Способ получения комплексных диффузионных покрытий на стальных изделиях

Способ получения комплексных диффузионных покрытий на стальных изделиях

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к химико-термической обработке конструкционных материалов для получения жаростойких покрытий на изделиях, эксплуатируемых в окислительной среде при высоких температурах. Цель изобретения - повышение жаропрочности, жаростойкости и стабильности физико-механических свойств. Для этого в раствор лития вводят, мас.% : алюминий 1-2, кремний 1,5-2,5, никель 9,5-10,5, хром 9,5-10,5, титан 4,5-5,5, туда же загружают изделия, нагревают до 1000-1100°С, выдерживают при этой температуре в течение 1-3 ч, после чего изделия извлекают из расплава и, располагая их в инертной среде, можно в том же устройстве над расплавом, отжигают при той же температуре в течение 20-30 мин. Полученное таким образом покрытие содержит барьерный слой, препятствующий диффузионному перераспределению элементов покрытия в основной металл изделия, толщиной до 50 мкм. 3 табл.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„ЯУ„„1481263! бп 4 С 23 С 10/?2

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4310329/31-02 (22) 30.09.87 (46) 23.05.89. Бил. № 19 (71> Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко и Специальное конструкторское технологическое бюро Физико-механического института им. Г.R. Карпенко (72). В.Ф. Иатинский и Н,Н.

ИЗДГЛИЯХ (57) Изобретение относится к химикотермической обработке конструкционных материалов для получения жаростойких покрытий на изделиях, эксплуатируемых в окислительной среде

Изобретение относится к химикотермической обработке конструкционных материалов, в частности к получению жаростойких покрытий для защиTbI oT высокотемпературного окисления углеродистых и легированных сталей и сплавов, и может найти применение в химической, авиационной промьппленности, в энергетике, в прибороарматуростроении.

Целью изобретения является повыьпение жаростойкости, жаропрочности и стабильности физико-механических свойств.

Способ получения комплексных покрытий заключается в следую пем. Обрапри высоких температурах, Цель изобретения — ловьппение жаролрочности, жаростойкости и стабильности физикомеханических свойств, Для этого в расплав лития вводят, мас.l: алюминий 1-2, кремний 1,5-2,5,никель

9,5-10,5-,õðoì 9,5-10,5; титан 4,55,5, туда же загружают изделия, нагревают до 1000-1100 0, выдерживают при этой температуре в течение 1-3 ч, после чего изделия извлекают из расплава и, располагая их в инертной среде, можно в том же устройстве над расплавом, отжигают при 1 ой же температуре в течение 2-30 мин. Полученное таким образом покрытие содержит барьерный слой, препятствующий диффузионному перераспределению элементов покрытия в основной металл изделия толп!иной до 50.мкм.

3 табл..ботку проводят при 1000-1200 С в течение 1-3 ч в расплаве лития содержащеFO в качестве насьпчаюцих компонентов хром, алюминий, кремний, никель и титан лри следующем соотношении компонентов, мас.%: А! 1-2;

Б1 1,5 2 5; Ni 9 5-10 5; Сг 9 5

10,5; .Г1. 4,5-5,5, I,i. остальное до

100%. После чего производят отжиг в инертной среде в течение 20 — 30 мил при той же температуре.

Формирование такого покрытия осуществляют следукщим образом. Детали нагружают в расллав, где н условиях высокотемлературной изотермической выдержки путем диффузионного насьппе! 48) 263

55 ния поверхностного слоя материала элементами (r, Ni, Al., Т>., Si образуется жаростойкое покрытие. Высокая химическая активность транспортного расплава позволяет одновременно с нанесением жаростойкого покрытия обезуглероживать поверхностные слои обрабатываемого изделия.

После образования жаростойкого слоя изделия извлекают из расплава и отжигают в инертной среде, например, в том же устройстве, располагая изделия над расплавом. Rce устройства для получения покрытий из расплаF!G предполагают наличие инертной атмосферы, Во время отжига идет встреч-. ная диффузия элементов покрытия, в т.ч. карбидообразуюших хрома и титана, от поверхности в глубину осногного материала и углерода в обратном направлении из глубины к поверхности в результате чего, по мере образования карбидов, Аормируется карбидный слой на границе покрытие сталь, который является барьером и повышает долговечность покрытия при эксплуатации, Обработке могут подвергаться углеродистые стали с содержанием углерода более 0,3 мас.l, хромистые ферритпые и ферритно-мартенситные стали с содержанием хрома около 13 мас. .

