Спосіб алітування виробів з аустенітних сталей

1. Спосіб алітування виробів з аустенітних сталей, що включає занурення виробів у розплав алюмінієвого сплаву, який містить залізо, та витримку виробів у розплаві протягом 45-90 хвилин при температурі 800 С, який відрізняється тим, що після витримки у розплаві вироби виймають з розплаву та миттєво звільняють їх поверхню від 3 містить залізо в кількості 6-8 %, та витримку виробів у розплаві протягом 45-90 хвилин при температурі 700-800 °C, технологічний процес якого описаний в підручниках по матеріалознавству (Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. М: Машиностроение.-1978.-510с; Дубинин Г. Н. Прогрессивные методы химико-термической обработки. М.: Металлургия.-1964.-325с). Спосіб дозволяє створити на поверхні стальних деталей алітований дифузійний шар товщиною 700-1200 мкм і за рахунок цього підвищити їх зносостійкість і корозійну стійкість, а при підвищених температурах, в результаті утворення захисної суцільної і щільної плівки оксиду алюмінію (Аl2О3), покращити жаростійкість і окалиностійкість нержавіючих сталей. Однак, як показали дослідження, алітування сталей аустенітного класу (08 × 18Н10Т) у розплаві алюмінію при температурі 800 °C з витримкою більше 45 хвилин призводить до інтенсивного розчинення стальних пластин з утворенням на поверхні "корозійних канавок"; а сама поверхня в результаті налипання рідкого алюмінію характеризується значною шороховатістю з наявністю приливок. Тому даний спосіб нераціонально використовувати при алітуванні деталей з аустенітної сталі з метою зниження розчинення стальної матриці і покращення якості алітованої поверхні стальних виробів, особливо з складною геометричною конфігурацією. В основу корисної моделі поставлено задачу розробити спосіб алітування виробів з аустенітних сталей з метою зниження розчинення стальної матриці і підвищення якості алітованої поверхні за рахунок того, що вироби, після витримки їх протягом 45 хвилин при температурі 800 °C у розплаві, який додатково містить 2,2-3,0 % хрому, 2,5-3,0 % нікелю та 4,0-6,0 % кремнію, при вмісті заліза в ньому 6,0-9,0 %, виймають з розплаву і миттєво звільняють їх поверхню від залишків розплаву. Причому звільнення поверхні від залишків алюмінієвого сплаву виробів циліндричної форми проводять їх круговим обертанням зі швидкістю 300350 об/хв. протягом 10-15 с, а звільнення поверхні від залишків алюмінієвого сплаву виробів несиметричної форми проводять обдуванням виробу потоком повітря, нагрітим до температури 500600 °C, під тиском 0,4-0,6 МПа. Поставлена задача вирішується тим, що в способі алітування виробів з аустенітних сталей, який включає занурення виробів у розплав алюмінієвого сплаву, який містить залізо, та витримку виробів у розплаві протягом 45-90 хвилин при температурі 800 °C, новим є те, що після витримки протягом 45 хвилин при температурі 800 °C у розплаві, який додатково містить 2,2-3,0 % хрому, 2,53,0 % нікелю та 4,0-6,0 % кремнію, при вмісті заліза в ньому 6,0-9,0 %, вироби виймають з розплаву та миттєво звільняють їх поверхню від залишків розплаву. Новим є також те, що звільнення поверхні від залишків алюмінієвого сплаву виробів циліндричної форми проводять їх круговим обертанням зі швидкістю 300-350 об/хв. протягом 10-15 с; а звільнення поверхні від залишків алюмінієвого сплаву виробів несиметричної форми проводять 61649 4 обдуванням виробу потоком повітря, нагрітим до температури 500-600 °C, під тиском 0,4-0,6 МПа. Технічний результат досягається за рахунок зменшення розчинення стальної матриці аустенітної сталі у запропонованому розплаві алюмінію, що проявляється у зменшенні концентрації алюмінію у помежованій зоні дифузійного шару і стальної пластини, у відсутності "корозійних канавок", і незначному збільшенні заліза, хрому і нікелю на поверхні алітованого дифузійного шару товщиною 600-800 мкм, що при вмісті в ньому кремнію до 6 % забезпечує надійне з'єднання останнього з алюмінієвим сплавом системи Al-Si-Cu-Mg, що використовується в якості захисної бар'єрної оболонки ємностей зберігання водню. Крім того, застосування для алітованих виробів циліндричної форми після їх видалення із розплаву кругового обертання зі швидкістю 300-350 об/хв. протягом 10-15 с або обдування за вказаний проміжок часу потоком повітря, нагрітим до температури 500-600 °C, під тиском 0,4-0,6 МПа, для алітованих деталей несиметричної форми призводить до рівномірного суцільного формування дифузійного шару без суттєвих виступів і приливок по всьому периметру поверхні стальних виробів. Це, особливо, важливо у випадку нанесення захисної бар'єрної оболонки на алітований дифузійний шар внутрішніх