Диффузионное насыщение металлами

Насыщение поверхности стали металлами в ходе их высокотемпературной химико-термической обработки в соответствующих насыщающих средах называется диффузионной металлизацией. Целью такого вида химико-термической обработки является изменение состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали путем введения в него таких металлов, как хром, алюминий, титан, цинк, вольфрам, ванадий, ниобий. Диффузионная металлизация, в зависимости от насыщающего элемента, может проводиться в диапазоне температур от 400 до 1700 °С. Техническое исполнение этого вида химико-термической обработки может быть выполнено рядом способов, например, погружением обрабатываемой детали в ванну с расплавленным металлом. Такой метод применим в том случае, когда температура плавления насыщающего металла оказывается значительно ниже температуры плавления стали. В случае необходимости насыщения поверхности стальной детали тугоплавкими металлами возможно использование погружения детали в расплавы солей насыщающего металла, насыщения поверхности детали из газовой фазы, состоящей галогенидов диффундирующего металла, диффузии насыщающего металла путем его испарения из сублимированной фазы, метода циркуляционного газового насыщения и т. п.

Подобная химико-термическая обработка может включать в себя как насыщение только одним элементом, например, насыщение поверхности детали хромом — хромирование, насыщение алюминием — алитирование, так и насыщение группой металлов — хромоалитирование (одновременное насыщение хромом и алюминием), одновременное насыщение поверхности детали металлами и неметаллами — карбохромирование (насыщение поверхности углеродом и хромом). Совместное насыщение поверхности детали рядом элементов может проводиться как одновременно, так и последовательно.

В результате диффузионной металлизации в поверхности стали возникают слои высоколегированных твердых растворов диффундирующих элементов в железе, создавая принципиально иные физико-химические свойства поверхностных, защитных слоев изделия.Изделие, поверхность которого обогащена этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относятся высокая жаростойкость, коррозионная стойкость, повышенная износостойкость и твердость.

Алитирование - насыщение поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до 850 - 900⁰С), так как в процессе нагрева на поверхности алитированных изделий образуется плотная пленка окиси алюминия Al₂O₃, предохраняющая металл от окисления.

Алитирование проводят в порошкообразных смесях (50%Al или ферроалюминия, 49%Al₂O₃ и 1%NH₄CI или 99% ферроалюминия и 1%NH₄CI) при температуре 1000°С и выдержке в течение 8ч.В результате образуется слой в 0,4—0,5 мм, насыщенный алюминием. Алитирование выполняется также металлизацией в расплаве алюминия (с 6—8% железа) при 700—800°С с последующей выдержкой и др. методами.

Структура алитированного слоя представляет собой твердый раствор алюминия в a-железе. Твердость алитированного слоя (на поверхности) до 500 HV, износостойкость низкая. Алитирование поверхности стальных и др. металлических деталей проводится с целью повышения окалиностойкости до температуры 1100°С и сопротивления атмосферной коррозии. Чаще всего алитируются детали из малоуглеродистых аустенитных сталей. При алитировании в течение 12 ч при 1100°С у стали с 0,06 % углерода толщина слоя составляет 1 мм, у стали с 0,38 % углерода — менее 0,9 мм. Содержание алюминия в насыщенном слое может достигать 40–50 %, однако при превышении его концентрации 30% отмечается повышенная хрупкость слоя и для выравнивания его концентрации по сечению поверхностного слоя обычно выполняется термическая обработка жаропрочных сплавов.

Алитирование применяют также при изготовлении клапанов автомобильных двигателей, лопаток и сопел газовых турбин, деталей аппаратуры для крекинга нефти и газа, труб пароперегревателей, печной арматуры и т. п. Алитирование в расплавленном алюминии широко пользуются вместо горячего цинкования (листы, проволока, трубы, строит, детали).

Хромирование — способ химико-термической обработки, состоящий в высокотемпературном (900–1300°С) диффузионном насыщении поверхности обрабатываемой детали хромом в насыщающих средах с целью придания ей жаростойкости (до 800°С), коррозионной стойкости в пресной и морской воде, растворах солей и кислот, эрозионной стойкости. Диффузионное насыщение поверхности стали хромом, также уменьшает скорость ползучести материала, повышает его сопротивление термическим ударам. Хромирование также повышает предел выносливости стали при комнатных и повышенных температурах, что связано с возникновением в слое сжимающих напряжений.

