Способ нанесения диффузионных покрытий на стальные изделия

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение стойкости материалов изделий к механическим воздействиям и к воздействиям агрессивных рабочих сред. Стальные изделия подвергают диффузионному насыщению при температуре 650-1250°С в расплаве, содержащем следующие компоненты, мас.%: свинец 84,2-96,5, литий 0,5-0,8, никель 1-5, хром 2-10. Данный способ позволяет повысить стойкость поверхностных слоев материала изделий к износу и эрозионному воздействию на них рабочей среды. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение стойкости материалов изделий к механическим воздействиям и к воздействиям агрессивных рабочих сред за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев, и может быть использовано для увеличения эксплуатационного ресурса изделий, повышения их нагруженности, в частности для повышения стойкости пресс-форм, применяемых для литья под давлением.

Известны способы повышения работоспособности материала изделий путем их азотирования, нитроцементации [Инструментальные стали. 5-е изд. Геллер Ю.А. Металлургия, 1983, 527 с.]. Недостатком этих видов химико-термической обработки является то, что они в недостаточной степени повышают стойкость материала изделия к образованию трещин и коррозионному воздействию рабочей среды.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ диффузионного насыщения поверхностных слоев материала изделий никелем из среды легкоплавких растворов [А.С. SU № 1772215 А1 "Способ нанесения диффузионного покрытия на стальные изделия" от 1.07.92 г.]. Нанесение покрытий данным способом осуществляется путем выдержки стального изделия в легкоплавком свинцовом расплаве, содержащем 0,5-0,8% лития и 3% никеля. В результате выдержки стального изделия в расплаве происходит адсорбция никеля на его поверхности, диффузия никеля вглубь изделия. При этом, так как никель образует с железом твердые растворы, на поверхности изделия образуется диффузионное покрытие, представляющее собой сплав никеля и железа. Такое покрытие обладает высокой жаростойкостью, коррозионной стойкостью, а самое главное, высокой вязкостью, что обеспечивает повышение трещиностойкости материала изделия.

Недостатком прототипа является то, что образующиеся на поверхностях изделий покрытия обладают низкой твердостью и вследствие этого они склонны к эрозионному разрушению и износу, происходящим за счет механического воздействия на них рабочей среды.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение стойкости поверхностных слоев материала изделий к износу и эрозионному воздействию на них рабочей среды.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемом способе нанесения покрытий на стальные изделия, включающем диффузионное насыщение стальных изделия в расплаве, содержащем свинец, литий, никель при температуре 650-1250°С, в расплав вводится хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Свинец	84,2-96,5
Литий	0,5-0,8
Никель	1-5
Хром	2-10

Благодаря введению хрома в расплав, в котором производится нанесение диффузионных покрытий, на поверхности изделий формируются двухслойное диффузионное покрытие. Наружный слой покрытия содержит карбиды хрома и вследствие этого обладает высокой твердостью. Высокая твердость карбидов хрома обеспечивает поверхности изделия высокую стойкость к абразивному износу и эрозионному воздействию рабочей среды. Помимо этого наличие хрома на поверхности изделия обеспечивает повышение жаростойкости и коррозионной стойкости материала изделия.

Под карбидным слоем в диффузионном покрытии формируется слой, представляющий собой твердый раствор никеля, хрома и железа. Такой твердый раствор обладает высокой вязкостью, которая обеспечивает повышение трещиностойкости материала изделия.

Таким образом, благодаря введению в расплав, в котором происходит формирование покрытий, хрома на поверхности изделия образуются диффузионные покрытия, повышающие трещиностойкость, разгаростойкость, абразивную и эрозионную износостойкость изделий, а также обеспечивающие материалу изделия жаростойкость и коррозионную стойкость.

На чертеже изображена эксплуатационная стойкость пресс-форм, применяемых для литья под давлением без покрытий, с покрытиями, полученными по технологии прототипа, и с покрытиями нанесенными на поверхность пресс-форм по технологии заявляемого способа.

Пример 1. Стойкость покрытий, получаемых по заявляемой технологии, к воздействию рабочей среды, в частности расплавов литейных сплавов, оценивалась путем проведения сравнительных коррозионных испытаний в расплаве силумина. Испытания проводились путем погружения и выдержки в течение 5 часов в расплаве сплава АЛ2, нагретого до температуры 700°С, образцов, изготовленных из стали 4Х5 МФ, с покрытиями, полученными по технологии заявляемого способа, с образцами без покрытий, а также с образцами, покрытыми по технологии прототипа (никелевые покрытия).

