastern Transbaikalia, North Caucasus), and from the products of processing waste from machine-building and electrical production.

Порошок серпентина (Mg3Si2O7) представляет собой отходы от обогащения хромовой руды или минерал природного месторождения серпентина в Н. Уфалее. Состав минерала: 44,1 мас.% - SiO2; 43,0 мас.% MgO; 12,9 мас.% CaO; 12,9 мас.% - H2O.Serpentine powder (Mg3Si2O7) is a waste from the enrichment of chromium ore or a mineral of a natural serpentine deposit in N. Ufaley. Mineral composition: 44.1 wt.% - SiO2; 43.0 wt% MgO; 12.9 wt% CaO; 12.9 wt% - H2Oh

Порошок хлористого аммония - неорганическое соединение, соль аммония с химической формулой NH4Cl. В промышленности и лабораторных условиях получается взаимодействием соляной кислоты с аммиаком или пропусканием углекислого газа через раствор аммиака и хлорида натрия. Особенностью хлористого аммония является разложение его на аммиак и хлористый водород при температуре выше 338°С. Для экспериментов использовался лабораторный реактив в виде гранул фракцией 2-3 мм по ГОСТ 2210-73.Ammonium chloride powder is an inorganic compound, an ammonium salt with the chemical formula NH 4 Cl. In industry and laboratory conditions, it is obtained by the interaction of hydrochloric acid with ammonia or by passing carbon dioxide through a solution of ammonia and sodium chloride. A feature of ammonium chloride is its decomposition into ammonia and hydrogen chloride at temperatures above 338°C. For experiments, a laboratory reagent was used in the form of granules with a fraction of 2-3 mm according to GOST 2210-73.

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 [4]. Считается, что движущей силой такого процесса насыщения поверхности является диффузионная, описанная хорошо известными двумя законами Фика [4-8].At a CTO temperature of 900-1000°C, well-studied processes of evaporation of chlorides or other halides of saturating elements, deposition of atomic metals on the surface of parts and their diffusion into the surface layer of parts, formation of the structure and the desired physical and mechanical properties take place. The thickness of the diffusion layer is determined by the holding time. This description includes all known processes of contact chemical-thermal metallization of the surface of steels and alloys based on iron, regardless of the saturating metal [4]. It is believed that the driving force of such a process of surface saturation is diffusion, described by the well-known two Fick's laws [4–8].

В теории переноса в твердых телах сформулированы два основополагающих постулата из которых следует [5-7]:In the theory of transport in solids, two fundamental postulates are formulated, from which it follows [5-7]:

Частицы каждого сорта (катионы, анионы, электроны) движутся независимо от того, движутся или находятся в покое частицы других сортов.Particles of each kind (cations, anions, electrons) move regardless of whether particles of other kinds are moving or at rest.

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.There are two driving forces for charged particles of each kind: diffusion , due to the gradient of their chemical potential, and electric , due to the electric field, and the action of each of these driving forces does not depend on the action of the other driving force.

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:The correctness of these postulates is confirmed by all the results of the thermodynamics of irreversible processes taken together. In accordance with these postulates, the flux of charged particles of type k ( J k ) can be written as follows:

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где

Figure 00000002
и
Figure 00000003
- вклад в общий поток диффузионных и электрических сил, соответственно.Where
Figure 00000002
And
Figure 00000003
- contribution to the total flow of diffusion and electric forces, respectively.

Таким образом, для ускорения диффузионного процесса насыщения (увеличения глубины диффузии хрома) необходимо интенсифицировать работу электрического поля.Thus, to accelerate the saturation diffusion process (to increase the depth of chromium diffusion), it is necessary to intensify the operation of the electric field.

