SU954511A1

SU954511A1 - Method for chemical and thermal treatment of metals and alloys

Info

Publication number: SU954511A1
Application number: SU803236261A
Authority: SU
Inventors: Георгий Григорьевич Максимович; Михаил Семенович Гойхман; Виктор Федорович Шатинский; Сергей Викторович Рыбаков
Original assignee: Физико-Механический Институт Ан Усср
Priority date: 1980-11-04
Filing date: 1980-11-04
Publication date: 1982-08-30

Description

Изобретение относитс к химикотермической обработке метал/юв и сплавов и может найти применение в энергетической, авиационной, электротехнической , химической проуышленности и приборостроении дл получени эачштных покрытий.The invention relates to the chemical heat treatment of metal / S and alloys and may find application in the energy, aeronautical, electrical, chemical industry and instrumentation for the manufacture of most advanced coatings.

Известен способ нанесени диффузионного покрыти 1 .A known method of applying a diffusion coating 1.

Недостатком этого способа вл етс то, что он не позвол ет проводить диффузионное насыщение металлов и сплавов в тех случа х, когда растворимость основного металла в транспортном расплаве больше или соизмерима с растворимостью диффузантов.The disadvantage of this method is that it does not allow diffusion saturation of metals and alloys in cases where the solubility of the base metal in the transport melt is greater or commensurate with the solubility of diffusants.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс способ диффузионного насыщени ; заключающийс в том, что, с целью получени диффузионных покрытий, например, платины на железе или меди, процесс ведут в ампуле, отклоненной от вертикального .положени и вращающейс вокруг своей оси дл перемещени транспортного расплава натри . В ампулу вместе с покрываемой деталью загружают навеску платины (0,3 мас.%). После герметизации в атмосфере аргона диффузионное насыщение меди провод т 56 ч в печи при 430-470°С и 630-670°С при диффузионном насыщении железаThe closest in technical essence to the present invention is a method of diffusion saturation; The fact is that, in order to obtain diffusion coatings, for example platinum on iron or copper, the process is carried out in an ampoule inclined from the vertical position and rotating around its axis to transport the sodium transport melt. A sample of platinum (0.3 wt.%) Is loaded into the ampoule together with the part to be coated. After sealing in an argon atmosphere, the diffusion saturation of copper is carried out for 56 hours in a furnace at 430-470 ° C and 630-670 ° C with diffusion saturation of iron

2 . .2 .

Недостатком способа вл етс отсутствие возможности получать на детал х покрыти с высокой концентрацией наносимого элемента, вплоть The disadvantage of this method is the inability to obtain on parts of the coating with a high concentration of the applied element, up to

10 до 1,00 %i..10 to 1.00% i ..

Известные способы позвол ют фррмировать покрытий с содержанием диффузанта в защитном слое не более 80-85%. В р де случаев это не удов15 летвор ет техническим и эксплуатационным требовани м, предъ вл емым к покрываемым детал м. Слой же чистого металла на поверхности детали при нанесении покрытий из жидкометалли20 ческого раствора может быть получен только при диффузионном насыщении при пониженных температурах (350400 С ), так как в интервале повышенных температур (850-1000®С), обес25 печивающих достаточную растворимость диффузанта в транспортном расплаве, скорость диффузии наносимого элемента в материале изделий высока и наблюдаетс рассасывание покрыти . The known methods allow the formation of coatings with a diffusant content in the protective layer of no more than 80-85%. In a number of cases, this does not satisfy the technical and operational requirements imposed on the parts to be coated. A layer of pure metal on the surface of the part can be obtained only by diffusion saturation at low temperatures (350400 ° C) when applied from a liquid metal. ), since in the range of elevated temperatures (850-1000 ° C), which ensure sufficient solubility of the diffusant in the transport melt, the diffusion rate of the applied element in the material of the products is high and resorption is observed coating.

30 Диффузант не успевает накапливатьс 30 Diffusant does not have time to accumulate

На поверхности, что необходимо дл достижени высокой и тем Солее 100%ноП его концентрации в защитном покрытии . Однако снижение температуры диффузионного насыщени по известному способу приводит к резкому уменьшению растворимости диффузанта в транспортном расплаве, в результате чего скорость нанесени покрыти существенно уменьшаетс . То же можно сказать и о толщине диффузионного сло . Следовательно, необходимо стремитьс к созданию таких условий нанесени покрытий, когда, независимо от температуры нагрева в зоне детали , температура в зоне расположени 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-вол ют совместить эти услови , 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 издели .On the surface, it is necessary to achieve high and more than 100% of its concentration in the protective coating. However, a decrease in the diffusion saturation temperature by a known method leads to a sharp decrease in the solubility of the diffusant in the transport melt, as a result of which the rate of coating is significantly reduced. The same can be said about the thickness of the diffusion layer. Therefore, it is necessary to strive to create such coating conditions when, irrespective of the heating temperature in the zone of the part, the temperature in the zone of location of the diffusant was sufficiently high. At the same time, the heating temperature of the part to be coated should not exceed the temperature at which adhesion and diffusion, exchange processes occur at a sufficient rate. The known methods do not allow to combine these conditions, since the coating is carried out in an isothermal mode, i.e. The heating temperature of the diffusant and the part being coated is the same. In this case, due to overheating, distortion of the part and a change in its geometric dimensions, redistribution of alloying components of the alloy, grain growth and, consequently, a significant change in the physicomechanical properties of the material of the product may occur.

