Состав для комплексного насыщения стальных изделий, работающих при высоких температурах

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к порошковым составам для диффузионного многокомпонентного насыщения деталей термического производства. Сущность изобретения: состав содержит, мас.%: хром или феррохром 40 - 70; гексафторсиликат аммония 0,2 - 5,0; гигофтормолибдат аммония 2,2 - 3,0; инертная добавка остальное. В качестве инертной добавки состав содержит или окись алюминия, или окись магния, или кварцевый песок. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к порошковым составам для диффузионного многокомпонентного насыщения, используемым при обработке несущей оснастки для термической и химико-термической обработки деталей серийного и массового производства.

Известен состав [1] для комплексного насыщения стальных изделий, включающий порошок хрома, порошок молибдена, четырехбромистый цирконий, хлористый аммоний и окись алюминия, мас.%: порошок хрома 20-30 порошок молибдена 10-20 четырехбромистый цирконий 10-20 хлористый аммоний 1-3 окись алюминия остальное.

Недостатком известного состава является то, что при его использовании низка жаростойкость изделий и их разгаростойкость.

Цель изобретения - повышение жаростойкости изделий и их разгаростойкости до 1200^оС.

Поставленная цель обеспечивается составом для комплексного насыщения стальных изделий, работающих при высоких температурах, включающим хромсодержащее вещество, молибденсодержащее вещество и инертную добавку, который дополнительно содержит гексафторсиликат аммония, в качестве хромсодержащего вещества - хром или феррохром, а в качестве молибденсодержащего вещества - гигофтормолибдат аммония при следующем соотношении компонентов, мас.%: хром или феррохром 40-70 гексафторсиликат аммония 0,2-5,0 гигофтормолибдат аммония 2,2-3,0 инертная добавка остальное.

В качестве инертной добавки в состав вводят окись алюминия или магния, или кварцевый песок.

Состав готовят следующим образом.

Хромсодержащую добавку (хром, феррохром) и инертный наполнитель (окись алюминия или магния, или кварцевый песок) подсушивают в течение 2-4 ч при 120-140^оС. Затем добавляют гексафторсиликат аммония и гигофтормолибдат аммония, взятые в виде порошка. Все ингредиенты тщательно перемешивают в биконусном смесителе в течение 1,5-2 ч. При этом все ингредиенты берутся по гранулометрическому составу в пределах от 40 до 90 мкм.

Конкретные составы (заявляемый и прототип) представлены в табл. 1. Диффузионному насыщению в данных смесях подвергались цилиндрические образцы из стали 4Х5МФС диаметром 15 мм и высотой 5 мм.

Обрабатываемые образцы укладывают в контейнер диаметром 80 мм и высотой 120 мм, изготовленный из нержавеющей стали Х23Н18. Контейнер с образцами засыпают одним из испытываемых составов и герметизируют с помощью плавкого затвора из порошка борного ангидрида с температурой плавления 450^оС.

Контейнер при комнатной температуре загружают в электропечь сопротивления и нагревают до 1050^оС с последующей выдержкой при этой температуре в течение 6 ч. Затем контейнер охлаждают до комнатной температуры и снова нагревают до 580^оС с выдержкой 1,5-2 ч. После охлаждения образцы извлекают из контейнера и подвергают металлографическим исследованиям и механическим испытаниям по общепринятым методикам. Результаты испытаний приведены в табл.2.

Перед каждой последующей химико-термической обработкой проводят регенерацию смеси, добавляя в нее ингредиенты в соответствии с табл.3.

Испытания на водостойкость проводили следующим образом. Образцы помещали в алундовые тигли и подвергали отжигу при 900^оС в течение 500 ч. Жаростойкость оценивали по удельному изменению массы образцов.

При испытании на разгаростойкость образцы подвергались термоциклированию (Т = 900 20^оС). Разгаростойкость оценивали по количеству циклов до появления трещин разгара и удельному изменению массы образца.

