Спосіб герметизації контейнерів при хіміко-термічній обробці металевих виробів

Спосіб герметизації контейнерів при ХІМІКО термічній обробці металевих виробів, що включає упакування виробу в контейнер із засипанням над виробом насичуючої суміші, и ІЗОЛЯЦІЮ термостійкою прокладкою (металевою чи азбестовою) із наступним розміщенням на ній шару герметизуючого порошку карбіду кремнію (SiC), який відрізняється тим, що перед засипанням порошку карбіду кремнію його додатково змішують із порошком оксиду алюмінію (АЬОз) при наступному співвідношенні компонентів (% мас) оксид алюмінію (АЬОз) 20-50 карбід кремнію ( SiC) 50-80 Винахід відноситься до області металурги, а саме до ХТО металів, яка широко застосовується в промисловості для підвищення експлуатаційних властивостей виробів Відомий спосіб герметизації тиглів з порошковою сумішшю плавкими затворами У якості плавких затворів застосовують натросилікатне чи боросилікатне скло, що плавиться при температурі 750 - 800°С На практиці широке застосування одержало натросилікатне скло (за ДСТУ 917-41силікатна брила), до складу якого входить 72% SiO2, 27% Na2O і 1% CaSi3 і Fe2O3+AI2O3 При нагріванні тиглів до температури вище 800°С натросилікатне скло розплавляється і герметизує тигель Після охолодження тиглів із насичуючими сумішами застиглий силікат розбивають механічним шляхом (А Н Минкевич ХІМІКОтермічна обробка металів і сплавів - М Машинобудування, 1965- 490с, на стор185) Недоліком такого способу є недостатньо висока герметизація, крім того, складність розбору контейнера, неможливість застосування для низькотемпературних дифузійних процесів (при температурі нижче 800°С) Його застосування приводить до забруднення робочого простору печей і виходу з ладу нагрівачів, тому що натросилікатне скло перед плавленням розтріскується і, потрапляючи на нагрівачі, прискорює їхнє окислювання 20% по масі), зварювального флюсу (ЗО - 50%) і натросилікатного скла (40 - 50%) (А с СРСР №737499, МКИ 323, Б И №20, 1980р) Недоліком зазначеного способу є велика втрата насичуючої порошкової суміші трудомісткість розбирання тиглів і велика витрата насичуючої порошкової суміші Відомий спосіб герметизації контейнера, що включає пошарове засипання жолоба плавкого затвора кварцовим піском і натро- чи боросилікатним склом, а зовнішню частину жолоба плавкого затвора заповнюють рідким склом ЩІЛЬНІСТЮ 1,46 1,50г/см3 (Ас СРСР №692908, МКИ 323, Б И №39, 1979р) Недоліком зазначеного способу є складність вилучення деталей після ХТО Відомий спосіб герметизації тиглів, при якому герметизацію здійснюють складом, що містить борний ангідрид (40 - 60% по масі) і окис свинцю (40 - 60%) (А с СРСР №889738, МКИ 323, Б И №46, 1981 р ) Недоліком зазначеного способу є недостатня герметичність тиглів при ХТО Найбільш близьким по технічній сутності і результату, що досягається, є спосіб герметизації контейнерів для дифузійного насичення сталей і сплавів із застосуванням порошку карбіду кремнію Вироби, упаковані в контейнері в звичайному порядку, засипають шаром насичуючої суміші товщиною 20 - 30мм, а потім шаром карбіду кремнію 10 - 30мм Щоб порошки не змішувалися, між ними Відомий спосіб герметизації контейнера з використанням плавкого затвора, що складається пошарове з відпрацьованого карбюризатора (10 00 ю 54844 прокладають тонкий лист заліза (сталі) Карбід кремнію можна використовувати багаторазово (Хіміко-термічна обробка металів і сплавів Довідник Під ред Л С Ляховича - М Металургія, 1981, - 424с на стор 85, другий абзац зверху) Цей спосіб взято за прототип Недоліком зазначеного способу є недостатня технологічність процесу ХТО в порошкових середовищах, а саме етап розпакування контейнера, тому що спостерігається припікання карбіду кремнію до стінок контейнера В основу винаходу поставлено