При внесении в насыщающую смесь дополнительных источников электронов и анионов кислорода (например, шеелита CaWO4 и серпентина Mg3Si2O7) в добавление к концентрационному полю в процессе нагревания смеси возникает электрическое поле. Нагревание эмиттеров электронов и анионов до температуры выше нижнего порога начала эмиссии (450-800°С) и далее до температур насыщения 900-1000°С определяет появление термоэлектронов и анионов кислорода в рабочем пространстве. Железо и сплавы на основе железа в нагретом состоянии являются положительным электродом [9]. Следовательно, появление термоэлектронов и анионов кислорода формирует электрическое поле, направленное к положительному электроду, которым являются обрабатываемые детали.When additional sources of electrons and oxygen anions are introduced into the saturating mixture (for example, scheelite CaWO4and serpentine mg3Si2O7) in addition to the concentration field, an electric field arises during the heating of the mixture. Heating of emitters of electrons and anions to a temperature above the lower threshold of the beginning of emission (450-800°C) and further to saturation temperatures of 900-1000°C determines the appearance of thermoelectrons and oxygen anions in the working space. Iron and iron-based alloys in a heated state are a positive electrode [9]. Consequently, the appearance of thermoelectrons and oxygen anions generates an electric field directed towards the positive electrode, which is the workpiece.

Результаты измерения тока в электрических цепях, насыщающей порошковой смеси серпентина и шеелита при нагреве до 1000°С показаны на фиг. 1. Зафиксированный ток свидетельствует о появлении направленного потока электронов и анионов кислорода к поверхности насыщаемой детали и характеризует работу шеелита и серпентина как аморфных твердых электролитов. Этот направленный поток является дополнительным (к диффузионному потоку) переносчиком атомарного хрома к поверхности насыщаемого изделия и интенсификатором процесса диффузии хрома.The results of measuring the current in electrical circuits of a saturating powder mixture of serpentine and scheelite when heated to 1000°C shown in FIG. 1. The fixed current indicates the appearance of a directed flow of electrons and oxygen anions to the surface of the saturable part and characterizes the operation of scheelite and serpentine as amorphous solid electrolytes. This directed flow is an additional (to the diffusion flow) carrier of atomic chromium to the surface of the saturated product and an intensifier of the chromium diffusion process.

Кумулятивная решетка 3 (фиг. 2) из листа толщиной 0,3 мм устанавливается перед насыщаемой поверхностью детали 1 на расстоянии 2 мм (расстояние фиксируется керамической трубкой 2 диаметром 2 мм, закрепленной к поверхности образца нихромовой нитью 4, причем основание перфорированных отверстий конусной формы 5 решетки 3 расположено у насыщаемой поверхности детали 1 (фиг. 2 а). Каждое такое перфорированное отверстие 5 позволяет усиливать поток насыщающих элементов в газообразной или молекулярной форме, проходящий через перфорированные отверстия кумулятивной решетки. Основной диффузионно-эмиссионный поток (фиг. 6), состоящий из атомов насыщающего металла, хлоридов, электронов и анионов кислорода входит в перфорированное отверстие конусной формы через его вершину. Внутренняя поверхность конусной поверхности перфорированного отверстия эмитирует электроны, которые формируют дополнительные потоки, направленные к оптической оси конуса перфорированного отверстия, т.е. в основной диффузионно-эмиссионный поток. В результате слияния основного и дополнительных эмиссионных потоков, формируется суммарный эмиссионно-диффузионный поток большей энергии, направленный к детали. Таким образом, при неизменном составе насыщающей порошковой смеси, можно активизировать процесс насыщения в нужных участках насыщаемой детали. Работа перфорированных отверстий конусной формы кумулятивной решетки поясняется схемой на фиг. 6.A cumulative grating 3 (Fig. 2) made of a sheet 0.3 mm thick is installed in front of the saturating surface of the part 1 at a distance of 2 mm (the distance is fixed by a ceramic tube 2 with a diameter of 2 mm, fixed to the surface of the sample with a nichrome thread 4, and the base of the perforated holes of the conical shape 5 of the lattice 3 is located at the saturating surface of the part 1 (Fig. 2a). Each such perforated hole 5 allows enhance the flow of saturating elements in gaseous or molecular form passing through the perforated holes of the cumulative grid.The main diffusion-emission flow (Fig. 6), consisting of saturating metal atoms, chlorides, electrons and oxygen anions, enters the perforated cone-shaped hole through its top. The inner surface of the conical surface of the perforated hole emits electrons, which form additional flows directed towards the optical axis of the cone of the perforated hole, i.e. into the main diffusion-emission flow.As a result of the merging of the main and additional emission flows, a total emission-diffusion flow of greater energy is formed pointing towards the part. Thus, with a constant composition of the saturating powder mixture, it is possible to activate the saturation process in the desired areas of the saturating part. The operation of the perforated holes of the conical shape of the cumulative grid is illustrated by the diagram in Fig. 6.