стінок ємностей зберігання газоподібного водню. У корисній моделі, що заявляється, алітування поверхні сталі аустенітного класу проводилось наступним чином. В першому варіанті в електричній печі опору СШОЛ 11,6/12-М3 у керамічному тиглі готовилось 2 кг алюмінієвого сплаву з вмістом заліза 6 % для алітування пластин аустенітної сталі 08 × 18Н10Т. При доведенні температури розплаву до 800 °C стальна пластина опускалась у рідкий метал і підвішувалась на стальній нитці. Після 45-хвилинної витримки вона видалялась з розплаву, охолоджувалась і піддавалась огляду на наявність "корозійних канавок" і приливок на поверхні алітованого дифузійного шару, а також фізико-хімічному аналізу алітованої поверхні щодо концентрації в ній алюмінію, заліза, хрому, нікелю і кремнію та визначенню товщини дифузійного шару. В другому варіанті в електричній печі опору СШОЛ 11,6/12-М3 у керамічному тиглі готовилось 2 кг алюмінієвого сплаву, до складу якого входило 9 % заліза, 2,5 % хрому, 2,5 % нікелю та 6 % кремнію. При досягненні температури розплаву до 800 °C стальна пластина занурювалась у розплав і витримувалась в ньому протягом 45 хвилин. Потім видалялась з розплаву, хвостовик пластини поміщався в патрон дрилі і алітована пластина миттєво піддавалась круговому обертанню зі швидкістю 300-350 об/хв. протягом 10-15 с Після охолодження пластини на повітрі проводився візуальний огляд алітованої поверхні і її фізико-хімічний аналіз подібно першому варіанту. Якість поверхні алітованої пластини з визначенням "корозійних канавок" контролювали візуальним способом при п'ятикратному збільшенні об'єкта дослідження. Концентрацію елементів у дифузійному шарі як у помежованій зоні, так і на поверхні визначали за допомогою системи кількісного емісійного спектрального аналізу МФС-8, згі 5 61649 дно з ГОСТ7727-81. Товщину дифузійного шару визначали з допомогою оптичних мікроскопів МИМ-7 та "Неофот-21" на торці пластини після зняття на ньому алітованого дифузійного шару. В табл. 1 наведені результати дослідження якості поверхні алітованої пластини нержавіючої сталі 08 × 18Н10Т аустенітного класу (наявність "корозійних канавок" і приливок, ступінь шороховатості поверхні дифузійного шару), товщини дифузійного шару, концентрації алюмінію в помежованій зоні дифузійного шару та концентрації заліза, хрому, нікелю і кремнію на поверхні алітованої пластини як після алітування запропонованим способом, так і після дифузійної металізації згідно 6 способу-найближчого аналогу, який включає занурення виробів у розплав алюмінієвого сплаву, який містить залізо, та витримку виробів у розплаві протягом 45-90 хвилин при температурі 800 °C. Аналізуючи дані табл. 1 можна констатувати наступне: а) при застосуванні запропонованого способу алітування поверхні пластин з аустенітної сталі якість поверхні дифузійного шару значно покращується, насамперед, за рахунок зменшення розчинення стальної матриці у розплаві алюмінію, що проявляється у зменшенні концентрації алюмінію у помежованій зоні дифузійного шару і стальної пластини, та у відмінності Табл. 1 Порівняльна характеристика фізико-хімічних властивостей алітованої поверхні аустенітної сталі марки 08 × 18Н10Т при різних способах алітування № п/п 1 2 Спосіб алітування Характеристика способу алітування Сплав для алітування -6 % Fe, Спосібост. Аl; темперанайближчий тура алітування аналог -800 °C; час алітування -45 хвилин. Сплав для алітування -9 % Fe, 2,5 % Сr, 2,5 % Ni, Спосіб, що 6 % Si, пропонується ост. Al; температура алітування -800 °C; час алітування -45 хвилин. швидкість обертання деталі, об/хв. Час обертання деталі, с Концентрація алюмінію в помежованій зоні дифузійного шару і стальної пластини, % Концентрація Наявність Fe, Сr, Ni, Si Товщина корозійних Якість поверхні на поверхні дифузійного канавок на агітованої пласдифузійного шару, мкм поверхні тини шару, % деталі, шт. 28 14 % Fe, 10 % Сr, 6 % Ni, 0,25 % Si, ост. Al. 22 9,2 % Fe, 2,8 % Cr, 2,8 % Ni, 5,8 % Si, ост. Al. 600-1200 Чотири корозійні канавки на поверхні пластини Нерівномірність формування дифузійного шару з наявністю приливок у нижній частині пластини Корозійні канавки відсутні Рівномірне формування дифузійного шару без приливок. Мінімальна шороховатість поверхні при 350 об/хв. 300 320 10-15 350 хімічного складу сплаву, який використовувався в якості середовища для алітування. При дотриманні технологічних параметрів процесу алітування на поверхні стальних пластин утворення "корозійних канавок" не відбувається. б) застосування кругового обертання пластин зі швидкістю 300-350 об/хв. протягом 10-15 с, безпосередньо при видаленні її із розплаву, призводить до подальшого