Хромирование сталей, содержащих свыше 0,3 - 0,4%С, повышает также твердость и износостойкость. Диффузионный слой, получаемый при хромировании технического железа, состоит из твердого раствора хрома в a-железе. Карбидный слой обладает высокой твердостью. Твердость слоя, полученного хромирования железа, 250 - 300 HV, а хромированием стали - 1200 - 1300 HV.

Хромированию подвергаются стали различных классов — ферритных, перлитных и аустенитных, сталей различного назначения.

Структура хромированного слоя напрямую зависит от содержания в стали углерода. Если в малоуглеродистых сталях этот слой обычно состоит из твердого раствора замещения хрома в a -железе, то в случае высокоуглеродистых материалов может образовываться слой карбидов, состоящий, например, для сталей с 0,8–1,0 % углерода из карбидов Сr₂₃С₆, расположенных в верхних слоях насыщенной хромом поверхности и карбида Cr₇С₃ лежащего ниже. Под карбидными слоями располагается эвтектоидный слой, состоящий из троостита и карбида Cr₇С₃. Кроме углерода на параметры хромированного слоя влияет легирующиеэлементы. Содержащиеся в сталивсе карбидообразующие элементы - вольфрам, молибден, титан, ванадий и т. д., увеличивают глубину хромированного слоя,элементы расширяющие аустенитную область — никель, кобальт — уменьшают глубину хромирования. Это связано с особенностями диффузии хрома в a -Fe и g -Fe. С одной стороны, скорость диффузии атомов хрома в a -железе значительно выше, чем в аустените, с другой, — при легировании вольфрамом, молибденом и другими карбидообразующими элементами содержание хрома в стали в исходном, до химико-термической обработки, состоянии превосходит его концентрацию в сталях углеродистых или легированных, например, только никелем.

Твердость насыщенной хромом поверхности у средне- и высокоуглеродистых сталей, то есть тогда, когда хром в поверхности находится в виде слоя карбидов, составляет 12000–13000МПа. Твердость хромированного слоя у низкоуглеродистых сталей, когда хром находится в твердом растворе, не превышает 1500–3000МПа.

Наиболее широко применяется метод диффузионного хромирования в порошках, содержащих хром или феррохром и активные добавки в виде галогенидов аммония (контактный метод). При этом подвергающиеся химико-термической обработке детали укладываются в специальные контейнеры (ящики) с двойными крышками для повышения герметичности и подвергаются высокотемпературным нагревам в соответствующих смесях в течение 6–12 ч. Особо широкое применение этого метода объясняется простотой применяемого оборудования, отсутствием необходимости создания специальных производств и участков.

Кроме однокомпонентного насыщения поверхности стали хромом достаточно широкое применение нашли процессы совместного насыщения: углеродом и хромом — карбохромирование, хромом и кремнием — хромосилицирование, хромом и алюминием — хромоалитирование.

Карбохромирование — это процесс последовательного насыщения поверхности детали углеродом, а затем хромом, способствующий повышению твердости, износостойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости материала. Режимы и способы данной химико-термической обработки соответствуют режимам и способам цементации и хромирования изделий.

Хромосилицирование — это одновременное насыщение поверхности детали хромом и кремнием. Температура хромосилицирования составляет, в зависимости от состава обрабатываемого материала и способа хромосилицирования, 900–1200 °С. Детали, подвергшиеся хромосилицированию, по сравнению с хромированными деталями, обладают повышенной окалиностойкостью и кислотостойкостью, повышенным сопротивлением эрозии в области высоких температур.

Хромоалитирование — это совместное или последовательное насыщение поверхности детали хромом и алюминием. Температура процесса находится в пределах 900–1200°С. Хромоалитирование проводится для создания в поверхности детали слоев с повышенной жаростойкостью, достигающей 900°С, и эрозионной стойкостью. В зависимости от требований, предъявляемых к обрабатываемому изделию, возможно получение хромоалитированных слоев с различными соотношениями диффундирующих элементов.

