RU2675711C1

RU2675711C1 - Method for aluminum coating iron powder

Info

Publication number: RU2675711C1
Application number: RU2017141713A
Authority: RU
Inventors: Жанна Викторовна Еремеева; Валентина Константиновна Нарва; Владимир Юрьевич Лопатин; Олег Владимирович Корзников; Татьяна Владимировна Федина; Галина Сергеевна Водовозова; Сергей Витальевич Барышков
Original assignee: Публичное акционерное общество "Северсталь"
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2018-12-24

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to the application of an aluminum coating on an iron powder. Fill the container with a mixture containing iron powder, fine aluminum powder, aluminizing activator and one component from the group consisting of aluminum oxide and silicon oxide, remove air from the tank, heat the mixture in the oven to a temperature of 600–750 °C with the duration of heating at the rate of not less than 1 hour per 100 mm of the tank section, after which isothermal aging is carried out for 1–4 hours, cooling the sealed container in air and at least 5 times the magnetic separation of the obtained coated powder. Coated powder has a fluidity of 54 to 57 s/50 g, a bulk density of 2.5 to 2.57 g/cm³ and a coating thickness of 2.5–5.0 microns.

EFFECT: application of a diffusion aluminum coating on the metal powder and obtaining a high-quality homogeneous solid metal coating on the iron powder.

3 cl, 2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности способам нанесения покрытий на железные порошки.The invention relates to powder metallurgy, in particular to methods for coating iron powders.

Известен способ нанесения покрытия на металлические порошки, включающий размещение порошка на сетчатом катоде, когда потоком электролита его переводят в псевдоожиженное состояние с увеличением первоначального объема в 1,6-2 раза, при этом устанавливают плотность тока 5 А/дм². После осаждения никеля на порошок в течение 30с, прекращают подачу электролита с одновременным реверсом тока в течение 3с. В течение 20-25 мин. частицы полностью покрываются никелем с равномерной толщиной слоя. Электроосаждение проводят с циклической подачей электролита в направлении силовых линий тока от катода к аноду с одновременным реверсом направления тока в момент прекращения подачи электролита (А.с. №1435397, МПК B22F 1/02, опубл. 07.11.1988 г.).A known method of coating metal powders, comprising placing the powder on a mesh cathode, when the electrolyte stream it is transferred into a fluidized state with an increase in the initial volume of 1.6-2 times, while setting the current density of 5 A / DM ² . After the deposition of nickel on the powder for 30 s, the supply of electrolyte is stopped with a simultaneous reverse current for 3 s. Within 20-25 minutes the particles are completely coated with nickel with a uniform layer thickness. The electrodeposition is carried out with a cyclic supply of electrolyte in the direction of the power lines of the current from the cathode to the anode with a simultaneous reverse of the current direction at the time of stopping the supply of electrolyte (AS No. 1435397, IPC B22F 1/02, publ. 11/07/1988).

Недостатком данного способа являются большие энергозатраты и сложность приготовления электролита.The disadvantage of this method is the high energy consumption and the complexity of the preparation of the electrolyte.

Наиболее близким к предложенному является способ нанесения диффузионных покрытий на металлические порошки, вакуумирование смеси порошка металла, легирующей добавки и активатора, нагрев, выдержку и охлаждение, при котором изотермическую выдержку осуществляют при наложении вибрации с частотой f₁=8+0,075D_cp и амплитудой A₁=(1200-2400)/f₁ ²,а нагрев и охлаждение осуществляют при вибрации с частотой f₂=1,5f₁ и амплитудой А₂=(800-1000)/f₂ ². В качестве легирующих добавок элементов выбирают алюминий и порошок карбида бора. Для создания в контейнере галогенидной среды в смесь порошков чистого железа (97 мас. %) и легирующей добавки (3 мас. %) добавляют активатор порошков NH₄Cl и AlCl₃ (А.с. №1614898, МПК B22F 1/02, опубл. 23.12.1990 г.).Closest to the proposed one is a method of applying diffusion coatings to metal powders, evacuating a mixture of a metal powder, a dopant and an activator, heating, holding and cooling, in which isothermal holding is carried out when applying vibration with a frequency f ₁ = 8 + 0.075D _cp and amplitude A ₁ = (1200-2400) / f ₁ ² , and heating and cooling are carried out under vibration with a frequency of f ₂ = 1,5f ₁ and an amplitude of A ₂ = (800-1000) / f ₂ ² . As alloying elements, aluminum and boron carbide powder are selected. To create a halide medium in the container, an activator of powders of NH ₄ Cl and AlCl ₃ (A.S. No. 1614898, IPC B22F 1/02, publ.) Is added to a mixture of pure iron powders (97 wt.%) And a dopant (3 wt.%) December 23, 1990).