задачу удосконалити спосіб герметизації тиглів (Хіміко-термічна обробка металів і сплавів Довідник Під ред Л С Ляховича - М Металургія, 1981, - 424с на стор 85) шляхом додаткового змішування герметизуючого порошку карбіду кремнію з порошком оксиду алюмінію (АЬОз) дісперсністю 20 - 40мкм, що забезпечує підвищення технологічності процесів ХТО при дифузійному насиченні з порошкових сумішей в інтервалі температур 500 - 1200°С Поставлена задача досягається тим що, в способі герметизації контейнерів при ХІМІКОтермічній обробці металевих виробів, що включає упакування виробу в контейнер із засипанням насичуючої суміші над виробом і наступним засипанням шару герметизуючого порошку карбіду кремнію, відділеного від шару насичуючої суміші термостійкою (азбестовою чи металевою) прокладкою, новим є те, що перед засипанням герметизуючого порошку карбіду кремнію його додатково змішують із порошком оксиду алюмінію (АЬОз) при наступному співвідношенню компонентів (% мас ) оксид алюмінію (АЬОз) 20 - 50 карбід кремнію (SiC) 50 - 80 Приклади про технологічний стан герметизуючого затвору в залежності від КІЛЬКІСНОГО співвідношення інгредієнтів у герметизуючій суміші при різних способах і режимах хіміко-термічної обробки зведено у таблицю Спосіб герметизації контейнерів для ХТО сталей і сплавів включає засипку упакованого виробу в контейнер сумішшю насичуючих порошків товщиною 20 - 30мм над виробом (склад насичуючих порошкових сумішей залежить від виду ХТО) і наступною засипкою шару суміші герметизуючого порошку карбіду кремнію (50 - 80мас %) із оксидом алюмінію (20 - 50мас %), відділеного від шару насичуючої суміші термостійкою (азбестовою чи металевою) прокладкою При цьому товщина шару герметизуючого порошку, що насипаний на термостійку прокладку, складає 20 - 30мм Спостерігається найкраще забезпечення технологічності процесів ХТО при застосуванні для герметизуючої суміші порошків дисперсністю 20 - 40мкм та при товщині шару не менше 20мм Введення оксиду алюмінію дозволяє запобігти припікання карбіду кремнію до внутрішніх стінок контейнера і формуванню на поверхні герметизуючої суміші спеченої порошкової коринки, а також спростити етап розпакування контейнера Цей ефект забезпечується за рахунок більш високої окалиностійкости АЬОз у порівнянні з карбідом кремнію 3 підвищенням температури оксид алюмінію не окислюється, а карбід кремнію взаємодіє з киснем і утворює оксиди, що приводять до спікання поверхні порошку При створенні герметизуючого шару товщиною менш 20мм, як видно із таблиці (приклади із товщиною шару затвору 10 15мм) і дисперсністю порошків більше 40мкм (приклади із дисперсністю порошків 50 - бОмкм) не забезпечується достатня герметичність контейнера через проникнення кисню повітря крізь порошкову герметизуючу суміш до насичуючої поверхні виробів, і спостерігається незначне окислення поверхні дифузійного шару зразків, що проходять ХТО (приклади при хромуванні сталі 45, при боруванні сталі У8, та алітуванні Бр А10) При використанні порошків герметизуючого затвору дисперсністю 5 15мкм спостерігається формування коринки на поверхні герметизуючої суміші та часткове припікання герметизуючого порошку до внутрішніх стінок контейнера (приклади із дисперсністю порошку герметизуючого затвору 5 - 15мкм) Таблиця Технологічний стан герметизуючого затвора в залежності від КІЛЬКІСНОГО співвідношення інгредієнтів у герметизуючій суміші при ХТО Вміст компонентів у Характеристики герметизуючогерметизуючій суміго затвора ші, мас % Товщина дифуВид ХТО, склад, зійного шару, мас% мкм Дисперсність поSiC Товщина, мм АІ2О3 рошка, мкм 1 Хромування Сталь 45 50% Сг, 49% 2 прототип 20 50 ЗО 3 4 5 6 100 80 50 70 20-40 20-40 20-40 20-40 50 40-50 30-40 20-30 12-16 15-17 15-17 15-17 Стан герметизуючої суміші формування коринки і