покращення алітованої поверхні пластин, що проявляється у формуванні дифузійного шару без приливок. Мінімальна шороховатість поверхні спостерігається при швидкості обертання пластини 350 об/хв. При цьому товщина дифузійного шару по всій площі коливається в межах 600-700 мкм. в) таку зміну фізико-хімічних властивостей алітованої поверхні пластин з аустенітної сталі, насамперед, можна пояснити тим, що в запропонованім способі алітування використовується алюмінієвий сплав з підвищеним вмістом заліза, хрому, нікелю і кремнію, а це, в свою чергу, призводить до уповільнення процесу дифузії цих ато800 °C. 600-700 мів зі стальної пластини і навпаки атомів алюмінію у стальну пластину при її короткочасній витримці у розплаві. При круговому обертанні пластини зі швидкістю 300-350 об/хв. на короткому проміжку часу за рахунок дії відцентрових сил відбувається відривання масивних скупчень рідкого металу (крапель) від поверхні стальної пластини, що сприяє формуванню рівномірного дифузійного шару товщиною 600-700 мкм без виступів і приливок. З метою покращення якості алітованої поверхні виробів несиметричної форми з більш складною конфігурацією з нержавіючої сталі аустенітного класу в третьому варіанті після видалення пластини із розплаву запропонованого хімічного складу вона піддавалась обдуванню нагрітим повітрям до температури 500-600 °C при тиску 0,4-0,6 МПа за короткий проміжок часу (10-15 с), шляхом витіснення порції нагрітого повітря з трьохступінчатої трубчатої печі опору, футеровка якої попередньо нагрівалась до температури 700 7 61649 8 Табл. 2 Результати досліджень фізико-хімічних властивостей алітованої поверхні аустенітної сталі марки 08 × 18Н10Т при різних способах алітування № п/п 1 Характеристика Спосіб алітуспособу алітування вання Спосібпрототип Концентрація алюмінію в Тиск помежованій Температура потоку зоні дифуповітря, °C повітря, зійного шару МПа і стальної пластини, % Сплав для алітування -6 % Fe, ост. Аl; температура алітування 800 °C; час алітування -45 хвилин. 2 350 500 Сплав для алітування -9 % Fe, 2,5 % Сr, 2,5 %Ni, 6 % Si, Спосіб, що ост. Al; темпепропонується ратура алітування -800 °C; час алітування -45 хвилин. Якість поверхні агітованої пластини Чотири корозійні канавки на поверхні пластини Нерівномірність формування дифузійного шару з наявністю приливок у нижній частині пластини Корозійні канавки відсутні При 350 °C-у нижній частині пластини приливки. При 500600 °C - рівномірне формування поверхні дифузійного шару без приливок. Мінімальна шороховатість при 600 °C і тиску 0,6 МПа 0,4 0,5 9,3 % Fe, 2,8 % Cr, 2,6 % Ni, 5,6 % Si, ост. All. 22,5 600 0,6 В табл. 2 наведені результати дослідження фізико-хімічних властивостей поверхні пластини з аустенітної сталі, що пройшла алітування, як після запропонованого способу (змодельованого для деталей несиметричної форми), так і після дифузійної металізації згідно способу-прототипу, який включає занурення виробів у розплав алюмінієвого сплаву, який містить залізо, та витримку їх у розплаві протягом 45-90 хвилин при температурі 800 °C. Аналіз даних, наведених у табл. 2, вказує на те, що при застосуванні запропонованого сплаву для алітування стальної поверхні на пластині з аустенітної сталі утворення "корозійних канавок" не відбувається, оскільки процес розчинення стальної матриці у розплаві суттєво гальмується, що підтверджується незначною зміною концентрації елементів на поверхні дифузійного шару в порівнянні з хімічним складом запропонованого сплаву Комп’ютерна верстка І.Скворцова Наявність корозійних Товщина канавок дифузійного на повершару, мкм хні деталі, шт. 14 % Fe, 10 % Сr, 6 % Ni, 0,25 % Si, ост. Al. 28 Концентрація Fe, Cr, Ni, Si на поверхні дифузійного шару, % 600-1200 700-800 для алітування та зниженням концентрації алюмінію на межі поділу дифузійного шару і стальної пластини. Застосування обдування виробів нагрітим повітрям при тиску 0,4-0,6 МПа протягом короткого проміжку часу сприяє рівномірному формуванню дифузійного шару товщиною 700-800 мкм, оскільки потік гарячого повітря розмиває рідкий алюміній по поверхні алітованої пластини, видаляє масивні налипання рідкого металу. Застосування в технологічному процесі більш високих температур і тиску повітря є економічно невигідним, оскільки це пов'язано з технічними труднощами і матеріальними статками. Таким чином, запропонований спосіб алітування дозволить сформувати надійний дифузійний шар товщиною 600-800мкм на поверхні виробів, покращити їх характеристики, а також якість поверхні дифузійного шару, що важливо при створенні біметалевих балонів для зберігання водню. Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601