Недостатком данного способа является использование вибрации, а для этого требуется дополнительные приспособления для ее создания, что удорожает способ. Использование карбида бора удорожает процесс нанесения покрытия, причем качество получаемых покрытий из-за наложения вибрации нестабильное, получаемые слои имеют различную толщину.The disadvantage of this method is the use of vibration, and this requires additional devices for its creation, which increases the cost of the method. The use of boron carbide increases the cost of the coating process, and the quality of the resulting coatings is unstable due to the application of vibration, the resulting layers have different thicknesses.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка способа нанесения диффузионного алюминиевого покрытия на металлический порошок и получение качественного однородного сплошного металлического покрытия на порошке железа.The technical result of the invention is the development of a method of applying a diffusion aluminum coating on a metal powder and obtaining high-quality homogeneous continuous metal coating on an iron powder.

Технический результат достигается том, что в способе нанесения алюминиевого покрытия на железный порошок, включающем заполнение емкости смесью, включающей порошок железа, порошок алюминия в качестве легирующей добавки и активатор, удаление воздуха из емкости, нагрев смеси, изотермическую выдержку и охлаждение, используют смесь, содержащую порошок железа, мелкодисперсный порошок алюминия, активатор алитирования и инертную добавку, выбранную из группы, включающей оксид алюминия и оксид кремния, при следующем соотношении, мас. %:The technical result is achieved in that in a method of applying an aluminum coating to an iron powder, comprising filling a container with a mixture comprising iron powder, aluminum powder as an alloying agent and activator, removing air from the container, heating the mixture, isothermal exposure and cooling, use a mixture containing iron powder, fine aluminum powder, an activator of alitization and an inert additive selected from the group comprising aluminum oxide and silicon oxide, in the following ratio, wt. %:

порошок железаiron powder 65-7065-70 мелкодисперсный порошок алюминияfine aluminum powder 20-2520-25 активатор алитированияalitization activator 2-32-3 инертная добавкаinert additive 7-8,7-8,