Цель изобретени - улучшение качества покрытий за счет получени высокой концентрации наносимого элемента в покрытии вплоть до сло чистого диффузанта.The purpose of the invention is to improve the quality of coatings by obtaining a high concentration of the applied element in the coating up to a layer of pure diffusant.

При этом сохран ютс в неизменности геометрические размеры детали и физико-механические характеристики основного металла в процессе диффузионного насыщени и происходит деформирование покрытий в тех случа х , когда растворимость основного металла в транспортном расплаве соизмерима с растворимостью диффузанта .At the same time, the geometrical dimensions of the part and the physicomechanical characteristics of the base metal in the process of diffusion saturation remain unchanged and the coatings are deformed in cases where the solubility of the base metal in the transport melt is commensurate with the solubility of the diffusant.

Указанна цель достигаетс тем, что деталь вместе с навеской диффузанта нагреваетс в ампуле с расплавом легкоплавкого металла заданное врем , однако диффузионное насыщение , ведут в ампуле, создава градиент температур по высоте ампулы , помеща нижнюю часть пулы, в которой находитс диффузант, в печьThis goal is achieved by the fact that the part together with the diffusant sample is heated in the ampoule with the melt of the low-melting metal for a specified time, however, the diffusion saturation is carried out in the ampoule, creating a temperature gradient along the height of the ampoule

Покрываемую деталь перемещают в верхней (низкотемпературной) зоне ампулы с транспортным расплавом при помощи подвижной подвески и выдерживают в течение времени, необходимого дл получени заданной толщины диффузионного покрыти . Благодар перепаду температур в ампуле создаетс 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 находитс в процессе нанесени покрыти в нижней гор чей5 зоне ампулы, то обеспечиваетс хороша его растворимость в транспортном расплаве. Перемещение покрываемой детали в транспортном расплаве от зоны высоких температур в более холодную зону с необходимыми выдержками поочередно создает услови сначала дл обеспечени надежной адгезии покрыти с изделием (за счет интенсивных диффузионных процессов и образовани переходного сло с невысокой концендграцией диффузанта), а затем дл получени высокой (вплоть до 100 мас.% концентрации наносимого элемента на поверхности (за счет замедлени диффузии наносимого компонента в основной металл и накоплени его в поверхностном слое покрыти ).The part to be coated is moved in the upper (low-temperature) zone of the ampoule with the transport melt using a movable suspension and is kept for the time required to obtain the specified thickness of the diffusion coating. Due to the temperature difference in the ampoule, a convective flow of the transport melt is created, which is why the melt is mixed and simultaneously transferred to the cold zone of the ampoule the diffusant dissolved in the melt. Since the diffusant is in the process of coating in the lower hot zone of the ampoule, its solubility in the transport melt is good. Moving the part to be coated in the transport melt from the high temperature zone to the colder zone with necessary exposures alternately creates conditions first to ensure reliable adhesion of the coating to the product (due to intensive diffusion processes and the formation of a transition layer with a low diffusant concentration), and then to obtain a high ( up to 100 wt.% of the concentration of the applied element on the surface (due to slowing down the diffusion of the applied component into the base metal and its accumulation in the surface th coating).

Пример 1. Нанесение серебр ного покрыти на медную пластинку.Example 1. Silver plating on a copper plate.

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 издели ) и заполн ют 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 стержн из того же материала, что и покрываема деталь ) и штуцером дл вакуумировани ампулы и напуска в нее инертного газа (аргона). На стержень (подвижна подвеска) закрепл етс покрываемый образец ( мм) так, чтобы он первоначально находилс над уровнем расплава. Ампула устанавливаетс 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 дл обеспечени возможности дополнительного изменени температурного градиента по высоте ампулы.Silver vials in the form of powder or granules in an amount of 0.3 May.% (By weight of the melt + product weight) are placed in a vial of steel 12X18H10T 800 m long with an inner diameter of 25 mm and filled with the transport melt (60% by volume). % Na + + 40 vol.% Pb) to a height of 600 mm. In the upper part of the ampoule it is supplied with a sealed lead with a fluoroplastic seal (such as a smooth rod made of the same material as the part to be coated) and a fitting for evacuating the ampoule and letting in an inert gas (argon) in it. The sample to be coated (mm) is fixed to the rod (movable suspension) so that it is initially above the melt level. The vial is mounted in a vertical muffle furnace, and the lower end is lowered into the furnace only 200 mm. An autonomous heater made of a nichrome spiral in ceramic beads with a height of 200 mm is put on the middle part of the ampoule in order to provide the possibility of additional variation of the temperature gradient along the height of the ampoule.