припікання до внутрішньої стінки контейнера 7 є немає немає немає 54844 Таблиця (продовження) 1 2 3 4 АІ2Оз, 1% NH4CI, 5 10 5-15 60 40 20-40 10-15 10 прототип 90 20-40 20-30 15-17 12-14 незначне окислення 12-14 незначне окислення 15-17 50-60 20-40 50 100 Борування Сталь У8 98% карбіду бора, 2% АІ 2 О 3 , і =4ч, Т=925°С Алітування БрАЮ 50% FeAl, 48% АІ2О3, 2% NH4CI ^=2ч, Т=750°С Відпал Сталь 38ХМЮ А, 20-40 5-15 40 20 ^=2ч, Т=1200°С ЗО 10-30 7 100 і =6ч, Т=1050°С 20-30 6 15-17 незначне окис- немає лення 70 50-60 10-15 є є немає немає частково 110 немає 110 частково 100 незначне окис- немає лення прототип 20-40 20-40 5-15 прототип ЗО 10-15 20-40 50 20-40 ЗО 20-40 20-40 50-60 50 20-40 5-15 10-15 50-60 10-15 85 є 100 70 100 70 Введення АІ2ОЗ у герметизуючу суміш у зазначених межах (20 - 50%мас) та використання порошку дисперсністю 20 - 40мкм при загальний товщині шару не менше 20мм дозволяє запобігти окислення поверхні зразків, що проходять ХТО, цілком усунути спікання поверхні герметизуючого шару, за рахунок цього забезпечується спрощення технології процесу, зменшується трудомісткість, поліпшується екологія навколишнього середовища і санітарні умови на робочій ДІЛЯНЦІ ХТО Карборунд Si - з'єднання кремнію з вуглецем Утворює дві поліморфні модифікації кубічну (U-Si) зі структурою типу алмаза (а=4,3596А), у якій половина атомів вуглецю заміщена атомами кремнію, і гексагональну (a-Si) зі структурою шаруватого типу При температурі вище 2000°С кубічна система монотропно переходить у гексагональну, для якої характерний прояв политипізма Осередок a-Si має параметри а=Ь=3,078А і з=2,518А'П, де п - число шарів у гексагональному осередку політипу Відомо більш 50 ПОЛІТИПІВ з КІЛЬКІСТЮ шарів від 200 до 500 Технічний карборунд має 100 немає 100 частково 100 незначне окис- немає лення немає окислення немає окислення немає окислення незначне окислення є немає частково немає вигляд кристалічних зростків, що складаються з кристалів гексагональної пластинчастої форми площею 0,2 - 1,0см2 Двійникування в пластинчастих кристалах може здійснюватися по лінії зрощення, паралельної ребру (110) гексагональної грані основи Карборунд у чистому вигляді - безбарвний кристал з алмазним блиском, карборунд технічний - зеленого чи синього кольору У природі карборунд зустрічається вкрай рідко Карборунд відрізняється високою твердістю, теплопровідністю, вогнетривкістю, специфічними і напівпровідниковими властивостями, стійок до ХІМІЧНОГО впливу (на нього діє тільки суміш азотної і плавикової кислот, а також фосфорна кислота при температурі 230°С) У промислових масштабах карборунд виробляють відновленням кремнозема вуглецем в електричних печах опору при температурі 2200 2500°С Великі монокристали одержують конденсацією пари карборунду, синтезом з газоподібних з'єднань, що містять кремній і вуглець, і кристалізацією з металевих розплавів, що розплавляють карборунд Методами керамічної технології і по 54844 рошкової металургії з карборунду виготовляють різноманітні полікристалічні матеріали ВІДОМІ пористі матеріали, у яких зерна карборунду зцементовані кремнеземистими, глиноземистими і нітридокремнієвими зв'язками Безпористі полікристалічні матеріали на основі карборунду одержують гарячим пресуванням чи реакційним спіканням Ці матеріали відрізняються від пористих більш високими механічними властивостями, тепло- і електропровідністю, ХІМІЧНОЮ СТІЙКІСТЮ На великих пластинчастих монокристалах карборунду з низькою концентрацією домішок і дефектів можливе створення p-n-переходів, що дозволяє використовувати їх у напівпровідниковій техніці для виготовлення транзисторів, стійких до температури 400 - 500°С, і електролюмінесцентних приладів Нитковидні кристали карборунду, що відзначаються високими механічними властивостями, застосовують