Титанирование — процесс диффузионного насыщения поверхности сталей титаном. Насыщение осуществляется при температурах порядка 1100°С, глубина насыщения обычно не превышает 0,3 мм. С помощью титанирования стальным деталям придается исключительно высокая коррозионная стойкость, характерная для титана главным образом в средах различных кислот. Титанирование может проводиться в твердых (порошкообразных), жидких и газообразных насыщающих средах. Процесс по технологическим и химическим особенностям близок к хромированию — так же, как при хромировании, в поверхностных слоях малоуглеродистых сталей в процессе насыщения их титаном создается a -твердый раствор титана в железе, который содержит до 30 % титана. Также возможно образование в поверхностном слое сталей интерметаллидного соединения TiFе₂. В сталях с высоким содержанием углерода в поверхностных слоях дополнительно образуются карбидные соединения, резко повышающие твердость насыщенного слоя.

Цинкование — процесс диффузионного насыщения поверхности детали цинком. Химико-термические методы цинкования включают в себя горячее цинкование или цинкование погружением, цинкование в порошке цинка — шерардизация, цинкование в парах цинка. Кроме этих методов используется электролитическое цинкование, металлизация напылением и нанесение цинкосодержащих красок. Цинкование — процесс, способствующий резкому повышению коррозионной стойкости. Цинк, по отношению к железу являясь электроположительным металлом, тормозит коррозию поверхности детали. Под воздействием атмосферной влаги на цинкованной поверхности стальной детали образуется слой карбонатов и оксидов цинка, оказывающий также защитное действие. Температура цинкования зависит от способа проведения операции. Так, при цинковании в порошках температура процесса колеблется в пределах 370–430 °С, при цинковании погружением — 430–470 °С. Также широк интервал времени выдержки при цинковании. Если при цинковании в порошковых смесях слой толщиной около 0,1 мм достигается в среднем за 10 часов, то при цинковании погружением толщину покрытия в 0,3 мм получают за 10 секунд процесса.

Горячее цинкование считается одним из самых надежных, экономичных и потому распространенных методов защиты железа и стали от коррозии.Для металлоконструкций горячее цинкование является, бесспорно, самым распространенным видом покрытия.Толщина цинкового слоя колеблется от 40 до 85 мкм.

В зависимости от режима насыщения в диффузионном слое на поверхности железа может образоваться η-фаза (твердый раствор железа в цинке), далее слой интерметаллидных фаз FeZn₁₃, FeZn₇, Fe₃Zn₁₀, а ближе к сердцевине — твердый раствор цинка в железе.

Для повышения коррозионной стойкости различных изделий (листы, трубы, проволока, посуда, аппаратура для получения спиртов, холодильников, газовых компрессоров и т. д.) чаще применяют цинкование путем погружения изделий в расплав цинка.

Диффузия хрома, алюминия и других металлов протекает значительно медленнее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом растворы внедрения, а металлы - растворы замещения. При одинаковых температурных и временных условиях диффузионные слои при металлизации в десятки, а то и в сотни раз более тонкие, чем при цементации. Такая малая скорость диффузии препятствует широкому распространению процессов диффузионного насыщения в промышленности, так как процесс является дорогостоящим, его проводят при высоких температурах (1000-1200°C) длительное время. Только особые свойства слоя и возможность экономии легирующих элементов при использовании процессов диффузионной металлизации обусловливает их применение в промышленности.

 

Основная:

1.Материаловедение. Учебник для вузов. /Б.Н.Арзамасов, В.И.Макарова, Г.Г.Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н.Арзамасова. 7-изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. 648с.

2.Гуляев А.П., Гуляев А.А. Металловедение: Учеб. для вузов. – 7 –е изд. – М.: Альянс, 2012.-643с.

3.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учеб. для вузов.- 6-е изд.=М.: Альянс, 2011.-528с.

4.Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Вайткун Ф. Материаловедение: Учебник для вузов. Изд. 2-е перераб. и доп. СПб.: Химиздат, 2002 –696с.

 

Дополнительная:

1.Справочник по конструкционным материалам: Справочник / Б.Н. Арзамасов, Т.В. Соловьева, С.А. Герасимов и др.; Под ред. Б.Н. Арзамасова, Т.В. Соловьевой. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.-640с.

2.Журавлев В.В., Николаева О.И. Машиностроительные стали – справочник. – М.; Машиностроение, 1992 г.

3.Марочник сталей и сплавов. Под ред. Сорокина В.Г. – М.; Машиностроение, 1989 г.