Лри этом получают двухслойное жаростойкое и жаропрочное покрытие, состоящее из тонкого барьерного слоя карбидов и жаростойкого слоя значительной толщины, покрывающего карбидный слой. Такое покрытие способно длительное время cохранять >каростойкость и жаропрочность, предохраняя от высокотемпературного окисления изделия из углеродистых и легированных сталей, Предлагаемый способ позволяет наносить покрытие при одновременном обезуглероживании поверхностных слоев стали, Наружный жаростойкий слой покрытия формируют из твердого раствора Сг, Ni, Ti, Al, Si на основе железа. Лри помощи предлагаемо1 го технологического процесса под наружным слоем создают барьерный слой, состоящий из карбидов хрома и титана, который препятствует рассасыо ванию" жаростойкого слоя, т, е. дид>с >узионному проникновению элементов . жаростойкого слоя в объем основного матери ал а, В предлагаемом способе покрытие, состоящее из двух слоев — жаростойкого и барьерного, формируется последовательность в два этапа в различных условиях. Сначала наносят жаростойкое покрытие, состоящее из элементов Al Ni Si, Cr, Ti которые при высоких температурах в окислительной среде образуют достаточно плотные окислы, защищающие металлы и сплавы от интенсивного окисления, Особенно эААективны пленки состава шпинелей (Ni-Сг-Al; Ni-Cr-Si-Al;

Ni-Cr-Ti и др.).

Элементы Cr u Ti входящие в состав покрытия, не только образуют защитные окисные пленки, но и являются сильными карбидообразователями и при взаимодействии с углеродом образуют устойчивые, высокостабильные при высоких температурах карбиды, слои которых могут служить барье ром для диффузии элементов. )Каростойкость Al, Ni, Si, Cr, Ti, способ. ность элементов Сг и Т> к образованию карбидов обусловливает применение этих элементов в качестве покрытия, На первом этапе, когда происходит образование жаростойкого покрытия, появление карбидов нежелательно, поэтому следует проводить обезуглероживание поверхностного слоя. Это достигается применением в качестве транспортного расплава лития сильнейшего карбидообраз ователя, который обезуглероживает все стали и- сплавы, особенно содержащие углерод в количестве более 0,2 мас,, !

После образования жаростойкого покрытия формируют барьерный карбидный слой. Для этого изделия извлекают из расплава лития и отжигают в инертной среде, располагая их над расллавом. При этом встречная диффузия в твердой Аазе Cr u Ti с одной стороны и углерода с другой приводит к образованию карбидов и Аормированию карбидного слоя, Выбор температуры обусловливается реализ ацией физико-химических процессов, ответственных за формирование покрытия, — растворение и перенос материала покрытия транспортном расплаве, процесс дифАузии эле.— ментов покрытия в твердой фазе матЫ виапа основы. Элементы Al, Si, Ni.

1481263

Ti Cr при температуре выше 1000 С незначительно растноримы в литии.

Поэтому целесообразной в данном ! ! случае является температура 1050о, 5

1 100 С. Диффузия н твердой фаэ е при химико-термической обработке обеспечивается при 0,6-0,7 т.пл. основного металла, т,е. железа. Поэтому при выбранной температуре 1050-!100 С 10 и н твердой Аазе диффузионный процесс проходит достаточно интенсивно.

При насыщении стали элементами, которые формируют покрытие, одновременно происходит растворение угле.рода из стали в расплав. Диффузия углерода в твердой стали, а значит и растворение углерода в расплане, намного превосходит диффузию элементов покрытия и при выбранной темпе- 20 ратуре процесс обр зовация обезуглероженного слоя опережает AopMHpoHG ние жаростойкого слоя. Его формирование происходит в обеуглероженном объеме поверхностных слоев стали и 25 покрытие состоит из твердого раствора элементов А1, Si, Ni, Cr, Ti на основе железа, т.е. карбидные слои не образуются. Они создаются при последующей термообработке н инертной среде.