Для определения влияния динамических нагрузок при высоких температурах исследовали изменения твердости по Виккерсу при температурах 20, 800 и 1000^оС на приборе АК-HF (Япония) в вакууме 10 мм рт.ст. при нагрузке на индикатор 1 кг.

На основании испытаний установлено, что заявляемые пределы хромсодержащей добавки определяют из условий образования необходимого диффузионного слоя, обладающего требуемыми физико-механическими характеристиками, такими как твердость, жаростойкость и разгаростойкость.

Содержание хрома и феррохрома менее 40% резко уменьшает толщину диффузионного слоя, а более 70% приводит к нарушению технологичности насыщающей смеси, в частности к ее спеканию, что затрудняет извлечение деталей из контейнера.

Повышение содержания инертного наполнителя (окиси алюминия, окиси магния или кварцевого песка) до 60% снижает спекаемость насыщающей смеси, повышая ее технологичность.

Нижнюю границу содержания активаторов определяют исходя из образования требуемого количества фторидов молибдена и кремния для осуществления процесса массопереноса при диффузионном насыщении. Повышение содержания активаторов приводит к повышенному газовыделению, что влечет за собой нарушение сплошности плавкого затвора. Это негативно отражается на сплошности слоя и чистоте поверхности.

Влияние предлагаемой комплексной добавки - гигофтормолибдата аммония (NН₄)₃ Mo₂F₉) на улучшение физико-механических и физико-химических свойств диффузионного слоя можно объяснить следующим.

В процессе химико-термической обработки при достижении температуры 320-330^оС происходит разложение гексафторсиликата аммония и гигофтормолибдата аммония. Образовавшиеся фториды кремния и молибдена при температуре 850-900^оС адсорбируются на поверхности стального изделия с последующим осаждением кремния и молибдена. При дальнейшем нагреве образуется слой из карбидов кремния и молибдена, а затем идет процесс образования карбидохромового покрытия Cr₂₃C₆ с дисперсными включениями карбидов Mo и Si. Отличительной особенностью формирующегося покрытия является образование дополнительной прослойки из дисилицида молибдена MoSi₂. Эта прослойка длительное время предохраняет материал от окисления в процессе высокотемпературной эксплуатации, так как имея низкую скорость окисления, не выгорает. В процессе эксплуатации часть атомов кремния из прослойки диффундирует к поверхности и образует оксидную пленку SiO₂. Эта пленка благодаря своему кристаллическому строению обладает хорошими защитными свойствами от окисления.

Таким образом обработка в смеси заявляемого состава приводит к формированию многослойного покрытия, увеличивающего ресурс работы обрабатываемых изделий благодаря дополнительному, по сравнению с прототипом, образованию прослойки из дисилицида молибдена MoSi₂ на границе раздела карбидного слоя и матрицы и формированию на поверхности пленки оксида кремния SiO₂ в процессе высокотемпературной эксплуатации. Известные покрытия на основе карбидов хрома предохраняют изделия от окисления до температуры 90^оС. Разработанное покрытие позволяет увеличить температурный интервал его защитных свойств до 1200^оС.

Формула изобретения

1. СОСТАВ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО НАСЫЩЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, РАБОТАЮЩИХ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ, включающий хромсодержащее вещество, молибденсодержащее вещество и инертную добавку, отличающийся тем, что, с целью повышения жаростойкости изделий и их разгаростойкости до 1200^oЦ, он дополнительно содержит гексафторсиликат аммония, в качестве хромсодержащего вещества - хром или феррохром, а в качестве молибденсодержащего вещества - гигофтормолибдат аммония при следующем соотношении компонентов, мас.%: Хром или феррохром 40 - 70 Гексафторсиликат аммония 0,2 - 5,0 Гигофтормолибдат аммония 2,2 - 3,0 Инертная добавка Остальное 2. Состав по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертной добавки он содержит окись алюминия, или окись магния, или кварцевый песок.