Для проверки заявленного способа термодиффузионного хромирования по сравнению со способом, взятым за прототип, были проведены лабораторные испытания.To test the claimed method of thermal diffusion chromium plating in comparison with the method taken as a prototype, laboratory tests were carried out.

Примеры выполнения способаMethod execution examples

Пример 1. Перед насыщаемой поверхностью обезжиренной детали из стали 35Х2Н3 размером 24×10×10 мм проволокой закрепляют на расстоянии 2 мм кумулятивную решетку из листа никеля прямоугольной формы размером 30х15 мм, толщиной 0,3 мм с перфорацией отверстиями диаметром при вершине 0,2 мм, расположенными с плотностью 10 шт./см2. Затем подготовленные детали помещают в герметизированный контейнер, засыпают насыщающей порошковой смесью состава: металлический порошок на основе хрома 32 мас.% (фракция не более 140 мкм), и 4 мас.% хлористого аммония (фракция 2-3 мм), эмиттеры электронов и анионов кислорода: 32 мас.% порошка серпентина (фракция не более 100 мкм) и 32 мас.% порошка шеелита (фракция не более 100 мкм); нагревают в течение 24 часов при температуре 1000°С. В результате получают глубину диффузионного слоя хрома 53-60 мкм (табл. 1).Example 1. In front of the saturated surface of a degreased part made of steel 35X2H3 with a size of 24 × 10 × 10 mm, a cumulative grid made of a rectangular nickel sheet with a size of 30x15 mm and a thickness of 0.3 mm is fixed with a wire at a distance of 2 mm with perforation with holes with a diameter at the top of 0.2 mm arranged with a density of 10 pieces/cm 2 . Then the prepared parts are placed in a sealed container, covered with a saturating powder mixture of the composition: metal powder based on chromium 32 wt.% (fraction not more than 140 microns), and 4 wt.% ammonium chloride (fraction 2-3 mm), electron and anion emitters oxygen: 32 wt.% serpentine powder (fraction not more than 100 μm) and 32 wt.% powder scheelite (fraction not more than 100 μm); heated for 24 hours at a temperature of 1000°C. The result is a depth of the diffusion layer of chromium 53-60 microns (table. 1).

Пример 2. Выполнялась та же последовательность действий, что и в примере 1, но применялась кумулятивная решетка из молибдена. В результате получают глубину диффузионного слоя хрома 60-72 мкм (табл. 1).Example 2. The same sequence of actions was performed as in example 1, but a cumulative lattice of molybdenum was used. The result is a depth of the diffusion layer of chromium 60-72 microns (table. 1).

Пример 3 (прототип). Обезжиренную деталь из стали 35Х2Н3 размером 24×10×10 мм помещают в герметизированный контейнер, засыпают насыщающей порошковой смесью состава: металлический порошок на основе хрома 35 мас.%, фракция не более 150 мкм; оксид алюминия 50 мас.%, фракция 125-140 мкм; хлористого аммония, гранулированного 3 мас.%, фракция 2-3 мм; в качестве эмиттеров электронов насыщающая порошковая смесь включала порошок вольфрама чистотой 99,95%, в количестве 10 мас.%, фракция менее 100 мкм, нагревают в течение 24 часов при температуре 1000°С. В результате получают глубину диффузионного слоя хрома 47-52 мкм (табл. 1).Example 3 (prototype). A degreased part made of steel 35X2H3 with a size of 24×10×10 mm is placed in a sealed container, covered with a saturating powder mixture of the following composition: metal powder based on chromium 35 wt.%, fraction not more than 150 μm; aluminum oxide 50 wt.%, fraction 125-140 microns; ammonium chloride, granulated 3 wt.%, fraction 2-3 mm; as electron emitters, the saturating powder mixture included tungsten powder with a purity of 99.95%, in an amount of 10 wt.%, a fraction of less than 100 μm, heated for 24 hours at a temperature of 1000°C. The result is a depth of the diffusion layer of chromium 47-52 microns (table. 1).