при этом нагрев смеси ведут в герметично закрытой емкости в печи до температуры 600-750°С, причем длительность нагрева емкости устанавливают из расчета не менее 1 часа на 100 мм сечения емкости, изотермическую выдержку проводят в течение 1-4 часов с обеспечением диффузионного алитирования железного порошка, после чего проводят разгерметизацию емкости, охлаждают ее на воздухе и проводят не менее 5 раз магнитную сепарацию смеси с получением железного порошка с алюминиевым покрытием толщиной 2,5-5,0 мкм, имеющего текучесть от 54 до 57 с/50 г и насыпную плотность от 2,5 до 2,57 г/см³ Удаление воздуха из емкости осуществляют путем ее вакуумирования или путем ее промывки инертным газом, например, водородом или аргоном.the heating of the mixture is carried out in a hermetically sealed container in the furnace to a temperature of 600-750 ° C, and the duration of heating the tank is set at the rate of not less than 1 hour per 100 mm of the tank cross-section, isothermal exposure is carried out for 1-4 hours, ensuring diffusion alification of the iron powder, after which the container is depressurized, it is cooled in air and magnetic separation of the mixture is carried out at least 5 times to obtain an iron powder with an aluminum coating 2.5-5.0 μm thick, having a fluidity of 54 to 57 s / 50 g and bulk P otnostitsja from 2.5 to 2.57 g / cm ³ Removal of air from the container is accomplished by evacuating it or by washing it with an inert gas, e.g., hydrogen or argon.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Готовят смесь предлагаемого состава. В качестве железного порошка применяют порошок железа марки ПЖРВ 2.200.26, в качестве мелкодисперсного порошка алюминия применяют порошок алюминия марки АСД-4, в качестве активатора можно использовать хлорид аммония (ГОСТ 2210-73), фторид натрия (ГОСТ 4463-76), хлорид натрия (ГОСТ 13830-91), фторид алюминия. Активатор служит для ускорения процесса алитирования. Одной из составляющей смеси является оксид алюминия (ГОСТ 6912.1-93) или оксид кремния, которая является инертной добавкой, предотвращающей спекание смеси. Полученной смесью заполняют емкость, при этом из емкости удаляют воздух, чтобы не допустить окисления железного порошка. Удаление воздуха из емкости осуществляют путем ее вакуумирования или путем ее промывки инертным газом, например, водородом или аргоном. Промывание контейнера водородом или аргоном осуществляют перед заполнением его смесью, а вакуумирование выполняют после заполнения контейнера смесью. Затем контейнер герметично закрывают, поскольку результаты алитирования очень сильно зависят от герметичности контейнера. Упакованный контейнер загружают в печь, разогретую до рабочей температуры 600-750°С. При температуре менее 600°С покрытие алюминия на частицах железа практически не формировалось, а при температуре более 750°С происходит припекание частиц железа друг к другу, что отрицательно сказывается на нанесение алюминиевого покрытия. Длительность нагрева емкости - контейнера устанавливают из расчета не менее 1 часа на 100 мм сечения контейнера, т.к в этом случае достигается равномерный нагрев шихты, что способствует качественному нанесению покрытия. При указанной температуре емкость выдерживают в течение 1-4 часов, в это время происходит процесс алитирования. При времени выдержки до 1 часа алюминиевое покрытие на железном порошке практически не образуется, при времени выдержки более 4 часов происходит частичное припекание порошинок железа с алюминиевым покрытием друг другу, толщина покрытия становится неравномерной и на разных порошинках может достигать до 15-20 мкм. На мелких частицах железного порошка может происходить полное диффузионное взаимодействие и получаться интерметаллидные частицы FeAl. После окончания выдержки контейнер выгружают из печи, охлаждают на воздухе и распаковывают. Затем проводят магнитную сепарацию полученного порошка с покрытием не менее 5 раз с целью отделения инертной засыпки оксида алюминия (оксида кремния). При проведении магнитной сепарации менее раз происходит неполное отделение железного порошка с покрытием от шихты, из которой проводилось насыщение.Prepare a mixture of the proposed composition. As an iron powder, iron powder of the ПЖРВ 2.200.26 brand is used, as a finely dispersed aluminum powder, aluminum powder of the АСД-4 brand is used, ammonium chloride (GOST 2210-73), sodium fluoride (GOST 4463-76), and chloride can be used as an activator sodium (GOST 13830-91), aluminum fluoride. The activator serves to accelerate the alitization process. One of the components of the mixture is aluminum oxide (GOST 6912.1-93) or silicon oxide, which is an inert additive that prevents sintering of the mixture. The resulting mixture is filled into the tank, while air is removed from the tank to prevent oxidation of the iron powder. The air is removed from the tank by evacuating it or by flushing it with an inert gas, for example, hydrogen or argon. Washing the container with hydrogen or argon is carried out before filling it with the mixture, and evacuation is performed after filling the container with the mixture. Then the container is hermetically closed, since the results of alitization very much depend on the tightness of the container. The packed container is loaded into an oven heated to an operating temperature of 600-750 ° C. At a temperature of less than 600 ° C, an aluminum coating on iron particles was practically not formed, and at a temperature of more than 750 ° C, iron particles sinter to each other, which negatively affects the application of the aluminum coating. The duration of heating the container - container is set at the rate of at least 1 hour per 100 mm of the container section, because in this case uniform heating of the mixture is achieved, which contributes to high-quality coating. At the indicated temperature, the container is kept for 1-4 hours, at this time the alitization process takes place. When the exposure time is up to 1 hour, the aluminum coating on the iron powder is practically not formed, when the exposure time is more than 4 hours, the iron powders with the aluminum coating partially bake to each other, the coating thickness becomes uneven and can reach up to 15-20 microns on different powders. On small particles of iron powder, complete diffusion interaction can occur and intermetallic particles of FeAl can be obtained. After exposure, the container is unloaded from the furnace, cooled in air and unpacked. Then, magnetic separation of the obtained powder with a coating is carried out at least 5 times in order to separate the inert backfill of aluminum oxide (silicon oxide). When conducting magnetic separation less than once, incomplete separation of the coated iron powder from the charge from which saturation was carried out occurs.

