Способ создания защитного слоя в изделиях из черных металлов расплавом на основе алюминия

Изобретение относится к области обработки металлических изделий диффундирующими в их поверхность компонентами расплавов. Способ включает создание защитного слоя в изделиях из черных металлов расплавом на основе алюминия, содержащим кремний. Расплав содержит алюминий от 50 до 82,5 мас.% и кремний от 17,5 до 50,0 мас.%. Температуру расплава поддерживают от 920 до 940°С. Техническим результатом изобретения является создание однородного, износо-коррозионно-стойкого слоя повышенной твердости в поверхности детали сложной конфигурации из черного металла, без изменения ее геометрических размеров. 1 з.п. ф-лы.

 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области обработки металлических изделий диффундирующими в их поверхность компонентами расплавов для придания изделиям износо- и коррозионной стойкости и может быть использовано для обработки деталей из черных металлов, подвергающихся комплексному абразивно-кавитационному воздействию в агрессивной среде.

2. Уровень техники

Известны способы изготовления биметаллических изделий путем покрытия заготовок из черного металла жидким алюминием или его сплавами с предварительной обработкой поверхности, подлежащей защите, флюсом.

Одним из них является "Способ изготовления биметаллических изделий" (Авторское свидетельство СССР №106370, С 23 С 1/08, опубликовано в 1957 г.), обеспечивающий создание поверхностного и переходного слоев на заготовках из железных сплавов из расплавов на основе алюминия, содержащих кремний в мас.% от 4,0 до 13,0 с примесями в мас.% цинка до 7,0, меди до 5,0, никеля и магния до 1,0, марганца до 0,8, железа до 2,5.

Указанные способы не обеспечивают получения достаточно надежного износо- и коррозионно-защитного слоя на заготовках деталей из черных металлов, изменяют их геометрию и требуют дополнительной механической обработки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является "Способ получения защитных покрытий на изделиях из черных металлов", включающий приготовление расплава на основе алюминия, нанесение его на изделие, выдержку и охлаждение, в котором расплав содержит в мас.%

кремний	14,0-40,0
медь	11,6-30,0
цинк	8,0-21,0
алюминий	- остальное

(Патент РФ 2061085, МПК 6 С 23 С 2/12, опубликован 27.05.96, Бюл. №15).

Благодаря диффузионно-активным элементам: алюминию и кремнию и активаторам: меди и цинку, в пределах указанных соотношений, обеспечивается ускоренный процесс образования упрочненного слоя в поверхности детали из серого чугуна, обладающего износокоррозионной стойкостью повышенной твердости.

Однако получаемый этим способом защитный слой характеризуется:

- присутствием в нем неоднородностей (наличие таких неоднородностей может составлять до 20%) из-за включений меди и цинка - "белые пятна" повышенной пластичности (микротвердость которых не превышает 200 кг/мм²), в связи с чем, в процессе работы детали за счет наклепа в результате многократной пластической деформации, образуются и развиваются микротрещины, приводящие к локальному разрушению защитного слоя;

- наличием коррозионно-активных участков в виде включений меди и цинка, являющихся анодными по отношению к основе - алюминию и содержащим его структурным составляющим покрытия.

Возникающий в связи с этим электрохимический эффект усиливается неоднородным полем напряжений в этих участках, приводящих к микротрещинам и их развитию, вплоть до разрушения этих участков через определенное время.

3. Раскрытие изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание однородного, износо-коррозионно-стойкого слоя повышенной твердости в поверхности детали сложной конфигурации из черного металла, без изменения ее геометрических размеров.

Настоящая задача решается тем, что расплав на основе алюминия содержит кремний в мас.% от 17,5 до 50 (содержание алюминия от 82,5 до 50).

В эвтектике системы алюминий - кремний, содержание кремния - 11,7 мас.%.

Таким образом, рабочим расплавом является расплав заэвтектического состава.

Температуру расплава поддерживают в пределах от 920 до 940°С.

4. Осуществление изобретения

Практическая реализация способа создания поверхностного защитного слоя поясняется на примере обработки детали из серого чугуна.

Способ создания поверхностного защитного слоя является классическим, включающим подготовку диффузионно-активного расплава на основе алюминия, содержащего кремний (мас.% 17,5-50,0), при температуре 920-940°С, погружение в него детали из серого чугуна на время, необходимое для создания защитного слоя требуемой толщины, с последующим естественным охлаждением детали в среде окружающего воздуха.

Коэффициент роста упрочненного слоя близок по порядку величины коэффициенту диффузии в интервале (0,1-1,0)×10^-5 см²/с.

Толщина поверхностного защитного слоя составляет от 0,1 до 10 мм и более, в зависимости от длительности нахождения детали в расплаве.

Поверхностный (рабочий) слой детали сложной конфигурации из серого чугуна с защитным слоем из расплава на основе алюминия при минимальной 17,5 и максимальной 50,0 мас.%. концентрации кремния приобретает качественно новые эксплуатационные свойства:

1. Твердость (микротвердость), кгс/мм²

- основа (матрица) - 950,

- включения - 1200-1400, при микротвердости серого чугуна - до 200 кгс/мм².

2. Износостойкость - равномерная по всей поверхности и сечению в 12-15 раз больше, чем материал детали (в отличие от ближайшего аналога, в котором имеется до 20% неоднородностей, в связи с чем, суммарная (результирующая) износостойкость резко снижается).

3. Коррозионная стойкость - высокая, соответствует традиционной нержавеющей стали марки 12Х18H10Т (в отличие от расплава, обогащенного медью и цинком, когда возможны локальные разрушения диффузионного защитного слоя во времени из-за наличия в нем участков с включениями меди до 45% и цинка до 18%).

Равнотолщинность защитного слоя при этом гарантируется по всей поверхности детали при сохранении ее формы и исходных размеров.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью общеизвестных и традиционно применяющихся в данной области техники устройств, например, тиглей или печей для приготовления алюминий-кремниевого расплава.

Таким образом, согласно изобретению, обеспечивается качественно новый результат, а именно - гарантируется высокий уровень эксплуатационной надежности изделий в сложнонапряженных условиях в абразивно-кавитационной агрессивной среде, благодаря:

1. Существенному повышению коррозионной стойкости, в связи с исключением из структуры защитного слоя участков, обогащенных медью и цинком.

2. Существенному повышению износостойкости, в связи с исключением из структуры защитного слоя участков с повышенной пластичностью, склонных к усталостному разрушению (за счет наклепа).

3. Исключению возможности разрушения защитного слоя в связи с отсутствием участков с повышенной пластичностью.

1. Способ создания защитного слоя в изделиях из черных металлов расплавом на основе алюминия, содержащим кремний, отличающийся тем, что расплав содержит, мас.%: алюминий 50-82,5 и кремний 17,5-50,0 при температуре расплава 920-940°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве черных металлов используют серый чугун.