Установлено, что в процесс насыщения поверхности деталей в контейнерах с присадкой смеси порошков эмиттеров электронов и анионов кислорода (порошка серпентина и порошка шеелита) и применением кумулятивных решеток из никеля или молибдена глубина диффузионного слоя увеличивается по сравнению с образцом, насыщаемым с использованием порошка вольфрама, добавленного в насыщающую порошковую смесь в качестве эмиттера электронов без применения кумулятивных решеток (табл. 1).It has been established that in the process of saturation of the surface of parts in containers with the addition of a mixture of powders of electron emitters and oxygen anions (serpentine powder and scheelite powder) and the use of cumulative gratings made of nickel or molybdenum, the depth of the diffusion layer increases compared to the sample saturated using tungsten powder added into a saturating powder mixture as an electron emitter without the use of cumulative gratings (Table 1).

Кроме того, положительный эффект дополнительного действия электрического поля, проявляющийся в увеличении глубины диффузионного слоя, который возникает в процессе нагрева, можно определить из сравнения таблиц 2-4 результатов точечного химического анализа состава поверхностей деталей, с организованным введением различных эмиттеров электронов и анионов О2- и применением кумулятивных решеток.In addition, the positive effect of the additional action of the electric field, which manifests itself in an increase in the depth of the diffusion layer that occurs during heating, can be determined from a comparison of tables 2-4 of the results of a point chemical analysis of the composition of the surfaces of parts, with the organized introduction of various emitters of electrons and anions O 2- and the use of cumulative gratings.

Глубину диффузионного слоя определяли на электронном микроскопе JEOL JSM-6460 LV на шлифах, изготовленных поперек насыщаемой поверхности. На фиг. 3-5 представлены фотографии поперечных шлифов поверхностных слоев деталей, насыщенных в насыщающих порошковых смесях с добавками эмиттеров электронов и анионов кислорода (смесь серпентина и шеелита) с применением кумулятивных решеток и без. Результаты точечного микрорентгеноспектрального анализа точек, указанных на фиг. 3-5 приведены в табл. 2-4. Каждому номеру спектра на фиг. 3-5 соответствует состав спектра с тем же номером в соответствующей таблице.The depth of the diffusion layer was determined on a JEOL JSM-6460 LV electron microscope on thin sections made across the saturable surface. In FIG. Figures 3-5 show photographs of cross sections of surface layers of parts saturated in saturating powder mixtures with additives of electron emitters and oxygen anions (a mixture of serpentine and scheelite) with and without cumulative gratings. The results of point X-ray microanalysis of the points indicated in Figs. 3-5 are given in table. 2-4. Each spectrum number in Fig. 3-5 corresponds to the composition of the spectrum with the same number in the corresponding table.

Анализ технических результатов (фиг. 3, 4, 5, табл. 2-4) показывает, что предлагаемый способ термодиффузионного хромирования сталей и сплавов на основе железа с применением кумулятивных решеток позволяет получить глубину диффузионного слоя больше, чем в прототипе.Analysis of the technical results (Fig. 3, 4, 5, table. 2-4) shows that the proposed method of thermal diffusion chromium plating of steels and alloys based on iron using cumulative gratings allows you to get the depth of the diffusion layer more than in the prototype.

Источники информацииInformation sources

1. RU 2212470, опубл. 20.09.2003 «Способ диффузионного хромирования металлических материалов в псевдоожиженном слое».1. RU 2212470, publ. 09/20/2003 "Method of diffusion chromium plating of metal materials in a fluidized bed".

2. RU 2555320, опубл. 10.07.2015 «Способ поверхностного упрочнения металлических изделий».2. RU 2555320, publ. 07/10/2015 "Method of surface hardening of metal products".

