Состав для комплексного диффузионного насыщения стальных изделий

9) 01) 5,С 23 С 10 52 РЕТЕНИЯ СТВУ и остав елин,ногоистый Цель из ых свойстетекия - по вь покрытия за с ение защит ет повышения его качстойкости ества и о зионноие высокоскоростном по ой воздушной п толщины диффуз температур сохранении змы п н слоя.Изв ды хро пы,. ал вещест ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ И К АВТОРСКОМУ СВИДЕ(56) Авторское свидетельство СССРВ 901344, кл. С 23 С 10/52, 1982.(54) СОСТАВ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ДИффУЗИОННОГО НАСЬЩЕНИЯ СТАЛЬН 11 Х ИЗДЕЛИЙ .(57) Изобретение относится к металлургии, а именно к нанесению теплозащитных покрытий на изделия, кратковременно работающие в скоростном потоке высокотемпературной воздушнойплазмы, и может быть использовано ваэрокосмической, энергетической идругих областях техники. Цель изобретения - повышение защитных свойств покрытия за счет повышения его качестваи его коррозионной стойкости в скоИзобретение относится к металлургии, а именное к нанесению теплозащитных покрытий на изделия,. кратковре. менно работающие в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы для повьппения их сопротивления высокотемпературной газовой коррозии и .обеспечения заданного ресурса работы, иможет быть использовано в .аэрокос- . мической, энергетической и других областях техники. ро с тном по то ке высо ко темпер воздушной плазмы при сохращины диффузионного слоя. Схромотанталирования стальных издвключающий оксиды хрома, перехометалла Ч группы, алюминия, хлоаммоний и вещество-восстановите отличается тем, что, он дополнитель" но содержит смесь оксидов редкоземельных металлов, оксид циркония, модифицированный иттрием, порошок железа, хлористый хром, фтористый алюминий, в качестве оксида переходного металла Ч группы - пятиокись тантала, а в качестве вещества-восстановителя - порошок алюминия при следующем соотношении компонентов, мас,%: оксид хро- Е ма 28-30; оксид тантала 12-14; смесь уу оксидов РЗМ 1,1-1,5; оксид циркония модифицированный иттрием 1,5-2,0; порошок алюминия 18-20; порошок железа 15-17; хлористый хром 0,3-0,8; фторис- ф тый алюминий 0,1-0,4; хлористый аммоний 0,5-1,5; оксид алюминия остальное.1 табл.но содержит смесь оксидов редкоземельных металлов (РЗМ), оксид циркония,модифицированный иттрием, порошокжелеза, хлористый хром,. фтористый5алюминий, в качестве оксида переход,ного металла Ч группы - пятиокись тантала, а в качестве вещества-восстановителя - порошок алюминия при сле"дующем соотношении компонентов,мас.%:Оксид хрома 28-30Оксид тантала 12-14Смесь оксидов РЗМ 1,1-1,5Оксид циркония, модифицированный иттрием 1,5-2,0Порошок алюминия 18-20Порошок железа 15-17Хлористый хром 0,3-0,8Фтористый алюминий 0,1-0,4Хлористый аммоний 0,5"1,5Оксид алюминия ОстальноеФункциональное назначение каждогоиз компонентов, ГОСТ поставок и химические формулы.Оксид хрома (Сг О) по25ГОСТ 2912-79 - поставщик активных, атомов хрома для образования много,компонентного покрытия на его основе,Оксид тантала (Та О ) поТУ 6-09-50-2176-77 - поставщик активЗсных атомов тантала для образованиямногокомпонентного жаростойкого по-,крытия.Смесь оксидов РЗМ (СеО 57%,1,аО з 25%, ГЫ О 17%, Рг О4%) поТУ 95-1161-83 вводится в состав для 35легирования многркомпонентного покрытия и образования на его поверхности плотной прочносцепленной с основой оксидной пленки, активно препятствующей диффузии кислорода плазмык покрытию.Оксид циркония, модифицированныйиттрием (85% ЕгОг+ 15% УОз), поТУ 48-0502-63/0-85 - добавка, предот 45.вращающая спекание состава и являющаяся поставщиком иттрия в многокомпонентное покрытие, что увеличиваетчего сопротивление высокотемпературноигазовой коррозии.Порошок алюминия (А 1) марки ПА50по ГОСТ 6058-73 - восстановитель оксидов металлов, входящих в предлагаемыйсостав,Порошок железа (Ге) марки ПЖРВ3.200 по ТУ 14.1-3882-85, вводится в 55состав с целью образования в процессе восстановления оксидов металлових ферросплавов, что приводит к снижению спекаемости состава и благоприятно сказывается на чистоте поверхности обрабатываемого изделия.Хром, хлористый (СгС 1) по ТУ 6-09"02-269-77 - активатор процесса насыщения и поставщик активных атомов хрома в покрытие,Алюминий фтористый (А 1 Р) по ТУ 6-09-1122-76 - активатор процесса восстановления оксидов.Аммоний хлористый (ИН,1 С 1) по ГОСТ 3773-72 " активатор процесса восстановления оксидов и насыщения.