Спосіб одержання покриттів на поверхні металевих виробів

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к комплексной химико-термической обработке поверхности металлических изделий, преимущественно длинномерных: прутка, труб, листа, и может быть использовано в любой области промышленности, где есть необходимость в улучшении прочностных и коррозионно-стойких свойств поверхности длинномерных изделий. Известен способ обработки поверхности металла, при котором на обрабатываемой поверхности формируют слой порошкообразного металла из группы на который наносят слой реагента, предотвращающий окисление нанесенного металла, и проводят термодиффузионный отжиг при температуре на 100°C превышающей минимальную температуру плавления нанесенного металла [1]. Недостатком известного способа является то, что при нагреве наносимого металла выше его температуры плавления происходит частичное его оплавление, что приводит к неравномерности получаемого покрытия по всей поверхности изделия, в результате чего снижается качество покрытия. Известен способ получения коррозионностойкого покрытия, при котором на поверхность хромистой листовой стали наносят слой медного покрытия и проводят термодиффузионный отжиг при температуре ниже 850°C в защитной атмосфере [2]. Недостатком способа является то, что при проведении термодиффузионного отжига при температуре ниже 850°C, даже при достаточно длительной выдержке, получают очень незначительные диффузионные слои (-0,1 - 3мкм) при недостаточно большой толщине медного покрытия -0,5 - 15мкм. Такие покрытия имеют низкие защитные свойства. Наиболее близким по технической сущности является способ получения металлических покрытий, например, медных на поверхности длинномерного изделия - листовой стали, включающий формирование на поверхности изделия слоя материала покрытия в виде раствора соли меди и последующий диффузионный отжиг металлического листа в защитной восстановительной атмосфере [3]. Для известного способа характерны низкие производительность процесса и качество получаемого покрытия. Диффузия меди из покрытия в основной металл листовой стали при обычном термическом отжиге протекает по схеме, описываемой классическим законом - законом Фика, который определяет прямо пропорциональную зависимость скорости диффузии от температуры и времени обработки. Поскольку повышение температуры имеет определенные ограничения, то для получения удовлетворительных диффузионных слоев требуется большой промежуток времени, особенно для длинномерных изделий. Таким образом, производительность процесса по известному способу не высока. Кроме того, процессы массопереноса металла покрытия, в частности меди, в основу металлического изделия лимитируются различными структурными барьерами, возникающими на границе зерен, пустот и др., а также определяются энергетическими возможностями атомов металла покрытия - меди. В результате этого образуемый промежуточный диффузионный слой столь незначителен, что не может обеспечить достаточной прочности сцепления медного покрытия с основой металлического изделия. При эксплуатации такие покрытия отслаиваются, растрескиваются, что в целом значительно снижает качество защитных покрытий, В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа получения покрытия на поверхности металлического длинномерного изделия, в котором осуществляют дополнительную операцию воздействие объемной плазменной струи на поверхность изделия в процессе его термодиффузионного отжига, в результате чего за счет стр уктурных изменений в кристаллической решетке металлов происходят ускоренные перемещения как ионов покрытия вглубь основы металла так и обратный процесс, что обеспечивает повышение производительности процесса и качества покрытий. Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения покрытия на поверхности металлических изделий, преимущественно длинномерных включающем формирование слоя материала покрытия на поверхности изделия и последующий термодиффузионный отжиг изделия в защитной атмосфере, согласно изобретению, новым является то, что термодиффузионный отжиг изделий осуществляют при одновременном воздействии на поверхность плазмой объемного несамостоятельного разряда, при этом разряд возбуждают так, что на обрабатываемое изделие подают отрицательный потенциал. Между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигнутым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь. При воздействии на нагретую поверхность изделия плазмой объемного несамостоятельного разряда происходит распределение разряда по всей поверхности изделия, У поверхности изделия - катода формируется объемный положительный заряд, для которого характерны высокий электрический потенциал и напряженность электрического поля. Образуется так называемая прикатодная область объемного плазменного разряда. Благодаря тому, что изделие находится под отрицательным потенциалом, положительные ионы аргона движутся к поверхности изделия и, проходя через прикатодную область разряда, приобретают высокий запас кинетической энергии - в несколько электронвольт. Бомбардировка поверхности изделия атомами аргона вызывает структурные изменения в слое нанесенного металла и металле, составляющем основу изделия, сопровождающиеся образованием микродефектов, вакансий и дислокаций. При этом происходит направленная ламинарная диффузия дефектов совместно с ионами материала основы или покрытия под действием электронных импульсов, возникающих при протекании тока через изделие. Такие структурные изменения способствуют ускоренному перемещению как ионов металла покрытия вглубь основы металла, так и обратного процесса. Таким образом, за короткий промежуток времени формируется диффузионный слой достаточной глубины, обеспечивающий высокую прочность сцепления основного покрытия с основой обрабатываемого изделия. Кроме того, происходит аннигиляции дефектов на границах зерен, слоев, пор в слое материала покрытия, торможение в этих местах ионов материала покрытия и основы, это способствует зарастанию границ слоев, срастанию зерен, удалению пор. В результате получаемые покрытия отличаются высокой плотностью, имеют высокое качество. Производительность процесса резко возрастает. Предлагаемый способ получения покрытий осуществляется следующим образом. Пример 1. На внешней и внутренней поверхности трубы из углеродистой стали Ст3, диаметром 3/4" при толщине стенки 2,5мм методом контактной металлизации формируют слой покрытия из меди. Для этого используют 12% раствор сернокислой меди. Толщина покрытия составляет 50мкм. Затем трубу с нанесенным на ее поверхности пористым слоем меди помещают в ионно-плазменную установку, в которой предусмотрены нагреватели сопротивления для нагрева трубы. Нагрев трубы производят до температуры 1050°C. Одновременно на поверхность нагретой трубы воздействуют плазмой объемного несамостоятельного разряда. Для этого возбуждают разряд между обрабатываемой трубой, на которую подают отрицательный потенциал величиной в 1000В, и цилиндрическим графитовым электродом, внутри которого находится труба. В качестве плазмообразующего и защитного газа используют аргон при его расходе 0,2м 3/час. Плотность разряда в прикатодной области достигает 2А/м 2. В процессе термодиффузионного отжига осуществляют вращательно-поступательное движение трубы с линейной скоростью 12м/час и угловой скоростью 2об/мин. Общее время обработки трубы длиной 12 метров равно 30мин. Получено медное покрытие толщиной 30мкм при толщине промежуточного диффузионного слоя на внешней поверхности трубы равной 20мкм и внутренней - 10мкм. Испытания труб для коммунального хозяйства в водопроводной воде в течение 576 часов (по методике согласно ГОСТ 9.905 - 82) показали, что они имеют очень низкий показатель коррозии. Коэффициент проницаемости равен 0,03г/м 2 × час. Стр уктура диффузионного переходного слоя представляет собой твердые растворы меди в a-железа. Скорость диффузии меди в основу металлической трубы составляет 40мкм/час. Пример 2. На внешней и внутренней поверхности трубы из стали 3, диаметром 3/4" при толщине стенки 2,5 методом плазменного напыления формируют пористый слой хрома толщиной 180мкм. Затем трубу с нанесенным на ее поверхности пористым слоем хрома и помещают в ионно-плазменную установку, в которой предусмотрены нагреватели сопротивления для нагрева трубы. Нагрев трубы производят до температуры 1100°C. Одновременно на поверхность нагретой трубы воздействуют плазмой объемного несамостоятельного разряда. Для этого возбуждают разряд между обрабатываемой трубой, на которую подают отрицательный потенциал величиной 1500В, и цилиндрическим графитовым электродом, внутри которого установлена труба. В качестве плазмообразующего и защитного газа используют