3. RU 2778388, опубл. 18.08.2022 «Способ контактного процесса химико-термической обработки сталей и сплавов на основе железа».3. RU 2778388, publ. 08/18/2022 "Method of the contact process of chemical-thermal treatment of steels and iron-based alloys".

4. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. - М.: Машиностроение, 1965. - 491 с.4. Minkevich A.N. Chemical-thermal treatment of metals and alloys. - M.: Mashinostroenie, 1965. - 491 p.

5. 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. Hauffe, K. Reactions in solids and on their surfaces. Per. with him. - M.: Publishing House of Foreign Literature. Ch1. 1962, 415 p., Ch2, 1963. 275 p.

6. Даркен Л.С., Гурри Р.В. Физическая химия металлов: пер. с англ. - М.: Металлургиздат, 1960. - 582 с.6. Darken L.S., Gurri R.V. Physical chemistry of metals: Per. from English. - M.: Metallurgizdat, 1960. - 582 p.

7. Чеботин В.Н. Физическая химия твердого тела. - М.: Химия, 1982. - 320 с.7. Chebotin V.N. Physical chemistry of a solid state. - M.: Chemistry, 1982. - 320 p.

8. Уманский Я.С., Финкельштейн Б.Н., Блантер М.Е. и др. Физические основе металловедения. - М.: Металлургиздат, 1955. - 721 с.8. Umansky Ya.S., Finkelstein B.N., Blanter M.E. and other Physical basis of metallurgy. - M.: Metallurgizdat, 1955. - 721 p.

9. Сплавы для термопар / И.Л. Рогельберг, В.М. М. Бейлип: Металлургия, 1983, 360 с.9. Alloys for thermocouples / I.L. Rogelberg, V.M. M. Beylip: Metallurgy, 1983, 360 p.

Claims (1)

Способ термодиффузионного хромирования детали из стали или сплава на основе железа с использованием кумулятивной решетки, включающий загрузку в контейнер упомянутой обезжиренной детали и насыщающей порошковой смеси, герметизацию контейнера и проведение нагрева до температуры 900-1000°С в течение 24 ч, отличающийся тем, что по периметру сторон насыщения поверхности указанной детали с помощью нихромовой нити закрепляют керамические трубки диаметром 2 мм, сверху трубок устанавливают кумулятивную решетку в виде прямоугольной пластины из листа никеля или молибдена толщиной 0,3 мм с перфорированными отверстиями конической формы диаметром 0,2 мм при вершине, направленными основанием к насыщаемой поверхности и расположенными с плотностью 10 шт./см2, которую вместе с указанной деталью засыпают насыщающей порошковой смесью, содержащей следующие компоненты: металлический порошок на основе хрома 32 мас.% фракцией не более 150 мкм, хлористый аммоний гранулированный 4 мас.% фракцией 2-3 мм, а в качестве эмиттеров электронов и анионов О2- используют 32 мас.% порошка серпентина фракцией не более 100 мкм и 32 мас.% порошка шеелита фракцией не более 100 мкм. A method for thermal diffusion chromium plating of a part made of steel or an iron-based alloy using a cumulative grate, which includes loading the said defatted part and a saturating powder mixture into a container, sealing the container and heating to a temperature of 900-1000°C for 24 hours, characterized in that ceramic tubes with a diameter of 2 mm are fixed to the perimeter of the saturation sides of the surface of the specified part using a nichrome thread, on top of the tubes establish a cumulative grating in the form of a rectangular plate made of nickel or molybdenum sheet 0.3 mm thick with perforated conical holes 0.2 mm in diameter at the top, directed by the base to the saturating surface and located with a density of 10 pcs/cm2, which, together with the specified part, is covered with a saturating powder mixture, containing the following components: metal powder based on chromium 32 wt.% with a fraction of not more than 150 microns, granulated ammonium chloride 4 wt.% with a fraction of 2-3 mm, and as emitters of electrons and anions O2- 32 wt.% of serpentine powder with a fraction of not more than 100 μm and 32 wt.% of scheelite powder with a fraction of not more than 100 μm are used.
RU2023104097A 2023-02-22 Method of thermal diffusion chromium plating of steels and iron-based alloys using cumulative grids RU2794655C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2794655C1 true RU2794655C1 (en) 2023-04-24