Никелевые покрытия (прототип) наносились из расплава 0,75% литий, 3% никель, остальное свинец, температура процесса 1050°С, длительность 5 часов. Никель-хромовые покрытия (заявляемый способ) формировались из расплава 0,75% литий, 3% никель, 10% хром, остальное свинец, температура процесса 1050°С, длительность 5 часов.

Коррозионные испытания образцов с покрытиями и без них в расплаве силумина показали (см. таблицу), что наибольшей стойкостью в расплаве силумина обладают никель-хромовые покрытия, полученные по заявляемой технологии. После выдержки образцов с никель-хромовыми покрытиями в расплаве силумина в отличие от непокрытых образцов и образцов, покрытых по технологии прототипа, отсутствуют следы коррозионного поражения их поверхностей.

Таблица.
№	Образец	Условия испытаний	Результаты испытаний
1	Сталь 4Х5Мф, без покрытий	Расплав сплава АЛ2, температура 700°С, выдержка 5 часов	Растворение поверхностных слоев образца
2	Сталь 4Х5Мф, никелевые покрытия	Расплав сплава АЛ2, температура 700°С, выдержка 5 часов	Коррозия поверхностных слоев образца на острых кромках и местах клеймения
3	Сталь 4Х5Мф, никель-хромовые покрытия	Расплав сплава АЛ2, температура 700°С, выдержка 5 часов	Коррозионное повреждение поверхности образца отсутствует

Пример 2. Пресс-формы, применяемые для получения отливок из сплава АЛ6 (алюминий, 4,5-6,0% кремний, 2-3% медь). Для оценки влияния покрытий, наносимых на поверхности пресс-форм по заявляемой технологии, на разгаростойкость и износостойкость пресс-форм проводились сравнительные натурные испытания пресс-форм с покрытиями, полученными по заявляемой технологии - никель-хромовые покрытия, с покрытиями, нанесенными по технологии прототипа - никелевые покрытия, и без покрытий. Период стойкости пресс-форм определялся количеством отливок, полученных в пресс-форме до появления на их рабочих поверхностях следов эрозии и трещин разгара. Пресс-формы были изготовлены из стали 4Х5МФ и были предназначены для получения корпусов бензонасоса автомобиля "Волга".

Никелевые покрытия (прототип) наносились из расплава 0,75% литий, 3% никель, остальное свинец, температура процесса 1100°С, длительность 5 часов. Никель-хромовые покрытия (заявляемый способ) формировались из расплава 0,75% литий, 3% никель, 3% хром, остальное свинец, температура процесса 1100°С, длительность 5 часов. После нанесения покрытий по технологии прототипа и заявляемому способу пресс-формы подвергались нормализации. Пресс-формы без покрытий - штатной термической обработке нормализации с двухкратным отпуском.

Как показали сравнительные испытания пресс-формы, при отсутствии покрытий на пресс-формах уже через десять циклов наблюдается приваривание литейного сплава к поверхностям пресс-формы, что требует их зачистки. Трещины разгара на рабочих поверхностях непокрытых пресс-форм появились через 11000 запрессовок. Пресс-формы с никелевыми покрытиями (прототип) до появления трещин разгара выдержали 42500 запрессовок, однако через 22000 запрессовок на поверхностях литниковой системы пресс-формы отмечается появление следов эрозии этих поверхностей, а также в процессе литья периодически наблюдается налипание литейного сплава на поверхности пресс-форм.

При нанесении покрытий по заявляемому способу количество запрессовок возросло до 52000, и при этом признаки эрозии поверхности пресс-форм появляются только лишь после 41000 запрессовок и отсутствует приваривание отливок к пресс-формам.

Способ нанесения диффузионных покрытий на стальные изделия, включающий диффузионное насыщение стальных изделий в расплаве, содержащем свинец, литий и никель, при температуре 650-1250°С, отличающийся тем, что расплав дополнительно содержит хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Свинец	84,2-96,5
Литий	0,5-0,8
Никель	1-5
Хром	2-10