В результате получаем сплошное алюминиевое покрытие на железном порошке толщиной 2.5-5 мкм, при этом текучесть порошка составляет от 54 до 57 с/50 г, а насыпная плотность от 2,5 до 2,57 г/см³.As a result, we obtain a solid aluminum coating on iron powder with a thickness of 2.5-5 μm, while the fluidity of the powder is from 54 to 57 s / 50 g, and the bulk density is from 2.5 to 2.57 g / cm ³ .

При содержании в смеси порошка железа менее 65% происходит припекание алюминиевых частиц друг к другу, а при содержании более 70% не все частицы железа равномерно покрываются алюминием. При содержании в смеси мелкодисперсного порошка алюминия менее 20% не формируется равномерное алюминиевое покрытие на железном порошке, а при содержании более 25% частицы алюминия активно спекаются друг с другом, что препятствует формированию однородного покрытия. При содержании в смеси активатора алитирования менее 2% происходит медленное формирование алюминиевого покрытия на железном порошке, а при содержании более 3% формируется разное по толщине покрытие. При содержании в смеси инертной добавки менее 7% идет припекание частиц железного и алюминиевого порошка друг к другу, а при содержании более 8% получается неравномерное алюминиевое покрытие на железном порошке.When the content of the iron powder in the mixture is less than 65%, aluminum particles bake to each other, and when the content is more than 70%, not all iron particles are uniformly coated with aluminum. When the content of finely dispersed aluminum powder in the mixture is less than 20%, a uniform aluminum coating is not formed on the iron powder, and if it contains more than 25%, aluminum particles actively sinter with each other, which prevents the formation of a uniform coating. When the content of the alution activator in the mixture is less than 2%, the aluminum coating is slowly formed on the iron powder, and when the content is more than 3%, a coating of different thicknesses is formed. When the content of the inert additive in the mixture is less than 7%, the particles of iron and aluminum powder are sintered to each other, and when the content is more than 8%, an uneven aluminum coating on the iron powder is obtained.

Пример осуществления предлагаемого способа.An example implementation of the proposed method.

Готовили смесь, состоящую из: 70% порошка железа марки ПЖРВ 2.200.26, 20% мелкодисперсного порошка алюминия марки АСД-4, 7% порошка Al₂O₃ (ГОСТ 6912.1-93), 3% активатора алитирования, в качестве которого использовали хлорид аммония (ГОСТ 2210-73). Контейнер сечением 200×200×400 мм перед заполнением смесью промыли аргоном, герметично закрыли и загрузили в муфельную печь, разогретую до рабочей температуры 700°С. Длительность нагрева контейнера составила 2,5 часа. Длительность выдержки (процесс алитирования) проводили в течение 2,5 часов. После окончания выдержки контейнер выгрузили из печи, охладили на воздухе и распаковали. Затем провели 5 раз магнитную сепарацию. В результате получили сплошное алюминиевое покрытие на железном порошке толщиной 3 мкм, текучесть порошка составила 56 с/50 г, насыпная плотность 2,52 г/см³.A mixture was prepared consisting of: 70% iron powder of the ПЖРВ 2.200.26 brand, 20% fine aluminum powder of the АСД-4 grade, 7% Al ₂ O ₃ powder (GOST 6912.1-93), 3% of the alimentation activator, which was used as chloride ammonium (GOST 2210-73). The container with a cross section of 200 × 200 × 400 mm was filled with argon before filling with the mixture, hermetically closed and loaded into a muffle furnace heated to a working temperature of 700 ° C. The duration of heating the container was 2.5 hours. The exposure time (alitization process) was carried out for 2.5 hours. After the exposure, the container was unloaded from the furnace, cooled in air and unpacked. Then carried out 5 times magnetic separation. The result was a solid aluminum coating on iron powder with a thickness of 3 μm, the fluidity of the powder was 56 s / 50 g, bulk density of 2.52 g / cm ³ .