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1014213A (en) * 1950-02-16 1952-08-12 Diffusion Alloys Ltd Process for coating one metal with another
SU1588802A1 (en) * 1988-06-17 1990-08-30 Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции Composition for chrome-plating of steel articles
RU2572690C2 (en) * 2014-05-05 2016-01-20 Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" Method of single stage diffusion chrome aluminising of parts out of heat-resistant alloys
CN105695931A (en) * 2014-11-26 2016-06-22 傅永红 Chromium plating process for small shaft parts
RU2778388C1 (en) * 2022-05-16 2022-08-18 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" Method for the contact process of chemical-thermal treatment of steels and alloys based on iron
US11542586B2 (en) * 2018-08-07 2023-01-03 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Coating for refractory alloy part

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1014213A (en) * 1950-02-16 1952-08-12 Diffusion Alloys Ltd Process for coating one metal with another
SU1588802A1 (en) * 1988-06-17 1990-08-30 Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции Composition for chrome-plating of steel articles
RU2572690C2 (en) * 2014-05-05 2016-01-20 Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" Method of single stage diffusion chrome aluminising of parts out of heat-resistant alloys
CN105695931A (en) * 2014-11-26 2016-06-22 傅永红 Chromium plating process for small shaft parts
US11542586B2 (en) * 2018-08-07 2023-01-03 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Coating for refractory alloy part
RU2778388C1 (en) * 2022-05-16 2022-08-18 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" Method for the contact process of chemical-thermal treatment of steels and alloys based on iron

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tathavadkar et al. The soda-ash roasting of chromite minerals: Kinetics considerations
Campos-Silva et al. Pulsed-DC powder-pack boriding: Growth kinetics of boride layers on an AISI 316 L stainless steel and Inconel 718 superalloy
Pu et al. Hydrogen transport by dislocation movement in austenitic steel
RU2794655C1 (en) Method of thermal diffusion chromium plating of steels and iron-based alloys using cumulative grids
Robin Corrosion behavior of niobium, tantalum and their alloys in boiling sulfuric acid solutions
Seitkan et al. Processing double refractory gold-arsenic-bearing concentrates by direct reductive melting
Vassilev et al. Experimental studies and thermodynamic optimization of the Ni-Bi system
Zhang et al. Leaching kinetics of calcium molybdate with hydrochloric acid in presence of phosphoric acid
Ndiaye et al. Surface dynamics of field evaporation in silicon carbide
RU2792514C1 (en) Method for thermal diffusion chromium plating of parts made of steel or iron-based alloys with addition of emitter to saturating powder mixture
Pruseth et al. The possibility of a ZnS-bearing sulfide melt at 600 C: Evidence from the Rajpura–Dariba deposit, India, supported by laboratory melting experiment
RU2778388C1 (en) Method for the contact process of chemical-thermal treatment of steels and alloys based on iron
Nagamori et al. Thermodynamics of Pyrrhotite (Fe1− δS) at the Temperature Range of 800°∼ 1100° C
Makhanbetov et al. Production of electrolytic manganese from sulfate solutions
Radeva et al. Effect of the mechanical activation of the reagents on the solid phase synthesis of iron (III) molybdate
US1848437A (en) Metal alloy
Arbuzov et al. Interaction of aluminum/cobalt alloys with liquid gallium/indium eutectic
Katea et al. Niobium carbide–Nickel-niobium alloy composites from a nickel coated powder: Microstructural development during sintering
Li et al. Effect of vacuum carburizing on surface properties and microstructure of a tungsten heavy alloy
US2046629A (en) Process of cementation
US3298823A (en) Method for the production of alloys
US244234A (en) Paget higgs
Petkova et al. Thermal analysis for identification of E-Beam nanosize ammonium sulfate
US1156492A (en) Method of drawing refractory materials for incandescent lamps.
US1270842A (en) Production of metallic tungsten powder.