Спосіб нанесення силіцидних покриттів на поверхню сталей

Спосіб нанесення силіцид них покриттів на поверхню сталей, що включає безконтактне розміщення у реакційній камері деталей та порошку насичуючого елемента, вакуумування реакційної камери, нагрів до температури насичення, повторене вакуумування та введення в камеру чотирихлористого вуглецю, витримку при температурі насичення, охолодження вакуумованої реакційної камери, який відрізняється тим, що охолодження деталей у вакуумованій камері проводиться до температури 700-750°С і при досягненні цієї температури у реакційну камеру запускають атмосферне повітря та охолоджують деталі до кімнатної температури у реакційній камері, заповненій повітрям, при цьому джерелом насичуючого елемента служить порошок феросиліцію Винахід відноситься до галузі металурги, а саме до хіміко-термічної обробки (ХТО) металів та може широко використовуватись в машинобудуванні, приладобудуванні для підвищення експлуатаційних характеристик виробів Відомий спосіб нанесення силіцидних покриттів на поверхню сталей, при якому виріб вміщується у камеру з порошком кремнію, нагрівають виріб до температури 1000°С, роблять витримку на протязі 4-6 годин (Удовицкий В И Антифрикционное пористое силицирование углеродистых сталей // М "Машиностроение", 1977, 132с) Недоліком цього способу є недостатня корозійна СТІЙКІСТЬ та пористість отриманих силіцидних покриттів С23 С12/00, 15 10 2002, бюл №10) шляхом охолодження виробів у вакуумованій камері до температури 700-750°С з наступним охолодженням до кімнатної температури в атмосфері повітря, яке запускається у камеру Таким чином на поверхні силіцидних покриттів утворюється шар оксидів S1O2, що забезпечує підвищення корозійної СТІЙКОСТІ металевих виробів Поставлена задача досягається тим, в способі, який включає окреме розміщення деталей і насичуючого порошку у реакційній камері, вакуумування, нагрів до температури насичення, заповнення камери чотирихлористим вуглецем, витримку при температурі насичення та охолодження, новим є те, що охолодження вакуумованої реакційної камери проводиться до температури 700-750°С, і запускають у камеру атмосферне повітря та охолоджують із деталями до кімнатної температури, крім того для підвищення суцільного дифузійного шару в якості насичуючого порошку використовують феросиліцій, що забезпечує підвищення корозійної СТІЙКОСТІ металевих виробів із покриттям Найбільш близьким по технічній сутності і результату що досягається є відомий спосіб нанесення дифузійних покриттів на металах та сплавах, який включає завантаження виробів в реакційну камеру з порошком насичуючого елементу та деревним вугіллям, вакуумування до тиску 10 1мм рт ст , нагрів до температур насичення 9001100°С, повторне вакуумування, заповнення камери чотирихлористим вуглецем, ізотермічну витримку при температурі насичення та охолодження (Патент України №50165, МПК7 С23С12/00, 15 10 2002, бюл №10) Недоліком цього способу є не висока корозійна СТІЙКІСТЬ виробів В основу винаходу поставлено задачу вдосконалити відомий спосіб нанесення силіцидних покриттів на сталі (Патент України №50165, МПК7 Винахід може застосуватись у машинобудуванні для підвищення корозійної СТІЙКОСТІ та окаЛИНОСТІЙКОСТІ деталей машин Спосіб полягає в тому, що деталі розміщують в реакційній камері окремо від насичуючого порошку феросиліцію (50-60г/м2), вакуумують камеру до тиску 10 1мм рт ст , нагрівають до температури со (О 62739 насичення 850-1050°С, повторно вакуумують до 1 тиску 10 мм рт ст, заповнюють камеру чотирихлористим вуглецем при температурі насичення і охолоджують до температури 700-750°С при якій запускають в камеру атмосферне повітря і охолоджують реакційну камеру із деталями до кімнатної температури При цьому для отримання мало пористих дифузійних силіцидних шарів, в якості насичуючого порошку застосовують феросиліцій у 2 КІЛЬКОСТІ 50-60г/м , а активатор дифузійних транспортних реакцій - чотирихлористий вуглець ССІ4 2 1,5-2мл/м Такий спосіб нанесення дифузійних силіцидних покриттів дозволяє підвищити корозійну СТІЙКІСТЬ металевих виробів у 2-3,5 рази за рахунок формування на поверхні дифузійного шару оксидної плівки S1O2, товщиною 2-Змкм, яка відзначається високою корозійною СТІЙКІСТЮ у різних агресивних середовищах Феросиліцій - температура плавлення не перевищує 1330°С, виплавляють в доменних та плазмових електропечах (Энциклопедия металловедения // М "Машиностроение", Т 2, 1978, 532с) Основною сировиною, із якого одержують феросиліцій, є кварц та його різновиду (при ВМІСТІ кремнію не менше 93%) кварцит, халцедон і кварцовий пісок Шихта звичайно перебуває з дробленого кварциту, стружки простих вуглецевих сталей і