Оксид алюминия(А 1 Оз) по ГОСТ 8136-76 - вводится в состав для предотвращения его спекания в процессе насыщения.Порошковый состав, содержание компонентов в котором выходит за предлагаемые пределы, не удовлетворяет поставленной цели по следующим причинам:при увеличении в составе содержания оксидов хроМа и тантала последние полностью не восстанавливаются имеющимся в наличии алюминием, падает насыщающая способность состава, при уменьшении в составе содержания оксидов весь алюминий не расходуется на их восстановление и имеет место процесс совместного насыщения хромом,. танталом и алюминием;увеличение в составе содержания оксидов РЗМ и оксида циркония, модифицированного иттрием, не приводит к положительному эффекту - повышению жаростойкости покрытия, а снижение понижает жаростойкость покрытйя,"увеличение содержания порошка железа, являющегося эффективным поглотителем тепла экзотермических реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, резко снижает температуру алюминотермического восстановления оксидов,. и тем самым полноту их протекания, а снижение вызывает проплавление продуктов реакции, ихстекание на дно контейнера, что нежелательно; введение в состав хлористого хрома, фтористого алюминия и хлористого аммония сверх указанных количеств вызывает интенсивное газовыделение из состава продуктов их разложения в процессе синтеза. порошка и насыщения деталей и не приводит к сколько-нибудь заметному росту толщины .покры 5 161 тия, а при меньших количествах активаторов толщина покрытия снижается;при увеличении в составе содержания оксида алюминия падает его насьпцающая способность, а при уменьше нии ухудшается технологичность, т.е.состав подвержен спеканию в процессе насыщения.Анализ известных составов для насьпцения хромом совместно с тугоплавкими металлами Ч группы показал, что некоторые введенные в предлагаемый состав вещества-активаторы известны, например фтористый алюминий, хлористый аммоний. Известно также введение окиси алюминия. Однако их применение в этих составах в сочетании с другими компонентами, такими как смесь оксидов РЗМ, оксид циркония, модифицированный иттрием, оксид тантала, порошок железа, придают заявляемому объекту такое положительное качество, как высокие защитные свойства образующихся покрытий в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы.Состав для хромотанталирования приготавливают следующим образом.Просушенные оксиды хрома, тантала, . смесь оксидов РЗМ, оксид циркония, легированный иттрием, порошки железа и алюминия и алюминий фтористый развешивают согласно формуле изобретения и тщательно перемешивают в течение 1-2 ч. После перемешивания состав помещают в контейнер из нержавеющей стали, уплотняют, поверх состава насыпают смесь, инициирующую реакцию. самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), содержащую мас.Х: А 1 ЗО + Сг 070, слоем толшиной 5-7 мм, в центре которой размещают запал, включающий, мас,7;С 20 + Т 1 30. Контейнер размещают под колпаком вытяжной вентиляции, и запал поджигают термитной спичкой или каким-либо другим способом. После прохождения реакции СВС контейнер охлаждают на воздухе, синтезированный состав извлекают и размалывают в шаровой мельнице с добавками хлористого хрома, хлористого аммония и оксида алюминия. После размола до фракции 100-1600 мкм состав готов к употреблению.П р и м е р. Проводят термодиффузионное насыщение сферических тел (шары из стали 1 Х 15 диаметром 7050 69,525 мм) в предлагаемом и известномсоставах. Нанесение покрытий осуще вствляют в контейнерах из нержавеющей стали, герметизированных плавкимзатвором, при 1050 С в течение 6 чав печи фирмы "НаЬег", ФРГ.Металлографический анализ покрытий осуществляют на микроскопе "Ро 1 учаг" , а фазовый микрорентгеноспектральный анализ -на установке ДРОН-З,Фазовый состав покрытия следующий;.Се, У,Ьа, Мс 1, Р и А 1 +О -тв,р-рСг,Та,Ег,У,Ьа, Ис 1,Рг в А 1 в железе.Оценку теплозащитных свойств покрытий при высоких тепловых нагрузкахосуществляют в однофазном потоке20 плазмы, создаваемом плазменным генератором (плазмотроном) тйпа ПРС;Использование в качестве катода гафния позволяет применять в работе кислородсодержащие газы (воздух) беэ до 25 полнытельной защиты катода.