аргон при его расходе 0,2м 3/час. Плотность разряда в прикатодной области достигает 2А/м 2. В процессе термодиффузионного отжига осуществляют вра щательно-поступательное движение трубы с линейнойскоростью 12м/час и угловой скоростью 0,2об/мин. Общее время обработки равно 30мин. Получено хромистое покрытие на внешней и внутренней поверхности трубы толщиной 150мкм при величине диффузионного слоя на внешней поверхности трубы, равной 120мкм и на внутренней поверхности - 100мкм. Структура диффузионного слоя представляет собой твердые растворы хрома в a-железе. Полученные хромистые покрытия обладают высокой твердостью - 50кг/кг/нм 2, а испытание на коррозионную стойкость в 5% соляной кислоте в течение 6 часов с добавлением тиомочевины в количестве 2г/л HCl показали, что значение коэффициента проникновения равно 15г/м 2 × час. Скорость диффузии хрома в основу металлической трубы составила 240мкм/час. Пример 3. На поверхность полосы из листовой стали 3 толщиной листа 3,5мм, шириной 1000мм методом контактной металлизации формируют слой медного покрытия. Для этого используют 12% раствор сернокислой меди. Толщина медного покрытия составляет 50мкм. Затем лист с нанесенным на ее поверхность пористым слоем меди помещают в ионноплазменную установку, в которой предусмотрены нагревали сопротивления для нагрева листа до 1050°C. Одновременно на нагретую поверхность листа воздействуют плазмой объемного несамостоятельного разряда. Для этого разряд возбуждают между металлическим листом, на который подают отрицательный потенциал величиной в 1000В, и графитовым плоским электродом, установленным параллельно обрабатываемому листу. В качестве плазмообразующего и защитного газа используют аргон при его расходе 0,5м 3/час. Плотность разряда в прикатодной области достигает 1,5А/м 2. В процессе термодиффузионного отжига осуществляют поступательное движение листа относительно графитового электрода со скоростью 12м/час. Общее время обработки листа составляет 30мин. Получено медное покрытие толщиной 30мкм при толщине промежуточного диффузионного слоя, равным 20мкм. Испытания образцов на коррозионную стойкость по методике ГОСТ 9.906 - 82 показали значения коэффициента проницаемости равной 0,027г/м 2 × час. Структура диффузионного слоя представляет собой твердые растворы меди в aжелезе. Скорость диффузии меди в основу металлической полосы составляет 40мкм/час. Приме р4. Для получения сравнительных данных был осуществлен способ получения покрытий на металлической трубе из стали, со гласно известного способа, принятого за прототип. Для этого на внутреннюю и внешнюю поверхность трубы из углеродистой стали Ст3, диаметром 3/4" при толщине 2,5мм методом контактной металлизации формировали слой медного покрытия. При этом использовали 12% раствор сернокислой меди, толщина медного покрытия составила 50мкм. Диффузионный отжиг осуществляли на стандартном оборудовании - в подовой печи в атмосфере природного газа при процентном содержании его в атмосфере печи 40%. Нагрев трубы производили до температуры 1000°C в течение 2 часов. Получено медное покрытие толщиной 30мкм при толщине диффузионного слоя 4мкм. Покрытия неплотные при незначительном механическом изгибе наблюдается скалывание покрытия. Испытания образцов по методике ГОСТ 9.905 - 82 на коррозионную стойкость показали высокое значение коэффициента проницаемости, равной 0,08г/м 2 × час (при значении данного коэффициента для образцов без покрытия равном 6,11г/м 2 × час). Скорость диффузии меди в основу металлической трубы составляет 2мкм/час. Анализ полученных данных по примерам 1 - 4 показал, что при использовании предлагаемого способа по сравнению с прототипом, обеспечивается повышение качества покрытия, в частности коррозионная стойкость идентичных обработанных труб с медным покрытием из стали 3 повышается в 3 раза. Скорость диффузии при нанесении медного покрытия увеличивается в 20 раз пропорционально и увеличивается производительность процесса. Кроме того, осуществление способа в непрерывном режиме позволит автоматизировать процесс нанесения покрытия на длинномерные изделия. Проведены также аналогичные испытания по нанесению на поверхность длинномерного изделия из легированной стали медного покрытия, а также покрытий из алюминия и други х металлов согласно предлагаемому способу. Полученные результаты подтверждают приведенные данные.