способ диффузионного никелирования металлических материалов в псевдоожиженном слое

Формула изобретения

Способ диффузионного никелирования металлических материалов в псевдоожиженном слое, включающий нагрев, насыщение в смеси с никельсодержащим компонентом и последующее охлаждение, отличающийся тем, что никелирование проводят в смеси, дополнительно содержащей корунд, а в качестве никельсодержащего компонента - окись никеля при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Окись никеля - 0,001 - 10

Корунд - 90 - 99,999

нагрев осуществляют в атмосфере аммиака, причем в процессе нагрева при температуре насыщающей смеси 350-450^oС осуществляют выдержку в течение 5-25 мин, после чего газообразные продукты откачивают до давления 0,95 ат.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, и может быть использовано в любой отрасли машиностроения для нанесения покрытий на металлические материалы и изделия.

Известен способ получения стали с коррозионно-стойким покрытием, при котором на стальную поверхность наносят никель. После этого сталь подвергают термообработке и на поверхности получают слой на основе окиси никеля (см. заявку Япония, 53 -13335, С 23 С 9/00).

Недостатком известного способа является большая продолжительность процесса из-за его многостадийности.

Из уровня техники наиболее близким к заявленному является способ диффузионной металлизации изделий или полуфабрикатов из низкоуглеродистой стали, при котором покрытие никелем и другими металлами получают путем термообработки в вакуумных печах (см. авт. св. СССР 224249, С 23 С 13/02).

Недостатком указанного способа является большая длительность процесса и плохое качество поверхности за счет многоступенчатости процесса диффузионной металлизации.

В основу изобретения поставлена задача улучшения качества поверхности никелированных металлических материалов при одновременной интенсификации процесса никелирования.

Поставленная задача достигается способом диффузионного никелирования металлических материалов в псевдоожиженном слое, включающим нагрев, насыщение в смеси с никельсодержащим компонентом и последующее охлаждение, отличающимся тем, что никелирование проводят в среде, дополнительно содержащей корунд, а в качестве никельсодержащего компонента - окись никеля при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Окись никеля - 0,001-10

Корунд - 90-99,999

нагрев осуществляют в атмосфере аммиака, причем в процессе нагрева при температуре насыщающей смеси 350-450^oС осуществляют выдержку в течение 5-25 минут, после чего газообразные продукты откачивают до давления - 0,95 ат.

Способ диффузионного никелирования металлических материалов осуществляют следующим образом: предварительно готовят порошкообразную смесь для никелирования путем смешения следующих компонентов, мас.%: окись никеля 0,001-10, корунд 90-99,999. В реторту с указанной порошкообразной смесью загружают металлические материалы, откачивают воздух и закачивают аммиак. После этого осуществляют их нагрев одновременно с нагревом насыщающей порошкообразной смеси. В процессе нагрева при температуре порошкообразной смеси 350-450^oС проводят выдержку металлических материалов в течение 5-25 минут, после чего газообразные продукты откачивают до давления - 0,95 атм, а металлические материалы и смесь нагревают до температур отжига 900^oС. После этого реторту с металлическими материалами охлаждают.

Нагрев изделий в атмосфере аммиака и выдержка их в течение 5-25 минут при температуре 350-450^oС позволяют обеспечить полное восстановление окиси никеля с образованием свободных атомов никеля и адсорбции этих атомов к поверхности металлических материалов. Химические реакции между компонентами насыщающей смеси и аммиаком создают условия для увеличения активности смеси и улучшения качества никелированной поверхности.

Применение псевдоожиженного слоя позволяет сократить время нагрева насыщающей смеси и время насыщения, а также обеспечивает равномерный нагрев обрабатываемых материалов. При никелировании металлических материалов в псевдоожиженном слое частицы насыщающей смеси контактируют с поверхностью металла во много раз интенсивнее, чем при обычном способе никелирования. В результате этого происходит очищение поверхности металла от окисных пленок и тем самым облегчается доступ газовой фазы непосредственно к поверхности материала. Процессы никелирования в псевдоожиженном слое протекают в основном за счет газофазного процесса, что обеспечивает высокую скорость насыщения. Активность насыщающей среды в псевдоожиженном слое намного выше, чем при обычном никелировании, вследствие особенностей псевдоожиженного материала. Атомы активного никеля адсорбируются на поверхности образца значительно быстрее, чем происходит их диффузия в глубь металла. В связи с этим концентрация активных атомов никеля на поверхности насыщаемого материала быстро возрастает и никелированный слой образуется за меньший промежуток времени, чем при обычном никелировании.

Присутствие в составе насыщающей смеси окиси никеля позволяет получать активные атомы никеля за счет его полного восстановления в среде аммиака.

Корунд предназначен для создания псевдоожиженого слоя.

При температуре выдержки ниже 350^oС снижается стабильность протекания процессов восстановления окиси никеля и адсорбции атомов никеля к стальной поверхности. Никелированный слой получается некачественным. При температуре выдержки выше 450^oС ухудшается качество никелированного слоя за счет образования пористого слоя никеля на поверхности.

При выдержке менее 5 минут происходит только частичное восстановление окиси никеля и при дальнейшем нагреве насыщающей смеси до температур насыщения 900-950^oС происходит восстановление оставшейся части окиси никеля с образованием на поверхности изделий пористого слоя никеля. Выдержка более 25 минут нецелесообразна, так как за время выдержки 5-25 минут окись никеля восстанавливается полностью.

Уменьшение содержания окиси никеля менее 0,001 мас.% снижает стабильность протекания процессов адсорбции и диффузии атомов никеля в металлические поверхности. Увеличение содержания окиси никеля более 10 мас.% ухудшает технические свойства никелированного слоя, образуя пористый слой никеля на поверхности изделий, а также приводит к спеканию рабочей смеси.

После восстановления окиси никеля присутствие аммиака в среде нецелесообразно, так как при дальнейшем насыщении это приводит к ухудшению качества никелированной поверхности металлических материалов. Поэтому после выдержки 5-25 минут производят откачку газообразных продуктов из реторты и с целью более полного отвода газообразных продуктов создают отрицательное давление - 0,95 атм, что значительно улучшает качество покрытия.

Для обоснования преимуществ заявляемого способа по сравнению со способом, взятым за прототип, были проведены лабораторные испытания.

Провели диффузионное никелирование образцов стали 45, порошка железа, ВТ1, порошка меди известным и заявляемым способами.

Для приготовления смесей использовали порошкообразные компоненты с размером фракции 0,1-0,15 мм.

Составы насыщающих смесей, режимы проведения способов и результаты металлографических исследований представлены в таблице.

Из приведенных данных следует, что заявляемый способ диффузионного никелирования металлических материалов в псевдоожиженном слое по сравнению с прототипом позволяет улучшить качество обработанной поверхности, сокращает в 4 раза время обработки в насыщающей смеси, а также обеспечивает получение на поверхности металлических материалов никелированного слоя значительной толщины.