Были подготовлены несколько смесей, состав которых приведен в таблице 1. Диффузионное алитирование проводилось по одинаковому режиму: готовили смесь для диффузионного алитирования, промывали контейнер сечением 200×200×400 мм перед заполнением смесью аргоном, герметично закрывали и загружали в муфельную печь, разогретую до рабочей температуры 700°С. Длительность нагрева контейнера составила 2,5 часов. Длительность выдержки (процесс алитирования) проводили в течение 2,5 часов. В таблице 1 представлены такие результаты диффузионного алитирования как текучесть и толщина получаемого покрытия.Several mixtures were prepared, the composition of which is given in Table 1. Diffusion alimentation was carried out according to the same regime: a mixture was prepared for diffusion alimization, the container was washed with a cross section of 200 × 200 × 400 mm before filling with the mixture with argon, hermetically closed, and loaded into a muffle furnace heated to working temperature 700 ° С. The duration of heating the container was 2.5 hours. The exposure time (alitization process) was carried out for 2.5 hours. Table 1 presents such results of diffusion alitization as fluidity and thickness of the resulting coating.

В таблице 2 приведены данные по характеристикам железного порошка, получаемого из смеси по вариантам 1-3, при различных технологических параметрах его получения. Результаты испытаний показали, что наилучшие результаты по характеристикам готового железного порошка с алюминиевым покрытием получены в интервале технологических параметров, указанных в формуле заявляемого изобретения.Table 2 shows the data on the characteristics of the iron powder obtained from the mixture according to options 1-3, with various technological parameters for its production. The test results showed that the best results on the characteristics of the finished iron powder with an aluminum coating were obtained in the range of technological parameters specified in the claims of the claimed invention.

В результате проведения диффузионного алитирования порошка железа из порошковой смеси приведенного состава по указанным технологическим режимам на железном порошке получается сплошное алюминиевое покрытие толщиной 2,5-5,0 мкм, железный порошок покрытый алюминием, имеет следующие характеристики: текучесть 54-57 с/50 г, насыпная плотность 2,52 г/см³. Данный железный порошок может быть использован для создания композиционных материалов, пористых фильтров и электротехнических деталей.As a result of diffusion alitization of the iron powder from the powder mixture of the reduced composition according to the indicated technological conditions, the iron powder produces a solid aluminum coating 2.5-5.0 μm thick, iron powder coated with aluminum, has the following characteristics: fluidity 54-57 s / 50 g bulk density of 2.52 g / cm ³ . This iron powder can be used to create composite materials, porous filters and electrical parts.

Claims

1. A method of applying an aluminum coating to an iron powder, comprising filling a container with a mixture including iron powder, aluminum powder as an alloying agent and an activator, removing air from the container, heating the mixture, isothermal exposure and cooling, characterized in that they use a mixture containing powder iron, finely divided aluminum powder, an activator of alitization and an inert additive selected from the group consisting of aluminum oxide and silicon oxide, in the following ratio, wt. %:

iron powder 65-70 fine aluminum powder 20-25 alitization activator 2-3 inert additive 7-8,

the heating of the mixture is carried out in a hermetically sealed container in the furnace to a temperature of 600-750 ° C, and the duration of heating the tank is set at the rate of not less than 1 h per 100 mm of the tank cross-section, isothermal exposure is carried out for 1-4 hours to ensure diffusion alification of the iron powder, after which the container is depressurized, it is cooled in air and magnetic separation of the mixture is carried out at least 5 times to obtain an iron powder with an aluminum coating 2.5-5.0 μm thick, having a fluidity of 54 to 57 s / 50 g and bulk density from 2.5 to 2.57 g / cm ^3.

2. The method according to p. 1, characterized in that the removal of air from the tank is carried out by evacuating it.

3. The method according to p. 1, characterized in that the removal of air from the tank is carried out by washing it with an inert gas, such as hydrogen or argon.