Способ диффузионного хромирования стальных изделий в псевдоожиженном слое

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, и может быть использовано в любой отрасли машиностроения. Задача - улучшение качества поверхности хромированных стальных изделий при одновременной интенсификации процесса хромирования. Данный способ включает нагрев и насыщение в порошкообразной смеси, содержащей хромсодержащий компонент, никельсодержащий компонент, активатор и корунд, и последующее охлаждение, хромирование проводят в порошкообразной смеси, содержащей в качестве хромсодержащего компонента - фторид хрома CrF₄, в качестве никельсодержащего компонента - йодид никеля NiI₂, в качестве активатора - фтористый аммоний, при следующем соотношении компонентов, мас.%: фторид хрома 0,001-30, йодид никеля 0,001-2, фтористый аммоний - 0,001-1, корунд 67-99,997. При этом нагрев и насыщение осуществляют в атмосфере аммиака и в процессе нагрева при температуре насыщающей смеси 200-800^oС осуществляют выдержку изделий в течение 5-30 мин, после чего температуру повышают до температур хромирования, а перед охлаждением изделий газообразные продукты откачивают. Техническим результатом данного изобретения является то, что заявленный способ позволяет улучшить качество обработанной поверхности при одновременной интенсификации процесса хромирования за счет сокращения в 1,6-2,7 раза времени обработки в насыщающей смеси, а также обеспечивает получение на поверхности стальных изделий хромированного слоя значительной толщины. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, и может быть использовано в любой отрасли машиностроения для нанесения покрытий на стальные изделия.

Известен способ хромирования, включающий нагрев и насыщение изделий в порошковой среде, содержащей следующие компоненты, мас.%: феррохром 50-70, хлористый аммоний 5-8, колчеданный огарок 25-45 (см. авт. св. СССР 840190, С 23 С 9/04, 1981).

Недостатком указанного способа является значительная длительность процесса хромирования и низкое качество поверхности обрабатываемых изделий из-за образования окисной пленки, что затрудняет доступ газовой фазы к поверхности изделий.

Наиболее близким аналогом является способ хромирования стальных изделий, включающий нагрев и насыщение изделий в порошковой среде, содержащей следующие компоненты, мас.%: окись хрома 30-37, окись никеля 5-8, окись железа 5-8, порошок алюминия 17-23, хлористый аммоний 1-3, окись алюминия - остальное. Причем в процессе нагрева осуществляют выдержку изделий в течение 2-8 часов при температуре насыщающей среды 900-1100^oС (см. авт. св. СССР 918331, С 23 С 9/02, 1982).

Недостатком указанного способа является большая длительность процесса и низкое качество поверхности изделий за счет образования на ней окисной пленки, затрудняющей доступ к поверхности газовой фазы.

В основу изобретения поставлена задача улучшения качества поверхности хромированных стальных изделий при одновременной интенсификации процесса хромирования.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе диффузионного хромирования стальных изделий в псевдоожиженном слое, включающем нагрев и насыщение в порошкообразной смеси, содержащей хромосодержащий компонент, никельсодержащий компонент, активатор и корунд, и последующее охлаждение, согласно изобретению хромирование изделий проводят в порошкообразной смеси, содержащей в качестве хромосодержащего компонента - фторид хрома CrF₄, в качестве никельсодержащего компонента - иодид никеля NiI₂, в качестве активатора - фтористый аммоний, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Фторид хрома CrF₄ - 0,001-30 Иодид никеля NiI₂ - 0,001-2 Фтористый аммоний - 0,001-1 Корунд - 67-99,997 нагрев и насыщение осуществляют в атмосфере аммиака, причем в процессе нагрева при температуре насыщающей смеси 200-800^oС осуществляют выдержку изделий в течение 5-30 минут, после чего температуру повышают до температур хромирования, а перед охлаждением изделий газообразные продукты откачивают.

Способ диффузионного хромирования стальных изделий осуществляют следующим образом: предварительно готовят порошкообразную смесь для хромирования путем смешения компонентов, мас.%: фторид хрома CrF₄ 0,001-30, иодид никеля NiI₂ 0,001-2, фтористый аммоний 0,001-1, корунд 67-99,997. В реторту с указанной порошкообразной смесью загружают стальные изделия, откачивают воздух и закачивают аммиак, затем осуществляют нагрев изделий одновременно с нагревом насыщающей порошкообразной смеси. В процессе нагрева при температуре порошкообразной смеси 200-800^oС проводят выдержку изделий в течение 5-30 минут, после чего стальные изделия и смесь нагревают до температур хромирования 900-1300^oС. Перед охлаждением из реторты откачивают газообразные продукты и реторту с изделиями охлаждают.

Нагрев насыщающей смеси и стальных изделий в атмосфере аммиака и выдержка их в течение 5-30 минут при температуре 200-800^oС позволяет обеспечить полное восстановление иодида никеля и фторида хрома с образованием свободных атомов хрома и никеля, адсорбции этих атомов к поверхности стальных изделий. Химические реакции между стальной поверхностью изделий, компонентами насыщающей смеси и аммиаком создают условия для интенсификации процесса насыщения и улучшения качества хромированной поверхности стальных изделий.

При температуре выдержки ниже 200^oС снижается стабильность протекания процессов восстановление иодида никеля и фторида хрома и адсорбции атомов никеля и хрома к стальной поверхности, что приводит к уменьшению скорости хромирования. Хромированный слой получается некачественным. При температуре выдержки выше 800^oС ухудшается качество хромированного слоя за счет образования пористого слоя хрома и никеля на стальной поверхности.