Важное значение для качества покрытия имеет толщина каждого слоя.

Толщина жаростойкого слоя должна обеспечивать образование плотной окисной пленки для длительного сохранения защитных свойств. При выборе толщины барьерного слоя следует учитывать многие факторы, определенное сочетание которых должно 40 обеспечить раннопрочность системы основной металл — берьерный слой— жаростойкое покрытие .при работе в широком диапазоне температур. Установлено, что барьерный слой должен 45 иметь минимальную толщину, обеспечивающую барьерный эффект. Испытания обработанных образцов показывают, что защитные свойства покрытия сохраняются длительное время без разрушения компонентов системы основной металл — барьерный слой — жаростойкое покрытие в сложных температурно-временных режимах при соотношении толщин жаростойкого слоя твердорастворного состава и барьерного слоя карбидного состава соответственно 10:1.

Для формирования покрытия с таким соотношением толщин жаростойкого и барьерного слоев н расплане лития при проведении процесса н железной ампуле количество компонентов должно быть следуюи!п.м, мас. 7.: Al

1 5; Si 2; Ni 10; Cr 10; Ti 10, литий остальное. Карбидообразу ачие

Cr ; Ti взять. н ксличе-.тне, необходимом для создания минимальной толщины карбидного слоя, достаточной для выполнения Аункцнй барьера.

Требования к точности дозировки невысоки вниду того, что количество всех компонентов введено с избытком по отношению к растворимости в литии, достаточно обеспечить 40,5 . по каждому компоненту ванны. Соотношение компонентов н составе ванны подбирают с учетом их диАфузионной подвижности в железе (обезуглероженной стали) так, чтобы ынпминпя, кремния и титана было меньше чем хрома и никеля. Объясняется это тем, что подвижность алюминия, кремния и титана в железе выше, чем хрома и никеля, Подбор компонентов по диААузионной подвижности н железе позволяет устранить возможность образования н металле соединений.

При нанесении жаростойкого покрытия н течение 1-3 ч компоненты А1, Si, Ni, Cr, Т1 успевают раствориться н литии, приблизиться к понерхности изделия, адсорбиронаться и продиААундировать н основной ме- алл с одновременным сбезуглерожина>.ием поверхностного слоя литием, При отжиге н инертной среде эа

20-30 мин элементы покрытия и основного металла успевают перераспределиться и, в соответствии с разной скоростью диффузии углерода и карбидообразующих хрома и титана, за это время у поверхности формируется барьерный слой, состоящий из карбидов.

Пример. В ампулу, изготовленную из железà, помещают порошки компонентов, обеспечивающих формир!— ванне жаростойкого покрытия и барьерного слоя, в следую ем количестве, мас. : Al 1,5; Si 2; Ni 10; Сг 10;

Ti 5, и ампулу заполняют литием до

100% .

Изделия из стали 45 также помеща-, ют в ампулу, которую нагревают и вь-, ю держивают при 1050-1100 С н течение

1-3 ч. Этот диапазон обеспечивает образование жаростойкого слоя покры- 148!263

Таблица.1

Режимы формирования барьерного слоя по толщине

Режимы формирования жаростойкого слоя по толщине

Прочность (число изг ;— бов) Результаты г по жаростойкости тие ч . 1»г л

» г»

Т, C <, г g, мкм

d, мкм

Ьез б арьерного

1000 3

145

520 !2

800 слоя

2

4

6

8

950 3 !

ООО 0,5

1000 2

1000 2

1000 2

1000 ? !

000 3

1ОО

145

950 20

950 20

1000 80

1000 20

1000 10

1000 20

1000 30

1000 40

1000 20

200 1

540 3

480 5

1360 8

1900 15

1895 15

1900 1г

1900 13

1960 14

5

14

14

16

16

800 тия толщиной 50-:150 мкм, что при наличии барьерного карбидного слоя достаточно для литьевого сохранения защитных свойств покрытия.

