Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ПОКРЫТИЙ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к технологии нанесения защитных покрытий на металлические изделия, а именно к способу нанесения алюминиевых покрытий на металлические изделия, и может быть использовано для защиты покрываемых изделий от коррозионного разрушения.

Нанесение защитного покрытия, содержащего алюминий (алитирование), позволяет значительно повысить стойкость металлических (стальных и/или чугунных) изделий к окислению за счет образования тонкого защитного слоя на поверхности покрытия.

Уровень техники

В мировой практике известны различные способы алитирования: электролитический способ, алитирование в порошкообразных алюминий содержащих смесях с последующим нагревом, алитирование с погружением стальных образцов в расплав алюминия.

Электролитический способ позволяет получать сплошное малопористое покрытие, но данный способ требует сложного аппаратурного оснащения и высоких затрат электроэнергии. Применяемые солевые расплавы легколетучие и приводят к значительным потерям в виде испарений, кроме того, требуют применения защитной атмосферы (Виткин А.И., Тейндл И.И. «Металлические покрытия листовой и полосовой стали», М., 1971, стр. 496).

Алитирование в порошкообразных смесях не требует сложного аппаратурного оснащения и высоких затрат электроэнергии, но данный способ проводится при более высоких температурах, предъявляются высокие требования к составу и однородности порошкообразной смеси, требуется более длительное время для проведения алитирования. Покрытия, получаемые этим способом, имеют небольшую толщину, поэтому сложно обеспечить сплошное малопористое покрытие (Берштейн М.Л. «Металловедение и термическая обработка стали. Том 1, 2 Издание 2», 1961 г., стр. 1656).

Метод алитирования с погружением стальных образцов в расплав алюминия относительно прост и обеспечивает получение достаточно глубокого слоя с высокой концентрацией алюминия. Алитированный слой, полученный в жидкой среде, состоит из наружного слоя, богатого алюминием, и из промежуточного легированного алюминием диффузионного подслоя. Алитирование в расплавленном алюминии отличается от алитирования в порошкообразных смесях простотой метода, быстротой и более низкими температурами (Коликов А.П. и др., «Машины и агрегаты трубного производства» М., МИСИС, 1998, стр. 540).

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран способ нанесения горячих алюминиевых покрытий на металлические изделия, включающий химическую подготовку поверхности с нанесением низкоплавких солей хлоридов металлов, нагрев во флюсе-расплаве до температуры выше рабочей температуры расплава металла покрытия, кратковременное погружение в расплав металла покрытия и скоростное охлаждение, при этом нагрев изделий во флюсе-расплаве осуществляют последовательно в две стадии - сначала во флюсе-расплаве с рабочей температурой до 200-550°С, а затем во флюсе-расплаве другого состава с рабочей температурой до 700-900°С (патент RU 2457274, С23С 2/02, опубл. 27.07.2012).

К недостаткам ближайшего аналога (прототипа) следует отнести то, что для подготовки поверхности алитируемых изделий в качестве флюса используется расплав солей хлоридных металлов, применение которого требует проводить подготовку (флюсование) поверхности в два этапа при высоких температурах (до 900°С), что требует длительного времени и сложной аппаратурной схемы.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании способа нанесения коррозионно-стойкого покрытия по упрощенной аппаратурно-технологической схеме нанесения покрытий.

При этом техническим результатом является повышение коррозийной стойкости металлических изделий за счет получения сплошного защитного покрытия, обладающего хорошим сцеплением (адгезией) с поверхностью изделия.

Технический результат достигается за счет того, что в способе нанесения алюминиевых покрытий на металлические изделия, включающем химическую подготовку поверхности изделий, обработку изделий флюсом, нагрев изделий и погружение их в расплав алюминия или его сплавов, согласно заявляемому изобретению для обработки изделий используют флюс на основе смеси фторидов алюминия и калия, после погружения в расплав изделия выдерживают при температуре расплава алюминия или его сплава, а флюс перед обработкой им изделий предварительно подвергают мокрому помолу в органическом растворителе.

Способ характеризуется частными случаями его реализации.

Изделия выдерживают в расплаве при температуре 660-860°С в течение 20-40 мин.