При выдержке менее 5 минут происходит только частичное восстановление иодида никеля и фторида хрома и при дальнейшем нагреве насыщающей смеси до температур насыщения 900-1300^oС происходит восстановление оставшейся части иодида никеля и фторида хрома с образованием на поверхности изделий пористого слоя хрома и никеля, что существенно ухудшает качество поверхности стальных изделий. Выдержка более 30 минут нецелесообразна, так как полное восстановление иодида никеля и фторида хрома происходит в течение 5-30 минут.

Охлаждение хромированных стальных изделий в присутствии газообразных продуктов в насыщающей среде нецелесообразно, так как это приводит к ухудшению качества хромированной поверхности стальных изделий, поэтому перед охлаждением производят откачку газообразных продуктов из реторты.

Присутствие в составе насыщающей смеси фторида хрома в заявляемом количестве позволяет получать активные атомы хрома за счет его полного восстановления в среде аммиака.

Содержание фторида хрома в смеси менее 0,001 мас.% приводит к снижению стабильности протекания процессов адсорбции и диффузии атомов хрома в стальную поверхность, а следовательно, к снижению скорости насыщения. Увеличение содержания фторида хрома более 30 мас.% приводит к образованию пористого слоя хрома на поверхности изделий, что снижает качество поверхности стальных изделий, а также приводит к спеканию рабочей смеси.

Присутствие в составе насыщающей смеси иодида никеля в заявляемом количестве позволяет получать активные атомы никеля за счет его полного восстановления в среде аммиака. При этом растворенный в поверхности стальных изделий никель ускоряет процесс хромирования и способствует улучшению качества поверхности.

Содержание иодида никеля менее 0,001 мас.% снижает стабильность протекания процессов адсорбции и диффузии атомов никеля в стальную поверхность, что приводит к снижению скорости насыщения. Содержание иодида никеля в смеси более 2 мас.% ухудшает качество поверхности хромированного слоя за счет образования пористого слоя никеля на поверхности изделий, а также приводит к спеканию рабочей смеси.

Фтористый аммоний вводится в состав смеси как активирующая добавка, позволяющая получать активные атомы хрома и никеля, а также проводить процесс хромирования в псевдоожиженном слое без спекания насыщающей смеси.

Введение в насыщающую смесь фтористого аммония менее 0,001 мас.% приводит к нестабильности протекания процесса восстановления фторида хрома и иодида никеля, а также к нестабильности процесса переноса атомов хрома и никеля к насыщаемой поверхности, а следовательно, уменьшению насыщающей способности среды. Содержание фтористого аммония в смеси более 1 мас.% нецелесооразно, так как это приводит к перерасходу материала.

Корунд предназначен для создания псевдоожиженого слоя.

Применение в заявляемом способе псевдоожиженного слоя позволяет сократить время нагрева насыщающей смеси и время насыщения изделий, а также обеспечивает их равномерный нагрев. При хромировании стальных изделий в псевдоожиженном слое частицы насыщающей смеси контактируют с поверхностью металла во много раз интенсивнее, чем в способе, взятом за прототип. В результате этого происходит очищение поверхности металла от окисных пленок и тем самым облегчается доступ газовой фазы непосредственно к поверхности стальных изделий. Процессы хромирования в псевдоожиженном слое протекают в основном за счет газофазного процесса, что обеспечивает высокую скорость насыщения. При этом активность насыщающей среды в псевдоожиженном слое заявляемого способа намного выше, чем в прототипе, вследствие особенностей псевдоожиженного материала. Это приводит к тому, что атомы активного хрома адсорбируются на поверхности изделий значительно быстрее, чем происходит их диффузия в глубь металла. В связи с этим концентрация активных атомов хрома на поверхности насыщаемого изделия быстро возрастает и качественный хромированный слой образуется за меньший промежуток времени, чем при хромировании по способу-прототипу.

Для обоснования преимуществ заявляемого способа по сравнению со способом, взятым за прототип, были проведены лабораторные испытания.

Образцы стали 45 подвергали хромированию известным способом и заявляемым способом в псевдоожиженном слое с целью определение качества поверхности и интенсивности образования диффузионного слоя. Составы насыщающей смеси, режимы хромирования и результаты металлографических исследований приведены в таблице.

Из приведенных данных следует, что заявляемый способ диффузионного хромирования стальных изделий в псевдоожиженном слое по сравнению прототипом позволяет улучшить качество обработанной поверхности при одновременной интенсификации процесса за счет сокращения в 1,6-2,7 раза времени обработки изделий в насыщающей смеси, а также обеспечивает получение на поверхности стальных изделий хромированного слоя значительной толщины.

Формула изобретения

Способ диффузионного хромирования стальных изделий в псевдоожиженном слое, включающий нагрев и насыщение изделий в порошкообразной смеси, содержащей хромсодержащий компонент, никельсодержащий компонент, активатор и корунд, и последующее охлаждение, отличающийся тем, что хромирование изделий проводят в порошкообразной смеси, содержащей в качестве хромсодержащего компонента - фторид хрома CrF₄, в качестве никельсодержащего компонента - иодид никеля NiI₂, в качестве активатора - фтористый аммоний, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Фторид хрома CrF₄ - 0,001 - 30 Иодид никеля NiI₂ - 0,001 - 2 Фтористый аммоний - 0,001 - 1
Корунд - 67 - 99,997
нагрев и насыщение осуществляют в атмосфере аммиака, причем в процессе нагрева при температуре насыщающей смеси 200-800^oС осуществляют выдержку изделий в течение 5-30 мин, после чего температуру повышают до температур хромирования, а перед охлаждением изделий газообразные продукты откачивают.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2