До начала эксперимента все испытываемые образцы засверливают на глубину4 мм. Для проведения испытанийплазматрон установлен в горизонталь 30 ном положении на монтажном столе. С:помощью координатного устройства поцентру сопла и на расстоянии 2 мм отего среза устанавливают на теплоизолированном держателе испытываемый образец. Время нахождения образца ввоздушной плазменной струе задают спомощью реле времени и фиксируют электросекундомером ПВ 53 П.Параметры работы плазматорона40 Расход газа,кг/с 1,55 ф 10Подведенная мощность, кВт 23,5-30,7Полезная мощность,кВт 15,2-17,045 КПД плазматрона,7, 0,61 ОЭнтальппя струи,Дж/кг 9, 8-10, 9 10Температура на срезе сопла, К 4980-540050 . Скорость истеченияструи из сопла(3 сопла 20 мм),м/с 130Начальное время нахождения в плазменной струе определяют появлениемна лобовой поверхности образца безтеплозащитного покрытия жидкой фазыи ее унос до уменьшения диаметра Ьбразца около 1/3-/4 й. Для образцовбез покрытия это время составляетлф 3,5 с (эа это время диаметр образца уменьшается на 2,2-2,5 мм).В дальнейшем для образцов с покры" тиями выбирают три временных интерваа обдува: 3,5; 4,0 и 4,5 и 4,9 с.я каждого времени обдува испытывают отдельный образец с покрытием, Требуемое время работы образца с покрытием при приведенных условиях испытаний без разрушения покрытия, начала оплавления материала основы образца ,и при минимальной потере формы образца должно составлять 3-4 с.Качественную оценку защитных свойств покрытия после различного времени обдува образца плазменной струей производят визуально степени разрушения покрытия и материала основы. Гравиметрическим методом оценивают потерю массы образца за время испытаний, отнесенную к единице площади поверхности: 25 ш, - шг.2( Фмасса образца до испытаний;масса образца после испытаний;- площадь поверхности образгде ш 1 230 ца,Потеря массы является следствием образования сложных оксидов и их уноса плазменной струей в процессе обдува.Потерю формы образца после испытаний оценивают в процентах из выраженияЙ-Йг--- 1007.Й0 40 где Й - диаметр образца до испытаний;Й - размер образца в минимальномг.сечении после испытаний Г секунд в струе и уноса части массы 45 покрытия и материала образца потоком плазмы, Значения удельной потери массы и изменение формы образца могут йе совпадать, так как в процессе испытаний действует два взаимно противоположных процесса - окисление покрытия, сопровождающееся увеличением массы образца, и унос продуктов окисления и жидкой фазы в случае, если она образуется плазменной струей.таблице (во всех случаях покрытия наносят на образцы из стали ШХ 15 при 1050 С в течение 6 ч).Как видно из результатов таблицы, покрытие, нанесенное в предлагаемом составе, повышает теплоизоляционные характеристики стали в 9,3-10,5 раза по сравнению с незащищенным материалом нри увеличении сохранения формы в 6,7-22,6 раза. По сравнению с покры-. тием, полученным в известном составе, покрытие, полученное в предлагаемом составе, обладает в 1,2-1,3 раза лучшими защитными свойствами и повышает сохранение формы в 1,2-2,0 раза. формула из о брет ения 1,1 - 1,5 0,5-1,512,8-23,5 Состав для комплексного диффузионного насыщения стальных изделий,преимущественно из инструментальных-.мсталей, включающий оксиды хрома, вещества, выбранного из оксидов переходного металла Ч группы, окись алю- .миния, восстановитель и хлористыйаммоний, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения защитныхсвойств покрытия за счет повышенияего качества и его корроэионной стойкости в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы при сохранении толщины диффузионного слоя,он дополнительно содержит смесь оксидов РЗМ металлов, оксид циркония,модифицированный иттрием, порошокжелеза, хлористый хром, Фтористый алюминий, в качестве наполнителя - порошок алюминия,а вкачестве веществавыбранного из оксидов переходных металлов У группы, - нятиокись танталапри следующем соотношении компонентов, мас, Е:Оксид хрома 28-30Оксид тантала 12-14Смесь оксидовРЗМ металловОксид циркония,модифицированныйиттрием 1,5-2,0Порошок алюминия 18-20Порошок железа 15-17Хлористый хром 0,3-0,8Фтористый алюминий 0,1-0,4Хлористый аммонийОксид алюминия"1 афХа аЭ Э6 е,Х ф,а з.фХ Х ф Х з 9 Х о Х х 1а фЭ Х1 ЦфХ йооХфЭ ХхЭэ оХ 91.Х О ЭЮ ОХ ХаЭ1"ффХф3Х Эо хо ффЭ ЦХ Хх оЭ фн о о61 ффй Оф фсОжО о1 Х Х ва ф а а В ф а Э Х 3 э О М о ои о ф О: 6 1 ф ОО фН 1 Х1О ф ОП И,О с 4 сЧ Р 1 и ою ЮЮСЧ СЧ ео 6 сО Ю О ф Ю .6 ф Ю О О сфеО О сЧ О О сЧесч и счи 1 г 4ГГ ОсЧ Ооф и ое Ю -тсЧ О иЮ сЧ ЭО 1- Э О ои ою ИХЮ 1 1с 1 си Роо1ЭХф 1цЦЦцд 1о11 Х 1О ХЭ 1х 1к ох оХХф Хс а3 э 1С ф11и6 11