Обработку проводят в ванне, со5 держащей 1!», Cr, А1, Si и Ki, После выдержки в ванне иэделия извлекают и выдерживают над расплавом при той же температуре 1000- 10

1100 С в течение 20-30 мин. В это время в результате диффузии углерода к жаростойкому слою и встречной диффузии карбидообразувщих элементов

Сг и Т1 происходит образование 15 карбидного слоя, состоящего из карбида слОжнОгО co cTBB > (Cx» Т1.1 "Су

Б сину того, что сродство ти- тана и углерода выше, чем у хрома к углероду, и диффузионная подвиж- 20 ность Т1 в .твердой фазе железа больше, чем у Сг, происходит образование карбида, состоящего, в основном, из титана. Толщина карбидного слоя, образовазшегося при этой выдержке» составляет 5-15 мкм. Предлагаемые параметры по составу

B анны, температуры и времени обработки выбирают оптимальными» исходя из параметров жаростойкости и жаропрочности полученных по результатам экспериментов, Данные но обработке приведены в табл.1 и 2. !

Обработанные предлагаемым способом образцы имеют в 3 раза выше показатель долговечности при жаростойкости в окислительной среде и в

1,5 раза больше по жаропрочности по сравнению с образцами, обработанными по известному режиму.

@ормулаизобретения

Способ получения комплексных диффузионных покрытий на стальных изделиях включащий Обработку изде) лий при 1000-1200 С в расплаве лития, содержащего в качестве насыщающих— компонентов хром и алюминий, о т— л и ч а в шийся тем, что, с целью повышения жаростойкости, жаропрочности и стабильности физико-механических свойств, в расплав дополнительно вBодят Kремний, никель и титан при следующем соотнонении компонентов, мас.%:

Алюминий 1-2

Хром 9,5 — 10,5

Кремний 1,5-2,5

Никель 9,5-10,5

Титан 4,5- 5,5

Литий Остальное при этом обработку осуществляют 1—

3 ч, затем проводят отжиг в инертной атмосфере 20-30 мин при той же температуре.

- 1481263

Продолжение табл.1

Ч 1

;ПрочI

Ho;:òü

:,число изгиРежимы формирования жаростойкого слоя по толщине

Режимы формирования барьерного слоя по толиине

ПокPbI тие

С . ч " d мкм

Т,. С <, ° ч, К HKH

155 )ООО

40 1050

110 1050

150 1050

150 1050

150 1050

150 1050

155 1050

160 1050

45 1100

) l 0 1100 ! 55 1100

155 1100

155 1100

155 1100

160 !100

170 )100

170 1ООО

Грани- 1100 ца слоя размыта

Т аблиц а 2

Режимы формирования жаростойкого слоя

Режимы формиров ания барьерного слоя по толщине

Прочность (число из гибов ) Покрыпо толщине тие

Т, С

Т, С,ч

Т ОС

d мкм и

< 3ч и ч

d, ìêì

Без барьерноro

85О 410 10

142

1100 1,5 слоя гл I

950 20

950 20

1000 20

lОО0 20

1000 10

1000 20

1000 30

1ООО 40

1ООО 20

950 1

950 3

1000 0,5

1000 1

1000 2

1000 2

1000 2

)000 2

1000 3

148

2 . 3

5

7

4

3

5

)О

11

510 2

9)5 4

810 5

2635 16

2840 17

2840 16

2835 6

2835 ) 5

3ООО 16

ЯОО

ЯОО

8ОО

10 1000

11 1050

12 1050

13 1050

14 1050

15 1050 !

6 1050

17 1050

18 1050

19 1100

20 1100

21 1100

22 1100

23 1100

24 : l)00

25 !100

26 1100

27 1200

28 1200

3,5

0,5

2

2

3

3,5

0,5

2

2

3

3,5

20 16

20 3

20 16

10 7

20, .)6

20 16

40 )7

20 16

20 )7

20 4

20 15

10 5

20 15

ЗО 16

40 16

20 16

20 17

20 13

Барьерный слой! Результаты пс жаоостой= кости

ТОC, г, ч

800 2100

800 540

800 1500

800 2030

800 2035

800 2030

800 2030

8ОО 21ОО

800 2170

800 610

800 1490

800 2100

8ОО 2100

800 2100

8ОО 2) ОО 8ОО 2) 70

8ОО 2300

800 2300 не образуется

Результаты по х<аростойкости

12

9

14

14

14 !

l?

