Дослідження процесу поверхневого легування виливків проводили з застосуванням покриттів матеріалів, які мають температуру плавлення на рівні температури сплаву із застосуванням заливання рідкого металу в порожнину досліджуваної форми на нанесені на стрижень легувальними покриттями.

Для дослідів застосовувалися склади легуючих сумішей, наповнювачами яких були порошкоподібні феросплави на основі хрому, марганцю, титану, бору молібдену та інші.

Зв’язувальним компонентом в усіх сумішах є водний розчин рідкого скла густиною 1,05-1,1 г/ см³ в кількості 4,5…5,0 % (за масою) від сухих компонентів.

Дослідні форми заливали сталю 30Л за різних температур (1570…1620 °С).

Оброблення результатів експериментів показала, що при використанні для легуючих покриттів на основі хрому і безвуглецевого ферохрому, при температурі метала, що заливається 1570…1590 ºС, легування не відбувалось, покриття форми тільки спікалось а після вибивання з форми виливка легко відколювалось з її поверхні. Як на дослідних, так і на контрольних виливках, при заливанні форм металом з температурою 1620 ºС проникнення металу тільки починалось: спостерігалось “пригорання” шару зерен легувального матеріалу товщиною до 0,5 мм, інша частина легуючого покриття не пропитувалась рідкою сталю і при ударі сколювалась. З підвищенням фракції та товщини легувального покриття встановлено, що за температури 1600 ºС вже відбувалось просочування рідким метало.

В роботі зроблено спробу розрахувати мінімальне перегрівання  металу основи залежно від товщини покриття.

Використання для поверхневого легування металевого хрому і безвуглецевого ферохрому не дало позитивних результатів: легуюче покриття не пропиталось рідким основним металом і сколювалось з поверхні виливка не залежно від товщини виливка і температури металу, що заливається в межах до 1620 °С. Тільки на зразках товщиною 60 мм і температурі заливання 1620 °С під сколюючим легуючим покриттям спостерігається вкраплені в основний метал зерна хрому і ферохрому.

Встановлено, суттєвого впливу на просочування основного металу виливка в пори легуючого покриття спостерігалась тенденція збільшення глибини проникнення рідкого металу зі збільшенням товщини виливка і температури металу, що заливається.

Фракція легувального покриття при прийнятих умовах експериментів суттевого впливу на проникнення рідкого металу в пори покриття не зробила.

Це пояснюється тим, що рідкий метал змочує матеріал покриття. Тому зменшення розміру пор не збільшує капілярний протитиск як в порах форми, а навіть, навпаки, збільшує капілярне всмоктування. Одночасно діє і інший фактор, чим менше розмір пор, тим швидше може замерзнути плівка металу, адже вона тонше. Вплив цих двох чинників і дало цей експериментальний факт.

У проведених дослідах, проникнення рідкого металу на всю глибину легуючого покриття не відбувалося.

Причина цього була встановлена на дослідах по вимірюванню температури на межі розділу основний метал – легувальне покриття і покриття – ливарна форма.

Встановлено, що температура на межі виливок-покриття дуже швидко встановлюється на рівні 1397…1427 °С, тобто навіть нижче температури солідуса сталі 30Л. Проникнення металу може початися при температурі вище Т_сол. Отже, в даному випадку були відсутні умови для проникнення в пори покриття на всю глибину

Легований шар на дослідних зразках утворюється при часі витримки менше 5 с від початку заливання. Така швидкість легування може бути досягнута тільки при проникненні рідкого металу в пори легувального покриття, так як для плавлення необхідно значно більше часу.

Мікроструктура легувального шару, перехідної зони і основного металу виливка складається з нерозчинених зерен ферохрому, цементиту з мікротвердістю, карбідної евтектики, невеликих ділянок троститу, темних глобулів оксидів та пор.

Перехід від легованого шару до основного металу плавний зі сторони основного металу на глибину до 0,3 мм перліт і карбідна евтектика. Структура основного металу складається з пластичного перліту,  невеликих ділянок фериту.

На підставі експериментальних даних, металографічних дослідів легованого шару і металу виливка можна зробити висновок, що процес поверхневого легування відбувається за рахунок його проникнення в пори покриття. Вирішальна роль в цьому випадку відводиться теплової стороні процесу. За дослідними даними температура металу основи повинна бути значно вище температури його кристалізації.

Для того, щоб стало можливе утворення поверхнево-легованого шару за рахунок проникнення основного металу в пори покриття, необхідно щоб були дотримані дві умови: по - перше, температура поверхні покриття повинна бути вище температури нульової рідкотекучості основного металу; по - друге, щоб тиск металу на межі з покриттям перевищувало критичне, при якому почнеться проникнення. В нашому випадку метал контакту з формою, яка складається з зерен феросплаву, тому кут змочування повинен бути менше 90̊ тобто просочування може відбуватись при любому, навіть нульовому тиску.

Для встановлення можливості виконання першої умови необхідно мати температуру поверхні на розділі метал-форма, яка залежить від теплофізичних властивостей контактуючих матеріалів а також від величини конвекції рідкого металу. За літературними даними відповідно до основ теорії теплопровідності розраховано рівняння для визначення мінімальної температури перегрівання сталі залежно від наведеної товщини виливка, для забезпечення початку просочування.

Рис. 1 – Необхідна мінімальна величина перегрівання сталі для початку проникнення в пори легувального покриття

Як видно з рис. 1, для того, щоб почалося просочування рідкого металу в пори легувального покриття, необхідно визначити мінімальний перегрів металу вище температури його кристалізація. Він значно зменшується зі збільшенням товщини (наведеного розміру) виливка.

Для сталі 30Л (середня температура кристалізація Т_кр – 1495 °С) товщиною 60 мм, мінімальна температура заливання, щоб почалося просочування основного металу в пори покриття, становить 1615 °С.  Фактично при Т_зал = 1620 °С проникнення тільки починалося. Таким чином маємо задовільний збіг розрахункових і експериментальних даних.

Узагальнюючи експериментальні і розрахункові дані по поверхневому легуванню, можна зробити висновок, що основною умовою для успішного протікання процесу є високий перегрів (∆Т̊ = 87-320 °С для товщини 0,05 і 0,1 відповідно) основного металу над лінією ліквідус.

Для отримання легованого шару необхідної товщини перегрівання металу повинно бути вище мінімального.

На підставі теорії теплопровідності з урахуванням конвекції в рідкому металі залежно від товщини покриття і виливка., із збільшенням товщини виливка і зменшенням товщини покриття величина перегрівання може бути трохи зменшена.