В качестве органического растворителя при мокром помоле могут использовать нефтяной растворитель, не содержащий воды, щелочей и органических кислот, что позволяет исключить образование оксидных пленок на стальном изделии при нанесении флюса и обеспечивает хорошую адгезию алюминия с поверхностью изделия.

Химическую подготовку поверхностей изделий производят путем обработки их соляной кислотой.

Флюс готовят в следующем соотношении: 40-60% мол. AlF₃ и 60-40% мол. KF.

В качестве флюса используются фторидные соли калия и алюминия (в диапазоне концентраций 40-60% мол. AlF3). Фторид алюминия (AlF₃) обеспечивает взаимодействие с оксидным слоем на поверхности деталей. Фторид калия (KF) позволяет снизить температуру плавления флюса и тем самым обеспечивает смачиваемость поверхности металлического изделия алюминием. Температура плавления этих солей позволяет применять их в не перегретых расплавах алюминия (температура легкоплавкой эвтектики в системе KF-AlF₃ - 559°С). Заявляемые пределы концентрации AlF₃ и KF способствуют повышению смачиваемости расплавом поверхности покрываемого металлического изделия. Для равномерного распределения флюса по поверхности изделия применяется мокрый помол в органическом растворителе.

Флюсы на основе AlF₃ с добавками KF обладают относительно высокой растворимостью оксидов металлов по сравнению с другими галогенидными расплавами (хлоридами, бромидами), поэтому эффективно растворяют оксидные пленки на поверхности алитируемых металлических (например, стальных) изделий. Поверхность металлических изделий, свободная от оксидов, лучше смачивается металлическим расплавом на основе алюминия или его сплавов. Скорость растекания жидкого металла по такой поверхности увеличивается, повышая тем самым скорость алитирования и равномерность покрытия.

Выдерживание металлических изделий в расплаве алюминия или его сплавов при температуре расплава алюминия или температуре расплава алюминиевого сплава (в пределах 660-860°С) в течение 20-40 минут в совокупности с известными свойствами флюса на основе AlF₃ с добавками KF позволяет повысить скорость алитирования металлических изделий, выполненных, например, из низкоуглеродистой стали или чугуна при сохранении их высокой жаростойкости, и получить защитное сплошное покрытие на промышленных изделиях, обладающее хорошей адгезией с поверхностью изделия, что повышает коррозионную стойкость изделий.

Отработка технологии алитирования изделий проводилась на образцах изделий - стальных штырях, диаметром 110 мм, длиной 550 мм. Штыри подвергали механической дробеструйной обработке и травлению в 30% растворе соляной кислоты. После чего на них был нанесен подготовленный флюс, состоящий из фторидных солей калия и алюминия. Для равномерного распределения флюса по поверхности стального штыря был применен мокрый помол в органическом растворителе, в качестве которого использовали нефтяной растворитель марки «Нефрас». Помол вели до формирования устойчивой суспензии. Затем образцы изделий помещались в печь предварительного нагрева с температурой нагрева около 250°С. Эта операция необходима, чтобы в момент погружения изделий в расплав не начиналась кристаллизация расплава.

Образцы изделий погружали в расплав алюминия при температурах его расплава в пределах 680-860°С.

Время выдержки образцов изделий под слоем расплава - 20-40 минут. Это время обеспечивает прогрев массивного изделия, эффективную смачиваемость расплавом и удовлетворительную толщину покрытия впоследствии.

Электронные микрофотографии и карты распределения железа и алюминия в поверхностном слое алитированных образцов изделий показали, что состав полученных покрытий соответствует ряду интерметаллидов Al-Fe, а основной фазой покрытия, определяемой рентгенофазовым анализом, является Fe₂Al₅, что подтверждает хорошую адгезию покрытия и, соответственно, высокую коррозионную стойкость образца изделий к окислению.

Таким образом, при нанесении алюминиевых покрытий на металлические изделия (например, из стали или чугуна) в расплаве на основе алюминия или его сплавов, при предварительной обработке изделий флюсом на основе AlF₃ и KF, приготовленным способом мокрого помола в органическом растворителе, образуется сплошное алюминидное покрытие, обладающее хорошей адгезией к металлической (стальной или чугунной) подложке и обеспечивающее повышение коррозионной стойкости покрываемых изделий.