8

17

13

13 !

14

1481263

1г

Продолжение табл, 2

Режимы Формиров ания барьерного слоя по. толщине ежимь: формирования аростойкого слоя по толщине

Прочность (число: изгибов ) Результаты по жаростойкости

Пок рытие,оС п,ч

-т Ос о

d мкм и

Ь yrl

, мкм

Гранина слоя размыл а обр не

Т абли

g,a3 ержыи с.Х

Мат обр по прочностик число из гибов

Предлагаемый спосо

Сталь 45

1,5 !

1,5

9,5

9,5

9,5

1,0

1,5

2,0

4,5 74 160 16 .4 5 73 5 165 16

4, 5 73,0 170 15

4,5 73, 5 160 16

4,5 73,0 165 17

10,0 !95 !

0,5 1,5

9,5 2,0

1эo

1,0

1,0

1,0

4 5 73 5 160 16

4,5 73,0 168 15

45 725 170 16

2,5

2,5

2,5 !,0

I,0

1,0

1,0 ! 5

2,0

9,5

9,5

9,5

4,5 72,0 !70 !6

5 0 72 5 165 . 17

5,5 72,0 160 !8

9,5 2,5

10,0 2 0

10,5 2,5

5,0 71,5 !60 17

5 5 69 0 160 15

Известный способ

95 0 148

9,5 4,5 74,0 165

515 12

3345 17

1 5

1 0

850

10 .11

l2

13

14

16

17

I8

19

21

22

?3

24

26

27

1 050

1100 !

l 1OO

l 100

1 200

3,5

0,5

2

2

3

3,5

0,5

2

2

3

3,5

9,5

9,5

9 5

9,5

9 5

9,5

9,5 !

0,0

10,5

9 5

9,5

10,0

10%5

1 050

105.0

11 00

Il00

1100 !

100

20 ll

20 3

20 4

10 11

20 12

30 12

40 13

20 13

20 13

20 4

20 4

10 I I

20 12

30 13

40 12

20 13

20 13

20 14

Барьерный слой

850

800

3243

3650 азуется

2170 15

2180 15

2185 16

2165 14

2170 15

2165 14

2170 15

2175 16

2175 17

2170 16

2165 15

2170 15

2165 15

14

13

14

14

13

17

14

13

l4

13

17

I2

13

1481263

Продолжение табл.3

Состав ванны (содержание элементов) мас.Х

Результаты испытаний олщнна слоя, мм

Материал образца

А1

cr Si

Ti Li барьерного по каростойкостч аротойпо прочности ого

ОC ч число изгибов

17

1,5 9,5 . 1,5

20 95 15

9,5 4,5 73,5 165

9,5 4,5 73,0 175

13

850 3350

850 3370

Стапь

20 к!3

13 850 3360

850 3365

14 850 3360

14 850 3375!

4 850 3380

Сталь

20

850 3380 18

850 3375 18

850 3355 16

850 3340 18

850 3340 . 16

Сталь

20 13.

1,5 3,5

850 435 11

Составитель Л.Бурлинова

Редактор Н.Гунько Техред Л.Сердюкова Корректор М.Максимииинец

Заказ 2639/25 Тираж 942 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101

1,0 10 1,5

Iâ0 !О ° 5 1в5

1фО 9,5 2,0

1,0 9 5 2 5

1 0 9 5 2 5! р0 9,5 2,5

1.0 9,5. 2,5

1,5 10,0 2,0

2,0 1015 2э5

9 5 4 5 73 5 170

9 ° 5 4,5 73,0 170

9,5 4,5 73,5 165

9 5 4 5 73 0 !70

1Ою0 4э5 72 ° 5 175

Предлагаемйй способ

10,5 4,5 72,0 178

9,5 5,0 72 5 170

9,5 5,5 72,0 165

100 50 715 163

10,5 5,6 69,0 165

Известный способ

95,0 150

14

16

14

18

18

17

18