Важнейшими факторами, от которых зависит скорость образования диффузионной зоны при взаимодействии алюминия со сталью (алитировании), ее строение и качество, являются химический состав и микроструктура стали.
О механизме влияния примесей на процесс диффузии еще нет единого мнения, однако сам факт такого влияния установлен многими исследователями. Наиболее подробно воздействие третьих элементов изучено применительно к атомной диффузии в твердом состоянии. Бундгардт и Боллекрат нашли, что присутствие в алюминии цинка значительно снижает коэффициент диффузии магния в алюминий.
В работах С.Д. Герцрикена, Д.Я. Глускина было исследовано влияние типа решетки на процесс диффузии в сплавах. Они установили, что небольшая примесь алюминия увеличивает энергию активации диффузии железа в у-фазе (более плотная гранецентрированная кубическая решетка) сильнее, чем в а-фазе (менее плотная объемноцентрированная кубическая решетка). Тормозящее или стимулирующее влияние третьего компонента на взаимную диффузию двух металлов зависит от концентрации этого третьего компонента в сплаве.
Нами изучалось влияние присадок никеля, хрома, кремния, углерода, молибдена, марганца, ванадия, титана, циркония, кобальта, неодима в стальной основе на свойства диффузионной зоны, возникающей при алитировании, и определялась прочность связи.
С этой целью в открытой индукционной печи емкостью 7,0 кг выплавлялась серия плавок рекомендуемого сплава.
Плавку вели по шихте из электролитического никеля марки III, металлического хрома, молибдена и марганца, а также кристаллического кремния. В тигель печи с основной футеровкой загружали никель. Для удаления водорода никель предварительно отжигали в вакууме при 950 – 1000° С. Как только начиналось расплавление никеля, засыпкой смеси извести, магнезита и флюоритового концентрата наводили основной шлак состава 65 % СаО, 20 % МgО и 15 % СаF2. После полного расплавления шихты шлак удаляли и наводили новый. Во вновь наведенный шлак присаживали боркальк (33 % СаО и 67 % А1), а затем кремнием и марганцем окончательно раскисляли выплавляемый сплав. В раскисленный металл на штанге под слой шлака вводили ферроцерий (45 % Се, 2,1 % Fe и 97,9 % Б редкоземельных металлов) как добавочный раскислитель. Обработанный таким образом металл выдерживали в течение 10 мин и выпускали в чугунную изложницу.
Сплавы с добавками хрома (марки Х2) выплавляли так же, как сплавы с добавками никеля. Сплавы с добавками кремния выплавляли при завалке только технически чистого армко-железа. В период раскисления вводили чистый алюминий АВ000 из расчета 0,2 %. После дополнительного раскисления шлака боркальком под шлак вводили кристаллический кремний и сразу же выливали металл в изложницу.
При выплавке сплавов с углеродом в индукционной печи под шлаком расплавляли технически чистое армко – железо. После полного расплавления шлак снимали. Металл раскисляли чистым алюминием – 0,1 % – На поверхность металла давали чистый графит. После растворения графита опять наводили шлак, который раскисляли боркальком. Металл выдерживался под шлаком примерно 10 мин (диффузионное, раскисление для уменьшения неметаллических примесей). Для дополнительного раскисления давали кремний (0,1 %) и металл разливали в изложницу. Сплавы с присадками молибдена, марганца, ванадия и титана выплавляли аналогично сплавам с добавками никеля. В завалку давали армко-железо, затем проводили рафинировку и расплавление. Металлический молибден вводили в процесс расплавления армко-железа; марганец давали в конце плавки – за 3 мин до разливки; феррованадий ВД 1 выдерживали в расплаве перед разливкой 5 мин; титан вводили в виде ферротитана непосредственно перед сливом металла, т. е. сразу же после растворения титана металл разливали в изложницу.
Жидкостное алитирование производили в ванне с алюминием АВ000, расплавленным в графитовом тигле под слоем специального флюса следующего состава: 44 % LiCl; 30 % NaCl; 9,3 % КС1; 16,7 % NаF. Алитированные образцы после полного остывания тщательно промывали горячей водой до полного удаления флюса.
Образцы размерами 20 x 20 x 3 мм алитировали при 750 и 850° С и времени выдержки 0,5; 1; 1,5; 2 и 3 мин. Из алитированных образцов изготавливали шлифы, измеряли ширину диффузионных слоев с последующим фотографированием полученной картины на микроскопе МИМ 8М при увеличении 600, измеряли микротвердость на приборе ПМТ 3. Шлифы механически подготавливали на камне, наждачных бумагах различной крупности с последующим тщательным полированием на сукне. Длительность полирования на сукне не должна превышать 8 – 10 мин, так как при дальнейшем полировании алитированный слой и частично железная часть шлифа выполировываются значительно больше, чем диффузионные слои, в результате чего образуется «ступенька», которая затрудняет проведение металлографического анализа.
Полированные шлифы подвергали только химическому травлению в 3 – 4 %-ном спиртовом растворе НN03 в течение 3 – 8 сек. Такое травление позволило хорошо увидеть структуру железа (стальную часть), а также выявить четкие границы диффузионного слоя. Сам диффузионный слой не травился. В общем случае микроструктура химических соединений типа FеАl3 и РегАЬ представляет собой блочную (мелкоблочную).
Влияние углерода. Структуры сплавов железо – углерод, образующихся при медленном охлаждении из области у-твердого раствора, хорошо известны, поэтому нами исследована только зависимость характера и свойств диффузионной зоны, возникающей при алитировании или сварке выплавленных сплавов с алюминием, от процентного содержания углерода, температуры и времени алитирования.
С повышением содержания углерода от 0,2 до 0,56 % толщина переходного слоя изменяется незначительно при обеих температурах алитирования (750 и 850° С): со 110 до 125 и с 90 до 110 мкм соответственно; меньшее значение толщины прослойки в последнем случае объясняется большим растворением ее при 850° С.
  • Читать все новости