После в.акуумировани к заполнени внутренней полости ампулы аргоном посредством варьировани температур нагрева печи и автономного нагревател по высоте ампулы создают рабочи режим насыщени с гргщиентом температур между нижней частью ампулы - гор ча зона () и ее верхней частью - холодна зона () . После стабилизации температуры в течение 20 мин покрываемую медную пластину с помощью подвижной подвески погружают втранспортный расплав в.After vacuuming to fill the inner cavity of the ampoule with argon, by varying the heating temperature of the furnace and the autonomous heater over the height of the ampoule, an operating saturation mode with a heating temperature between the lower part of the ampoule - hot zone () and its upper part - cold zone () is created. After the temperature has stabilized for 20 minutes, the coated copper plate is immersed in the transport melt using a movable suspension.

зону ампулы с температурой 430-450 С необходимой дл выполнени условий диффузионного взаимодействи 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 уровн транспортного расплава и выключают нагрев . После полного охлаждени ампулы пластину извлекают через отверстие вакуумного ввода, остатки расплава с поверхности покрытой пластины удал ют выщелачиванием в проточной .воде (10 мин). Металлофизические исследовани показали, что покрытие представл ет собой, слой твердого раствора серебра и меди переходного состава до чистого серебра на поверхности . Обща толщина покрыти составл ет 345 мкм. Слой чистого серебра на поверхности пластины составл ет 28+2 мкм.the zone of the ampoule with a temperature of 430-450 C necessary for the fulfillment of the conditions of diffusion interaction of copper with silver. After holding for 3 hours, the plate is moved upwards into the temperature zone and kept for 2 hours. then the plate is raised above the level of the transport melt and the heating is turned off. After the ampoule is completely cooled, the plate is removed through the hole of the vacuum inlet, the remaining melt from the surface of the coated plate is removed by leaching in flow water (10 min). Metal physics studies have shown that the coating is a layer of solid solution of silver and copper of transitional composition to pure silver on the surface. The total coating thickness is 345 microns. A layer of pure silver on the surface of the plate is 28 + 2 microns.

Пример 2. На хромоникелевую нержавеющую сталь (типа 12Х18Н10Т) или никелевый сплав (типа ЭИ437Б) нанос т вольфрамовое покрытие.Example 2. Nickel-chromium-free stainless steel (type 12X18H10T) or nickel alloy (type EI437B) are coated with a tungsten coating.

Подготовка оснастки та.же, что и в примере 1.Preparation snap ta.zhe as in example 1.

В качестве транспортного расплава .примен ют смесь 50 об.% свинца и 50 об.% натри и добавл ют в качестве диффузанта 0,3 мас.% порошка вольфрама. Плавный температурный градиент по высоте ампулы создают в пределах: гор ча зона , холодна зона . Температура гор чей зоны выбрана из условий растворимости вольфрама в легкоплавком транспортном металле. Диффузионное насыщение .провод т в зоне с температурой 3 ч, с температурой 2 ч. Дл получени сло чистого Вольфрама на поверхности детали последнюю выдерживают в течение 3 ч в холодной зоне (400°С).A mixture of 50% by volume of lead and 50% by volume of sodium is used as a transport melt and 0.3% by weight of tungsten powder is added as a diffusant. A smooth temperature gradient along the height of the ampoule is created within: hot zone, cold zone. The temperature of the hot zone is selected from the solubility conditions of tungsten in the low-melting transport metal. Diffusion saturation is carried out in a zone with a temperature of 3 hours, with a temperature of 2 hours. To obtain a layer of pure Tungsten on the surface of the part, the latter is kept for 3 hours in a cold zone (400 ° C).

Обща толщина покрыти , полученного по этому режиму, составила 180 мкм. Слой чистого вольфрама на поверхности 11+2 мкм.The total thickness of the coating obtained in this mode was 180 µm. A layer of pure tungsten on the surface of 11 + 2 microns.

.Предлагаемый способ позволит зна0 чительно улучшить как технологию, так и качество защитных и защитнодекоративных покрытий на металлах, а такжеповысить эксплуатационные характеристики конструкционных материалов , работающих в услови х воздействи коррозионно-активных сред при повышенных температурах.The proposed method will significantly improve both the technology and the quality of protective and protective decorative coatings on metals, as well as improve the performance characteristics of structural materials operating under conditions of exposure to corrosive media at elevated temperatures.

Claims

1. Authors certificate of the USSR. No. 510532, cl. C 23 C 9/10, 1978,

2. USSR author's certificate number 582329, cl. C 23 C 9/10, 1978.