дробленого коксу Кремній із залізом сплавляється в будь-яких співвідношеннях і утворює силіциди, найбільше стійкий із яких моносиліцид FeSi - епсілон-фаза (33,3% Si) З'єднання постійного складу Fe3Si2 - ета-фаза (25,1% Si) і перемінного складу FeSi2423oo - ксі-фаза (55,18-61,5% Si) т п Лебоїт при високій температурі сильно дисоціює Лебоїт крім того при охолодженні розпадається зі збільшенням об'єму (до 20%), що викликає розсипання сплаву Феросиліцій використовують для розкисленню сталей та модифікування чавуна, у якості легуючого феросплаву його застосовують для виробництва ресорних і пружинних сталей, що містять 1,3-2% Si, І електротехнічних сталей (0,84,6% Si) Кремній підвищує твердість, МІЦНІСТЬ, межу текучості, пружність і магнітну проникненість та знижує втрати на пстерезіс, коерцитивну силу і загальні ватні (В А сек) втрати сталі Підвищення корозійної СТІЙКОСТІ силіцидних покриттів обумовлено їх структурним і фазовим складом Після вводу в реакційну камеру чотирихлористого вуглецю формується вільний хлор який взаємодіє із порошком феросиліцію, а також із металевою поверхнею виробів, які піддаються насиченню В цьому випадку можливе формування хлоридів кремнію (SiCI4 і SiCI2) і хлоридів заліза (FeCI2) В реакційній камері можливі наступні реа кції SiCI4(r)+2Fe(T)=Si(T)+2FeCI2(p,r) (1) SiCI4(r)+5Fe(T)=Fe3Si(T)+2FeCI2(p,r) (2) SiCI4(r)+Fe(T)=SiCI2(r)+2FeClb(p,r) (3) SiCI2(r)+Fe(T)=Si+FeCI2(p,r) (4) SiCI4(r)+3FeCI2(p,r)=Fe3Si+5CI2(p,r) (5) де р - рідка фаза, г - газоподібна фаза, т -тверда фаза Рентгеноструктурним фазовим аналізом показано, що на поверхні дифузійних силіцидних покриттів знаходиться фаза FesSi, а під нею розташована зона твердого розчину кремнію в а залізі За рахунок відновлення заліза і кремнію із FeCI21 SiCI4 (реакція (5)) можливе осадження фази FesSi на поверхні твердого розчину кремнію в а залізі При температурах в інтервалі 674-1023°С (між температурами плавлення і кипіння FeCI2) фаза FeCI2 може конденсуватися на поверхні силіцидного покриття у вигляді рідкої плівки із якою вступають в реакцію SiCI4, утворюючи при цьому FesSi ВІДПОВІДНО ДО діаграми стану Fe - Si, а -залізо, Fe3Si місить 14,5-16,2% Si Введення в реакційний простір реторти атмосферного повітря при температурі 700-750°С призводить до часткового окислення фази FesSi Fe 3 Si+O 2 -^SiO 2 При цьому на поверхні дифузійного силіцидного шару формується тонка плівка окисла SiO2 товщиною 2-Змкм, яка має високу корозійну СТІЙКІСТЬ В таблиці 2 наведенні приклади корозійної СТІЙКОСТІ силіцидних покриттів отриманих способом прототипу і запропонованим способом із додатковим окисленням на стадії охолодження зразків від температури 700-750°С після ізотермічної ХТО силіціювання Із даних наведених в таблиці 2 видно, що корозійна СТІЙКІСТЬ додаткового окислених силіцид них покриттів (приклади 2, 3, 4, 5) в середовищі (10% H2SO4, 10% Н3РО4, 10% НСІ) 10% сірчаної, 10% фосфорної та 10% соляної кислот зростає в 2-3,5 рази порівняно із прототипом - частково не окисленим дифузійним силіцид ним шаром, що складається із фази FesSi і а - Fe твердого розчину Додаткове формування оксидної плівки дюксиду кремнію SiO2 товщиною 2-Змкм зумовлює зростання захисних функцій силіцидних покриттів Розроблений спосіб нанесення на поверхню виробів силіцидних покриттів із формуванням на поверхні плівки SiO2, дозволяє збільшити корозійну СТІЙКІСТЬ у 2-3,5 рази порівняно з прототипом 62739 Таблиця 1 800 № реакції AG ккал/моль 1 2 3 +2,0 -16,5 -16,0 AG ,10 3 Дж/моль +8,37 -69,08 -66,99 Температура, °С 1000 AG ,10 AG ккал/моль 3 Дж/моль +4,0 +16,74 -14,5 -60,70 +9,0 137,68 1200 AG ккал/моль 3 -4,0 -28,5 -2,5 AG ,10 Дж/моль -16,74 -119,32 -10,47 Таблиця 2 Корозійна СТІЙКІСТЬ силіцидних покриттів на сталі 45 отриманих із газової фази Режим ХТО Тривалість витримки, год Фазовий склад 2 FesSi a - F e T B роз 60120 0,714 0,466 0,706 850 2 SiC^FesSi a - F e T B роз 2-33065 0,215 0,192 0,210 900 2 SiC^FesSi a - F e T B роз 2-34090 0,218 0,195 0,215 900 2 SiC^FesSi a - F e T B роз 2-34090 0,235 0,191 0,220 1000 2 SiC^FesSi a - F e T B роз 2-360120 0,234 0,202 0,225 Спосіб обробки Т,°С 1 Силіціювання (прототип)Феросиліцій 1000 50г/м ССЦ-2мл/м 2 2 Силіціювання +ОКИСЛЄННЯ ВІД Т=750°СФеросиліцій 50г/м2ССЦ-2мл/м2 3 Силіціювання +ОКИСЛЄННЯ ВІД Т=700°СФеросиліцій 50г/м2ССЦ-2мл/м2 4 Силіціювання +ОКИСЛЄННЯ ВІД Т=750°СФеросиліцій 50г/м2ССЦ-1,5мл/м2 5 Силіціювання +ОКИСЛЄННЯ ВІД Т=750°СФеросиліцій 50г/м2ССЦ-2мл/м2 Втрата маси при корозійних Товщина випробуваннях г/м2год покриття, мкм 10%H2SO4 10%Н3РО4 10% НСІ Примітка Тривалість корозійних випробувань 10 діб Комп'ютерна верстка М Клюкш Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119