для армування металевих і полімерних композиційних матеріалів на зв'язках виготовляють абразивний інструмент, вогнетривкі матеріали, вироби електротехнічного призначення Безпористі матеріали на основі карборунду застосовують як спеціальні вогнетриви, високотемпературні нагрівачі, електроди магнітогідродинамічних генераторів, торцевих ущільнень, а також у ХІМІЧНІЙ І целюлозне-паперовій промисловості для виготовлення виробів, що піддаються інтенсивному корозійному й абразивному впливу (Енциклопедія неорганічних матеріалів/Під ред Федорченко Й М - К Вища школа, 1977 -Томі, с 546) Оксид алюмінію АІ2ОЗ - з'єднання алюмінію з киснем, складова частина алюмомістких мінералів-бокситів і ін Розрізняють СТІЙКІ і нестійкі (проміжні) модифікації окису, а також и гидратовані (водяні) форми До стійкого відносяться модифікації а-АІ2ОЗ і Y-AI2O3 Модифікація а-АІ2ОЗ кристалізується в гексагональній системі Показники переломлення пе=1,767, по=1,759, твердість по Моосу 9, ЩІЛЬНІСТЬ 3,95 - 4,02г/см3, tnn=2050°3, tKHn~2980°3, теплота утворення ДН°298=400ккал/моль, залежність мол теплоємності від температури зр=23,86+0,006731:ккал/мольтрад (для температури 100 - 1400°С) Модифікація уАІ2ОЗ у природі не зустрічається, її одержують нагріванням гідроокисів алюмінію до температури 500 - 900°3 чи розкладанням солей алюмінію Структура і властивості модифікації залежать від умов одержання Відрізняється великою дисперсністю ЩІЛЬНІСТЬ 3,2Г/СМ3, показник переломлення 8 пср=1,69 Характеризується неврівноваженим станом кристалічної ґратки, ХІМІЧНО активна, легко адсорбує водяну пару Адсорбція водяної пари супроводжується виділенням тепла і зниженням показника переломлення до 1,609 При нагріванні до температури 900 - 950°С нерівновісність структури слабшає, спостерігається укрупнення кристалів і зниження адсорбційної активності, ЩІЛЬНІСТЬ збільшується до 3,5 - 3,77, показник переломлення до 1,686 При температурі 950 - 1200°С відбувається необоротний перехід у модифікацію а-АІ2ОЗ зі скороченням об'єму на 14,3% До нестійких відносяться модифікації п, X (кубічна система з періодом осередку 7.94А), 5, Э, і х (ромбічна чи тригональна система), до гидраторованих форм відносяться гидрарплліт (гиббсит) - АІ(ОН)3, байерит - АІ(ОН)3, діаспора-альфа-модифікація неповного гідроокису алюмінію АЮОН і бемит-гаммамодифікація АЮОН Окис і гідроокиси алюмінію нерозчинні у воді, мають амфотерні властивості взаємодіють з лугами і кислотами Однак їх основні й особливо кислотні властивості виражені слабко У надлишку NH4OH не розчиняються При нагріванні до температури 1000°С окис алюмінію реагує з їдкими і вуглекислими лугами, утворює розчинні у воді алюмінати, при температурі 1200 1600°С реагує з багатьма окисами II й III груп періодичної системи (Енциклопедія неорганічних матеріалів / Під ред Федорченко Й М - К Вища школа, 1977 -Том 2, с 105) У запропонованому способі герметизації контейнерів роль АІ2ОЗ зводиться до запобігання спікання герметизуючого порошку карбіду кремнію, а, отже, до забезпечення технологічності процесу герметизації тиглів у зазначеному інтервалі температур При нагріванні запропонованої герметизуючої суміші добавка АІ2ОЗ до карбіду кремнію запобігає його спіканню і забезпечує надійну герметичність реакційного простору при ХТО при дисперсності герметизуючих порошків 20 - 40мкм Запропонована герметизуюча суміш може багаторазово використовуватися і дозволяє проводити різні види ХТО, а також без окисного відпалу сталей у широкому інтервалі температур (500 1200°С) Запропоноване технічне рішення, у порівнянні з прототипом, дозволяє досягти високої технологічності способу за рахунок легкості видалення герметизуючої суміші з тиглів при різних видах ХТО Підписано до друку 03 04 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24